1629382485-048081f33d7067cb67d6bd3d4cee7eee (846428), страница 75

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 75)

С уве­личением светового потока сопротивление перехода уменьшаетсяи зависимость / = / (Ф) все больше отклоняется от линейной.Н а рис. 14-9, а показан а т а к ж е зависимость 1/ф = ср (Ф) в соот­ветствии с соотношением (14-28).Семейство волът-амперных характеристик фотоэлемента пока­зано на рис. 14-9, б. Эти кривы е представляют собой участоквольт-амперны ххарактери сти коблученного р - пперехода(см. рис. 14-7). При заданном световом потоке, например Фъх ар актер и сти ка отсекает на оси ординат отрезок, равный фототоку1$> = U з» а на оси абсцисс — отрезок, равный величине фотоэ.

д. с. С/ф = U%Н а семействе вольт-амперных характеристик может быть пос­троена н агрузочн ая хар актер и сти ка — прямая, и дущ ая из началакоординат, ctg а — у гл а н аклон а которой к оси абсцисс пропор­ционален сопротивлению R H. Т очка пересечения нагрузочной ха­рактер и сти ки с вольт-амперной характеристикой определяет ра­бочую точку А, координаты которой соответствуют величинамто ка I во внешней цепи и напряж ения UR на заж и м ах резистораR H. Площ адь прям оугольн и ка, ограниченного осями ординат иперпендикулярам и, опущенными к ним из рабочей точки, пропор­циональна мощности, вы деляемой во внешней цепи.Относительные спект ральные характеристики основных типовпромышленных фотоэлементов показаны на рис.

14-11, где нане­сены т а к ж е кривые энергии солнечного излучения, относительногочи сла фотонов в потоке солнечного света и видности гл аза.Ч аст от ная характ ерист ика дает представление об инерцион­ны х свойствах фотоэлемента при облучении его световым потоком,модулированным по интенсивности по синусоидальному зак о н ус частотой /.

К ак видно из рис. 14-12, с увеличением частотычувствительность фотоэлемента п адает, что определяется инер­ционными свойствами фотоэлемента, в основном постоянной вр е­мени перезаряда барьерной емкости р -п перехода. На частотнойхарактеристике отмечено значение граничной частоты /гр, прикоторой чувствительность ум еньш ается в / 2 раз по сравнениюс ее значением при / = 0.1,00,80,60Ло,го0,Ь1^ - \X6 V\\а,0,60,8а)/,о1,2Рис. 14-11.

Спектральные характеристики фотоэлементов.1 — селенового; 2 — сернистосеребряного; 3 — кремниевого; 4 — число фотонов в сол­нечном излучении; 5 — солнечный сп ектр ; 6 — кр и вая видности гл а з а .Полупроводниковые фотоэлементы м огутчестве источников электрической энергии,фотоприемников.В последнем случае наиболее в аж н а ихтеристика, а такж е такие параметры ,ток Фп и обнаружительная способностьрассматривался в § 14-4.Д л я фотоэлементов, используе­мых к а к источники электроэнергии,наиболее важное значение имеют1,0вольт-амперная характеристика и0,707коэффициентполезногоФсп ектральная х а р а к ­к а к пороговый по­/), смысл которы хдейст вия,значение которого определяет эффек­тивность преобразования световойэнергии в электрическую :Т1использоваться в к а ­а такж е в кач естве(14-34)/грРис.

14-12. Частотная х а р а к ­теристика фотоэлементов.Зпачение к . п. д. фотоэлемента зависит от ряда ф акторов.Существенную роль играют световые потери, определяемые в пер­вую очередь коэффициентом отраж ен и я. О траженная часть световойэнергии не участвует в процессе преобразования. К световы мпотерям относят такж е ту часть фотонов, которая при поглощ е­нии не создает пар носителей электрических зарядов (поглощ е­ние решеткой, свободными носителями зарядов, экситонное п о гло ­щение и д р .).Процесс преобразования сопровождается так ж е энергетиче­скими потерями. К их чи слу относятся процессы рекомбинации,образования пар зарядов на расстоянии от запирающего слоя,превышающем длину диффузии, потери в сопротивлении перехода,объема полупроводника и др.Коэффициент полезного действия фотоэлемента увеличиваетсяс ростом светового потока и фотоэлектродвижущей силы £/ф.О днако при больших значениях Ф с ростом концентрации свобод­ных носителей возрастает вероятность- их рекомбинации, а такж есн и ж ается коэффициент собирания я.

Кроме того, в результатеразогрева прибора при больших Ф увеличивается ток /0, чтот а к ж е служ ит причиной снижения к. п. д.Гост фото-э. д. с. и напряж ения С/л ограничен высотой сркпотенциального барьера перехода. Увеличения напряжения £/дможно достигнуть при использовании полупроводниковых мате­риалов с широкой запрещенной зоной и высокой степенью леги­ровани я. В этом сл уч ае уровень Ферми приближается к днузоны проводимости в п-полупроводнике и к потолку валент­ной зоны в р-полупроводнике, следовательно,еф„ « А Е3.Теоретическое значение к . п. д.

при ЛГа = Nя = 1019 см“3 прибли­ж а е т с я к 25% .З адача выбора оптимальпого полупроводникового материалаприобретает особое значение при разработке преобразователейсолнечной энергии, характеризуемой весьма широким спектром.Этот вопрос мы более подробно рассмотрим ниже при обсуждениипараметров фотоэлементов различных типов.П араметры фотоэлементов различных типов. Основными типамифотоэлементов, используемы х в качестве фотогальванических при­емников излучения, с л у ж а т селеновые и сернистосеребряныефотоэлементы. Устройство селенового фотоэлемента было показанона рис.

