Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003) (1095923), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Напряжение на солнечном элементе Vраб = (kT/e)*ln[(JКЗ-Jраб)/Jтемн] зависит от величин IКЗ и Iраб, определяемых значением последовательного сопротивления. Для кремниевых фотодиодов максимальная величина фотонапряженияVхх≈ 0,5-0,6 В (КС=1). Рост фототока JКЗ прекращается, когда плотность фотогенерированных неосновных носителей nизб в n-области достигает плотности основных носителей в р+ -области, что происходит при высокой степени концентрации солнечного излучения KC≈20-40. Увеличение концентрации излучениясопровождается разогревом полупроводника, а разогрев вызывает рост темнового тока JТ, т.е. снижение КПД.
В гетероструктурах на основе соединенийА3В5 наблюдается рост фототока JКЗ~KC при более высоком значении максимальной степени концентрации солнечного излучения - KC∼103-104.Аналогичные эффекты происходят в p-i-n-фотодиодах, гетероструктурах,барьерах Шоттки, МДП-фотодиодах.КПД солнечных элементов зависит от величины ширины запрещенной зоны55полупроводникового материала Eg. Если Eg велика – часть спектра не поглощается, если Eg мала – мало значение фотоЭДС (VXX≤Eg). Максимальное значениеКПД наблюдается для полупроводников с шириной запрещенной зоны ∼ 1.4 эВ(GaAs). Максимальное значение КПД достигает 22-24% для Si, InР, GaAs, и др.Ограничение КПД вызывают такие отрицательные факторы, как поглощениесвета в электродах, отражение от рабочей поверхности, поглощение свободными носителями в р+-области, рекомбинационные потери, омические потеримощности на последовательном сопротивлении, разогрев полупроводника.Разновидности солнечных батарей.1.
Наибольшее развитие получили солнечные элементы на основе монокристаллического кремния. Это связано со следующими причинами: отработаннаятехнология получения кремния и создания p-n переходов, высокие значения параметров (надежность, стабильность, КПД до 20% при прямой засветке, до 26%при KC ∼ 103, для промышленных изделий 14-17%).
Для солнечных элементовиз более дешевого поликристаллического кремния КПД достигает 12-14%.2. Тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного кремния.Аморфный гидрогенизированный кремний (α- Si:Н) в настоящее время является одним из основных перспективных материалов солнечной энергетики. Солнечные батареи из α-Si:Н обладают рядом преимуществ: большое значение напряжения холостого хода VХХ до 0,8-1,1 В вследствие большей ширины запрещенной зоны Eg ~ 1,6 эВ, возможность нанесения на большие площади, использование в качестве подложек различных материалов (стекло, нержавеющаясталь, полиамид), низкая стоимость. КПД достигает 13-14%.3. Солнечные элементы на основе GaAs и других соединений А3В5. GaAsимеет оптимальное значение Eg, поэтому VХХ достигает 1 В при прямой солнечной засветке, КПД до 25% для АМ0 и до 21% для АМ1, если КС ∼ 103 , то до25%..
Эти материалы более нагревостойкие - Траб до 3000 С. Но в то же времяэти соединения более дорогие, сложнее технология изготовления структур.4. Для тонкопленочных поликристаллических и аморфных солнечных элементов используют соединения CdS, CdTe, CuInSe. Простота технологии и низкая стоимость материала позволяют получать солнечные элементы по толстопленочной и тонкопленочной технологии. Подложки могут быть гибкими, полимерными. КПД этих элементов достигает 14-16%, для промышленных образцов ∼ 8%.
Основные направления разработок связаны с созданием такой технологии, которая обеспечила бы высокую стабильность параметров и возможность нанесения пленок на поверхности больших размеров.5. Солнечные батареи с повышенным КПД (>30%) включают в себя каскадные фотопреобразователи, обычно два последовательных фотоэлемента с p-nпереходами из различных полупроводников, Eg1>Eg2 (например, GaAs-Si), илигетероструктуру с варизонной базой.Для сравнения: КПД преобразования в цикле «растительный фотосинтез органическое топливо - тепловая машина - электрический генератор» составляет ∼ 10–3 %.56ОПТРОНЫОптроны - взаимосвязанные пары излучатель-приемник и соответствующаясхемотехника - предложены в 1955 Лебнером (Loebner), США.
Первые образцыоптронов были созданы в 1961 г., промышленный выпуск для электрическойразвязки начат с 1965 г.Оптрон представляет собой прибор, содержащий источник и приемник излучения, которые оптически и конструктивно связаны.Источниками излучения могут быть лампы накаливания, неоновые лампы,электролюминесцентные излучатели, но чаще всего используются светодиоды.Приемники – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.Среда оптического канала – воздух, стекло, пластмасса или другое прозрачное вещество.Элементарный оптрон содержит 1 источник и 1 приемник, поэтому носит название оптопара, более сложные оптроны, объединенные в ИМС с одним илинесколькими согласующими или усиливающими устройствами называют оптоэлектронными ИМС.Особенность оптронов заключается в двойном преобразовании энергии,обычно электрической в оптическую и обратно с электрическим входом и выходом.УстройствоуправленияJ1V1ИсточникизлученияФ1ОптическийканалФ2ФотоприемникJ2V2Рис.
