Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 95
Текст из файла (страница 95)
ОптоэлектронныеСоответствующие выражения дляIтприборыIт501и И т имеют вид= [IоИ т ехр (И т1<1'т>J/<рт;И т = <l'т ln {[(lФ/1 0 )= И хх- <l'т ln ( 1(16.14)+ 1]/[1 +И т/<рт]} =+ И т/<рт).(16.15)(Вторая формула соотношения(16.13) для ихх•)На рис. 16.36, б нанесены(16.15)получена с учетом выражениязначенияIти И т и построен прямоугольник, площадь которого соответствует максимальной мощности Р m' т. е. для нахождения Рт необходимо в БАХ фотоэлемента вписать прямоугольник с максимальной площадью.
Таким образом, полученные выражениямаксимальную мощность,(16.14)и(16.15)определяюткоторая выделяется в нагрузке припоглощении излучения и при оптимальном согласовании внутреннего сопротивления элемента с сопротивлением внешней цепи. Максимальная эффективность преобразования Т\ (максимальный КПД преобразования оптического излучения в электрическую энергию) реализуется при таком выборе и изготовленииматериала, когда обратный ток будет минимальным; Т\т определяется отношением максимальной выходной мощности Рт кмощности падающего излучения. Предельные значения КПДидеализированного преобразователя можно получить, если допустить, что потери в фотоэлементе обусловлены только излучательной рекомбинацией.Казалось бы, для получения максимального КПД необходимо иметь минимальные значенияразноиспользоватьIники с возможно более широкойзапрещенной зоной. Однако междуширинойзапрещеннойЛЕ 3 и энергией фотонавуютдляоптимальныекаждого0 и, следовательно, целесообполупровод-hvТ),%зонысущестсоотношенияреальногокристалhv > ЛЕз, то разностьhv - ЛЕз переходит в ос20ла.
Еслиэнергий10новном в тепло. Кроме того, каквидно из рис.лучения16.32,Солнцав спектре избольшаячастьпотока фотонов обладает энергией21Рис.16.373ЛЕ 3 , эВРаздел.5024.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИпорядка одного эВ. С учетом этого на основании проведенных расчетов было показано, что максимальный КПД достигается приЛЕ 3= 1,35 эВ.На рис.16.37приведена зависимость Т\=f(ЛЕ 3 )для солнечного элемента, расположенного на Земле при Т=300 К и приосвещении Солнцем, находящимся под углом=45°к горизонту.
Если осуществить тысячекратную концентрациюсолнечного света с помощью оптических систем, то максимальный кпд возрастет с 31до37%' что связано с увеличением ихх·В реальных солнечных преобразователях максимальный КПДзаметно ниже идеализированного из-за влияния сопротивлениявысокоомной базовой области, различных видов рекомбинации, потерь на сопротивлении контактов и ряда других факторов, которые будут рассмотрены ниже.
Определяющее влияние,на КПД рассматриваемых приборов оказывает квантовая эффективность, или спектральный отклик, который представляетсобой чисдо генерируемых фотоэлектронов в полном токе прибора, приходящихся на один падающий фотон при облучениимонохроматическим светом с длиной волны Л. Этот параметрсвязан с коэффициентом поглощения. В фотоэлементе, представленном на рис.16.33,при поглощении фотонов с низкимиэнергиями основная доля носителей генерируется в базовой области, поскольку коэффициент поглощения вгия фотонов больше2,5."3 эВ,Si мал.Если энерто основная их доля поглощаетсяв лицевом слое.
Скорость поверхностной рекомбинации на лицевой поверхности достаточно велика, и это приводит к значительному уменьшению фотоотклика. Для анализа электрической цепи, в которую включен фотоэлемент, весьма полезно знать егоэквивалентную схему, которая представлена на рис.ратор токаIФ16.38. Генеопределяет генерацию неравновесных носителей засчет облучения светом, диодVDмоделирует идеализированныйр-п-переход, БАХ которого описывается выражениемраллельное сопротивлениеRY(2.20);паобусловлено токами у:гечки; последовательное сопротивление Rк определяется в основном сопротивлением высокоомной базовой областии для солнечного элемента зависит отглубины залегания перехода, концентрации примесей в п- и р-областях иот конструкции лицевого омическогоконтакта (см.Рис.16.38рис.16.33).Теорети~ческий анализ эквивалентной схемыГлавапоказывает,ние, как50316.
Оптоэлектронные приборычто даже такое малое шунтирующее сопротивлеRy = 100 Ом,практически не влияет на выходную мощность прибора. В действительностиRyмного больше, поэтому еговлиянием тем более можно пренебречь.Последовательное же сопротивление Rк даже при значенияхRк< 1 Омоказывает существенное влияние на выходную мощность. Так, при Rк =чем на30%5 Ом выходная мощность уменьшае'l'СЯ болеепо сравнению с оптимальной величиной при Rк =О.Таким образом, при учете последовательного сопротивления Rк,как и в обычном р-п-переходе (см. п.2.3),ток, напряжение ивыходную мощность во внешней цепи можно определить соответствующими выражениями:I = I 0 {ехр [q(U -IRк)/kT)]И= (kT /q) ln {[(J + JФ)/!0 ]- 1} -IФ;(16.16)+ 1} + IRк; Р = \IU\.Для иллюстрации влияния сопротивления Rк на выходнуюмощность можно привести следующий пример.
