Принцип работы солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 1 [1].

Рис.1. Простейшая конструкция солнечного элемента: 1 - свет(фотоны), 2 - фронтальный контакт, 3 - n-слой, 4 - слой p-n перехода, 5 - p-слой, 6 - задний контакт.

 

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния, p и n типа. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий дырочной проводимостью (p-тип). Снаружи он покрыт очень тонким слоем n-кремния. Это необходимо для того, чтобы носители заряда не терялись из-за рекомбинации в приповерхностном сильнолегированном слое. Расстояние до p-n перехода должно быть меньше глубины проникновения света (определяется по формуле 1/α, где α-длина световой волны) На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n- и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом.

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда солнечный элемент освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область (рис.2) [2].

 

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения, б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фото-ЭДС.

 

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 2,а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 2,б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

Движение избыточных носителей заряда зависит от того, где они возникают, т.е. в каком месте поглощается свет. Если он поглощается в р-области, то электронно-дырочные пары, находящиеся на расстоянии меньшей от диффузионной длины р-n-перехода, смогут достигнуть его.

Длина диффузии определяется по формуле [2]:

 

1_диф= * t, (1)

 

где D - коэффициент диффузии, t - время жизни.

Рекомбинация носителей заряда, когда свободный электрон непосредственно переходит из зоны проводимости в валентную зону, т. е. заполняет дырку в ковалентной связи атомов (прямая рекомбинация), маловероятна. Причиной этого является редкость события, при котором электрон и дырка находились бы одновременно в одном и том же месте кристалла и имели бы небольшую скорость. Основную роль в рекомбинации носителей заряда играют так называемые центры рекомбинации - ловушки, имеющие в запрещенной зоне энергетические уровни, способные захватить электроны. Процесс рекомбинации с участием ловушки протекает в две стадии: свободный электрон вначале переходит на уровень ловушки, а затем в валентную зону.

Центрами рекомбинаций могут быть примесные атомы, дефекты кристаллической решетки, расположенные в объеме или на поверхности кристалла. Т.е. снижение количества дефектов увеличивает время жизни носителей заряда.

Потенциальный барьер р-n-перехода способствует переходу электронов (неосновных носителей заряда в р-область). Электроны сваливаются в потенциальную яму. Соответственно, если излучение поглощается в n-области, то через р-n-переход могут пройти только дырки (не основные носители заряда в n-области). Если же излучение поглощается в области объемного заряда, то электроны переносятся электрическим полем в n-область, а дырки в р-область. Таким образом, электрическое поле р-n-перехода разделяет избыточные носители заряда.

Поскольку из обеих областей через р-n-переход уходят только не основные носители заряда, то можно считать, что они увеличивают обратный ток р-n-перехода.

В большинстве случаев практических применений, излучение воздействует на структуру перпендикулярно плоскости р-n-перехода.

Фотогальванический эффект - возникновение электрического тока при освещении образца-полупроводника или диэлектрика, включённого в замкнутую цепь (фототок), или возникновение ЭДС на освещаемом образце при разомкнутой внешней цепи (фото-ЭДС) (рис.3) [2].

 

Рис.3. Вольтамперная характеристика p-n перехода: Ф=0 - темновой ток, Jкз - ток короткого замыкания, Vxx - напряжение холостого хода.

 

Освещенный р-n-переход используется в двух режимах работы:

1). В режиме генерации фото-ЭДС. (режим холостого хода, т.е. без нагрузки, при котором проявляется собственно фотогальванический эффект), рис.4 [2];

 

Рис.4. Режим генерации фото-ЭДС: Ф-поток фотонов.

 

2). В фотодиодном режиме, схематически показанном на рис.5 [2].

Рис.5. Фотодиодный режим включеия: Ф-поток фотонов, Rн — нагрузка.

 

Во втором случае под действием источника напряжение в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, в отсутствие напряжения течет небольшой температурный ток. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении диода поток неосновных носителей заряда через p-n переход увеличивается. Увеличивается также и ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком, падающим на диод. Фототок суммируется с обратным тепловым током.

В режиме генерации фото-ЭДС фотоприемник работает как солнечный элемент, а фотосигнал представляет собой напряжение, возникающее на клеммах фотодиода под действием излучения.

В режиме разомкнутой цепи, когда ток равен нулю, на концах полупроводника возникает разность потенциалов U, называемая фото-ЭДС.

Значение фото-ЭДС пропорционально скорости генерируемых пар, т.е. числу пар, создаваемых светом в одном сантиметре кубическом полупроводника в 1 секунду. Это значит, что фото-ЭДС пропорциональна интенсивности света. Кроме того, значение фото-ЭДС зависит от диффузионных длин неосновных носителей заряда.

Основными характеристиками фотоэлемента являются: интегральная чувствительность, коэффициент полезного действия, частотные и температурные характеристики.

По определению, интегральная чувствительность K выражается формулой:

 

К = Lкз/Ф, (2)

 

где Lкз - фототок, проходящий при замыкании концов перехода, через нагрузочное сопротивление, Ф - световой поток.

Значения К полупроводниковых элементов в настоящее время лежат в широком интервале от 600 до 20000 мкА/Лм.

Спектральная характеристика есть ничто иное, как зависимость фототока от длины волны падающего света при постоянном световом потоке, который условились принимать равным 1Лм.

Следует отметить, что фотоэлементы являются инерционными приборами, поэтому значение фото-ЭДС значительно уменьшается с увеличением частоты световых импульсов. Это ограничивает использование фотоэлементов для преобразования лишь постоянных световых сигналов в электрические.

Коэффициент полезного действия солнечной батареи зависит от многих факторов. Его теоретическое значение определяется зонной структурой полупроводника (шириной запрещенной зоны, присутствием или отсутствием непрямых переходов). Максимальные теоретические значения КПД составляют около 25% при Eg= 1.4 - 1.5 эВ, поэтому основными материалами для изготовления солнечных батарей является кремний и арсенид галлия.