35. Схема оптрона с электрическим входом и выходом.Для согласования параметров оптронов с другими элементами электронныхсхем используются дополнительные входные и выходные устройства.Если источник и приемник электрически не соединены, то реализуется гальваническая развязка входа и выхода. Введение электрической и (или) оптической обратной связи существенно расширяет возможности генерирования, усиления оптических и электрических сигналов, ЗУ и др.Достоинствами оптронов являются: высокая помехозащищенность и однонаправленность передачи сигналов; широкая частотная полоса пропускания (возможность передачи как импульсных, так и постоянных сигналов); совместимость с другими изделиями микроэлектроники.К недостаткам приборов относятся: низкий КПД, связанный с двойным преобразованием энергии; чувствительность параметров к изменению температуры; высокий уровень собственных шумов; гибридная технология.57Элементы оптроновОсновными элементами оптопар являются источники и приемники оптического излучения, а также среды оптических каналов.
Элементы оптопар должны быть согласованы по спектральным характеристикам, быстродействию,температурным свойствам, габаритам.Источниками обычно являются инжекционные диоды, излучающие в инфракрасном диапазоне. Требования к ним включают высокий КПД, необходимоебыстродействие, узкая направленность излучения для снижения потерь энергии, малые входные токи для согласования с микроэлектронными схемамиуправления, постоянство квантового выхода в широком диапазоне входных токов. Для некоторых устройств в качестве источников можно использовать лазеры, которые могут иметь большие токи управления и более высокую стоимость).
Для изготовления излучающих диодов применяют такие материалы, какGaAs, GaAlAs, GaAsP и другие полупроводниковые соединения, позволяющиегенерировать излучение с длиной волны 0,8-1,6 мкм. В отличие от светодиодов,применяемых в индикаторах, для источников в оптронах необходима малаяплощадь высвечивания для уменьшения потерь излучения и обеспечения согласования с приемным окном фотоприемника. Значения электрических параметров источников обычно составляют Vном ~ 1,2-1,7 В, Pном ~ 1-50 мВт.Требования к материалу среды оптического канала: 1) минимальные потерисвета, т.е.
спектральное согласование с излучателем и фотоприемником,n ~ nист, nпр; 2) высокий уровень электрической изоляции между входом и выходом (сопротивление изоляции ~ 1012 Ом). Материал оптического канала можетвыполнять дополнительные функции, такие как конструкционная основа, защита от механических, климатических и радиационных воздействий.Используется 3 варианта оптических сред: 1 - полимерные оптические клеи,лаки, вязкие вещества (незасыхающие силиконовые составы), некоторые маркистекол (например, халькогенидные).
Они имеют невысокую электрическуюпрочность изоляции - Vиз~ 100-500 В. 2 - воздушный канал, в котором дополнительно могут использоваться фокусирующие системы из стеклянных линз (вустройствах оптического считывания информации), Vиз~ 1-5 кВ. 3 - волоконныесветоводы. Они имеют высокое сопротивление изоляции, Vиз~ 50-150 кВ.К недостаткам полимеров относятся провалы спектра пропускания в ближней ИК-области вследствие поглощения радикалами OH, CH3, CH2, NH2, NH,температурная нестабильность и деградация.
К недостаткам стекол относятсянизкая устойчивость к перепадам температуры и плохая адгезия.Как элемент электрической схемы оптрон характеризуется не излучателем, атипом используемого фотоприемника, соответственно, различают оптопары резисторного, диодного, транзисторного и тиристорного типов. Основной материал при изготовлении фотоприемников - кремний, а фоторезисторы обычноизготавливаются из CdS, CdSe или других халькогенидов. Быстродействие оптопары ограничивается параметрами фотоприемника.58Основные параметры оптроновЭлементарный оптрон представляет собой четырехполюсный прибор, поэтому имеет 3 основные характеристики – входную, передаточную и выходную.Входная характеристика представляет собой ВАХ излучателя.
Выходная –соответствующая характеристика фотоприемника (при заданном токе на входеоптрона). Передаточная характеристика – зависимость тока на выходе J2 от токана входе J1 (в общем случае нелинейная).Статический коэффициент передачи по току KJ = J2/J1. Если темновой ток Jтзначительный, KJ = (J2-JT)/J1. Для большинства оптронов KJ является паспортным параметром (от 0,5% для диодных до 100% для транзисторных).Суммарное быстродействие оптрона часто характеризуют временем переключения tn = t1 + t2, t1 и t2 – времена нарастания и спада сигнала на выходе оптрона.
tn неодинаково у разных типов оптронов, зависит от режимов работы илежит в пределах 10-9-10-1 с. Быстродействие также может характеризоватьсяграничной частотой, fгр – 5 кГц - 10 МГц.Параметры изоляции: максимально допустимое напряжение между входом ивыходом Vиз статическое или пиковое (при работе с переменными сигналами).Высокое сопротивление изоляции - Rиз ~ 1012 Ом – исключает обратную связьпо току. Однако, наличие проходной емкости Спр (между входом и выходом оптрона) обуславливает связь по переменному току, т.е.
скачок напряжения ∆V2на выходе за время ∆t приводит к появлению емкостного тока J ~ Спр∆V2/∆t.Значение проходной емкости обычно составляет ~ 1 пФ.Конструктивно-технологическое оформление производится с учетом оптимизации функциональных, стоимостных и других параметров. Основным требованием является обеспечение эффективной оптической связи и электрическойизоляции между источником и приемником. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