Если при Rквыходная мощность Рпри Rк =5 Ом= 1 Вт,то для Rк= 2 Ом,Р=О= 0,57 Вт,авыходная мощность, выделяемая во внешней цепи, равна лишь0,27 Вт.Типичные значения Rк для. кремниевогосолнечного элемента, изображенного на рис.0,4 ... 0, 7 Ом.На рис.16.33, составляют16.36, а (кривая 2) проиллюстрировано влияние Rк на ВАХ, там же показан заштрихованный прямоугольник,площадь которогоопределяет максимальную мощность,производимую фотоэлементом при Rкный прямоугольник-= 5 Ом,и незаштриховандля максимальной мощности при Rк =О.В реальных солнечных элементах, в отличие от идеализированных, на величину прямого тока оказывает влияние рекомбинация. носителей в р-п-переходе, за счет чего КПД преобразования падает. Так, в кремниевых солнечных элемен'l'ах прикомнатной температуре рекомбинационный ток приводит кснижению эффективности преобразования.
на25%.Повышениетемпературы также уменьшает эффек'l'ивность преобразования.(КПД) В ОСНОВНОМ из-за уменьшения напряженияUxx• въiзванJ 06P при высокихэто следует из формулы (16.13).НОГО увеличением обратного тока насыщениятемпературах, какОтдельный солнечный кремниевый элемент площадьюимеет значения напряжения холостого хода И хх2 см 2= 0,5 ... 0,6 Ви504Раздел4.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИтока короткого замыкания Iкз =во таких элементов,30 ...
60 мА.Большое количестсоединенных последовательно-параллельно и собранных в единую солнечную батарею, позволяет получить источник электрической энергии с существенно большимитоками и напряжениями. На рис.16.39показана БАХ солнечной батареи, которая вырабатывает в наземных условиях приТ=300 Кмаксимальную мощность- 11,5 Втс КПД- 13%.Батарея освещает~я Солнцем, находящимся в зените. На этом жерисунке приведены и линии постоянной мощности (Р =const).Выше были рассмотрены плоские кремниевые р~п-фотоэлементы.
Существует достаточное разнообразие конструктивныхрешений приборов этого вида, в которых за счет тех или иныхструктурных и конструктивных модификаций удается повысить эффективность. Одной из таких модификаций являетсяэлемент, устройство которого дано на рис.16.34.Как уже отмечалось, этот прибор работает подобно биполярному транзисторус изолированным п+-эмиттером. Неравновесные электронно-дырочные пары, рожденные светом в п+-эмиттере(1) илйр-базе (2),движутся (как в обычном транзисторе) к п+-коллектору и разделяются коллекторным переходом. В п+-коллектор поступаютэлектроны, а дырки остаются в р-базе, выводы которой(4)осуществляются через р+-области.
В этом фотоэлементе вблизи тыловой (нижней на рис.16.34) поверхностими омическими контактамиперед металлическисозданы сильнолегированные полупроводниковые р+-слои. Между двумя базовыми областямир+ и р возникает потенциальный барьерqr.pP, препятствующийвыходу электронов р-области.!,мА700600500= 11 Вт, Т\ = 12,6 %= 9 Вт, Т\ = 10,3 %Р = 7 Вт, Т\ = 8 %Р400Р30020010048 12 16 20Рис.16.39и, вГлава16. Оптоэлектронные505приборыВ результате резко снижается скорость поверхностной рекомб.инации электронов вблизи тыловой поверхности, т. е. уменьшаются потери фотоносителей, что вызывает увеличение спе:ктрального отклика, особенно для длинноволнового излучения.Плотность тока короткого замыкания возрастает, повышается инапряжение холостого хода за счет роста тока короткого замыкщ1ия Jкз' уменьшения рекомбинационного тока тылового контакта и из-за дополнительного потенциального барьера междур- и р+-областями.
Таким образом, наличие текстурированнойповерхности, уменьшающей потери на отражение, и высоколегированных областей на тыловой поверхности позволяет получить КПД порядка20%и более.Рассмотрим теперь основные свойства других фотоэлементов, обладающих целым рядом достоинств. К таким приборамможноотнестисолнечныеэлементысгетеропереходами,поверхностные и тонкопленочные солнечные элементы.Гетеропереходы представляют собой переходы, которые образуются при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (см.
п.2. 7).Если у фотоэлемента верхний слой, на который падает свет, сделать из полупроводника сширокой запрещенной зоной ЛЕз1' а нижний- с узкой ЛЕ 32 , топри облучении квантами света с энергией ЛЕ 31< hv <ЛЕ 32 фотоны проходят через слой первого полупроводника и поглощаются во втором. Первый слой с широкой запрещенной зоной ЛЕ 32играет роль оптического окна; остальные процессы аналогичныпроцессам в солнечных элементах с р-п-гомопереходами. Основные преимущества солнечных элементов с гетеропереходами перед приборами ср-п-гомопереходами следующие:1)повышение спектрального отклика на коротких длинахволн при условии, чтоhv <ЛЕ 31 и фотоны поглощаются вобедненном слое второго полупроводника;2)возможность получениянизкого последовательного сопротивления за счет сильного легирования верхнего слоя;3)высокая радиационная стойкость при достаточно толстоми широкозонном верхнем слое полупроводника.К достоинствам солнечных элементов с барьерами Шоттки можно отнести:1)большой выходной ток и хороший спектральный откликиз-за близкого расположения обедненного слоя к поверхности, что ослабляет негативное влияние малого временижизни и высокой скорости поверхностной рекомбинации;Раздел5062)3)4.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИвысокую радиационную стойкость;отсутствие необходимости проведения высокотемпературной диффузии, что позволяет использовать низкотемпературную технологию, применяемую при изготовлении поликристаллических тонкопленочных солнечных элементов.При изготовлен:и;и солнечных элементов на барьерах Шотткислой металла должен быть настолько тонким (- 10-6 см), чтобыосновная доля света достигала полупроводника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
