РОЗДІЛ 11. Фотоелектричні перетворювачі

приводить до формування об'ємних зарядів – qna, товщиною Lp у р - області й qnd, товщиною Ln, в η - області переходу (Рис. 1.9). При цьому, якщо концентрації електронів і дірок в обох областях р - n переходу рівні, тобто pp = nn, те Lp = Ln. Наявність об'ємних зарядів різних знаків, у свою чергу приводни до виникнення контактного електричного поля. Це електричне поле локалізовано на границі поділу р і η областей p-η переходу. Товщина області локалізації цього електричного поля обмежена відстанню від Lp до Ln. При рівноважних умовах, у відсутності висвітлення p-η переходу, потік термічно генерованих носіїв заряду відсутній.При освітленні p-η переходу, у наслідку поглинанні світла в напівпровіднику додатково збуджуються електронно-діркові пари. В областях електричної нейтральності (х < Lp і х >Ln) фотопорушення збільшує тільки енергію електронів і дірок, не розділяючи їх у просторі. В області локалізації електричного поля фотогенеровані носії заряду просторово розділяються цим полем. У результаті поділу фотогенерованих носіїв заряду, напівпровідник p-типу одержує надлишковий позитивний заряд, а напівпровідник η-типу одержує надлишковий негативний заряд. Між п- і p-областями р-n переходу виникає різниця потенціалів. Ця різниця потенціалів одержала назву - фото ЕРС. Полярність фотоерс відповідає "прямому" зсуву p-n переходу, яке знижує висоту потенційного бар'єра й сприяє інжекції дірок з p-області в n область і електронів з n-області в p-область. У результаті дії цих двох протилежних механізмів - генерація носіїв заряду під дією світла і їх відтоку

Рис. 11.1. Енергетична діаграма р-п переходу

через зниження висоти потенційного бар'єра – при різній інтенсивності світла встановлюється різна величина фотоерс. При цьому величина фотоерс зростає пропорційно логарифму інтенсивності світла. При короткому замиканні освітленого p-η переходу в електричному колі потече струм, пропорційний величині інтенсивності освітлення.

Гранична довжина хвилі, починаючи з якої фотони будуть поглинатися в матеріалі напівпровідникового сонячного елемента із шириною забороненої зони Eg, різна для різних матеріалів.

Довгохвильове випромінювання не поглинається в напівпровіднику й, отже, даремно з погляду фотоелектричного перетворення.

Сонячний елемент виготовляється на основі пластини, виконаної з напівпровідникового матеріалу, наприклад кремнію. Для формування р-п переходу в пластині створюються області з різними типами провідності. Для збору фотогенерованих носіїв заряду на обох поверхнях пластини виготовляються струмоз'ємними металеві омічні контакти. Верхній (фронтальний) контакт виконується у вигляді гребенчатої полоскової або концентричної структури, нижній контакт - суцільної. На рис. 11.2. показаний пристрій найпростішого сонячного елементу.

Де: 1 – омічні контакти; 2 – область провідності n - типу; 3 - область провідності р-типу.

На рис. 11.3. показані найпростіші сонячні елементи з різною конфігурацією фронтального контакту. На цьому Рис.: 2 – область напівпровідникової пластини п- типу провідності; 1 - омічні контакти: 3 – область напівпровідникової пластини р- типу провідності.

Рис. 11.2. Пристрій найпростішого сонячного елемента

Кристалічний кремній не єдиний напівпровідниковий матеріал для виготовлення сонячних елементів.

Аморфний кремній виступив як більш дешеву альтернативу монокристалічному. Перші СЕ на його основі були створені в 1975 році.

Рис. 11.3. Сонячні елементи різної конфігурації

Оптичне поглинання аморфного кремнію в 20 раз вище, чим кристалічного. Тому для істотного поглинання видимого світла досить плівки a-Si:H товщиною 0,5 - 1,0 мкм замість дорогих кремнієвих 300 - мкм підкладок. Крім того, завдяки існуючим технологіям одержання тонких плівок аморфного кремнію великої площі не потрібно операції різання, шліфування й полірування, необхідних для СЕ на основі монокристапічного кремнію. У порівнянні з полікристалічними кремнієвими елементами вироби на основі а- si:H роблять при більш низьких температурах (300°С): можна використовувати дешеві скляні підкладки, що скоротить витрату кремнію в 20 раз.

Поки максимальний ККД експериментальних елементів на основі а- Si:H -14% - трохи нижче ККД кристалічних кремнієвих СЕ (~18%). Однак не виключене, що з розвитком технології ККД елементів на основі a-Si:H досягнеться теоретичної стелі - 16 %.

Арсенід галію - один з найбільш перспективних матеріалів для створення високоефективних сонячних батарей. Це пояснюється наступними його особливостями:

- майже ідеальна для одноперехідних сонячних елементів ширина забороненої зони 1,43 еВ;

- підвищена здатність до поглинання сонячного випромінювання: потрібен шар товщиною всього в трохи мікрон;

- висока радіаційна стійкість, разом з високою ефективністю, роблять цей матеріал надзвичайно привабливим для використання в космічних апаратах;

- відносна нечутливість до нагрівання батарей на основі Gaas;