14-8, а. Эти фотоэлементы используются в основном в кино11 фотоаппаратуре, так к а к их спектральная характеристика близкак кривой видности гл а з а (рис. 14-11, а).И нтегральная чувствительность селеновых фотоэлементов 5,шт == 300 -г- 700 мкА/лм. Фото-э. д.

с. &тих элементов не превышает0 ,5 —0,0 В. Значение граничной частоты /гр составляет несколькосотен герц.В сернистосеребряпых фотоэлементах электрический переходобразуется м еж ду полупрозрачной пленкой золота и пленкой сер­нистого серебра, нанесенной на металлическую подлож ку.

Этифотоэлементы чувствительны к излучениям в длинноволновойчасти видимого сп ектра и в инфракрасной области.И нтегральная чувствительность этих приборов /?1ШТ « 10 ч12 мА/лм. Эти фотоэлементы, к а к и селеновые, характеризую тсянизким значением к . п. д. (1 —2% ) и поэтому не используются к акисточники электроэнергии. Одна из причин столь низкого к. п. д .—м а л а я диффузионная длина в поликристаллических полупровод­никовых пленках.В качестве фотоприемпиков д л я обнаруж ения п регистрациималых световых сигналов применяю тся ф отогальванические эле­менты на основе монокристаллических полупроводников гер м ан и яи кремния, а такж е полупроводниковых соединений: антимонидаиндия (1нЗЬ), арсенида индия ([пА в) и др.

Электрические переходыв таких приборах получают путем сплавления (например, и н д и я и/г-германия) или методом локальной диффузии примесей.Д ля усиления малых электрических сигналов, получаем ы х прирегистрации слабых световых потоков, желательно увел и ч и ть со­противление нагрузки , включаемой во внешнюю цепь. О диако у в е ­личение сопротивления Д н„ ограничено внутренним сопротивле­нием прибора Я т , зависящим от сопротивления перехода приобратном включении. При //,,/?„„ энергетическая х а р а к т е р и ­стика получается более линейной (см. рис.

14-9) и сн и ж ае тсяпостоянная времени перезаряда барьерной емкости.С этой точки зрения кремниевые фотоэлементы предпочтитель­ней германиевых, так как ш ирина запрещенной зоны к р ем н и я(Д Е3 да 1,1 эВ) примерно в полтора р аза больше, чем у гер м ан и я,и, следовательно, меньше обратный ток. Германиевые приборы поэтой причине используются при охлаж дении до тем пературы ж и д ­кого азота (77 К).Кремниевые приборы наиболее чувствительны к и злуч ен и ям сдлиной волны К да 0,8 мкм; длинноволновая граница этих при­боров К да 1,1 мкм; удельная обн аруж и тельн ая способность Б * дада 1013 В т '1 -см -Г ц 1/2.Д л я работы в инфракрасной области спектра прим еняю тсяфотогальванические приемники из материалов с относительноузкой запрещенной зоной (1п8Ь и ¡п А э).

Параметры фотоприем­ника, изготовленного из антимонида индия, следующие: м ак си ­м альн ая чувствительность соответствует излучению с длиной волныК да 5,5 м км ; удельная обн аруж и тельн ая способность О * дад а б - 1 0 11 В т '1 -см-Гц'/2.В качестве эффективных преобразователей солнечной энергиив электрическую — фотоисточников электрической энергии — при­меняются кремниевые элементы, изготавливаемы е на основе моно­кристалла кремния, а такж е пленочные элементы на основе с у л ь ­фида кадм и я. Основные требования к солнечным элементам закл ю ­чаются в следующем.' Прежде всего их сп ектральная х а р а к т е р и ­стика долж на наиболее полно соответствовать спектру и зл уч ен и ясолнца.С пектральная характери сти ка полупроводникового м ате­риала во многом зависит от ширины запрещенной зоны &Еа.К ак видно из рис. 14-11, б, сп ек тр ал ь н ая характеристика кр ем н и ядостаточна близка к спектру солнечного излучения. В необходи ­мой мере отвечает этим требованиям и сп ектральная х а р а к т е р и ­стика сульфида кадмия.Второе важное требование — максимальны й к .

п. д. К а к у ж еотмечалось, значение к. п. д. зависит от многих ф акторов.М ожнопоказать(Дн ~ Кън)[14],.чтоприсогласованнойл = - % ФДВН.нагрузке(14-35)Отсюда следует, что м атери ал для солнечной батареи долженобладать максимальной чувствительностью и высоким значениемИт . Эти условия в совокупности с первым требованием к спек­тральной характери сти ке позволяют определить оптимальнуюш ирину запрещенной зоны: АЕ3 опт = 1,1 -ь 1,6 эВ .

Оптимальнымс этой точки зрения я в л я е т с я арсенид гал л и я ( Д £ , « 1,4 эВ),в достаточной степени удовлетворяю т этим условиям кремний(Д £ 3 « 1 , 1 эВ) и сульфид кад м и я (Д Е3 « 2,0 эВ ). Эти материалыв основном и использую тся при изготовлении солнечных батарей.Устройство кремниевого элемента было показано на рис. 14-8, 6.Коэффициент полезного действия кремниевых солнечных батарейдостигает 15—19% , а батарей на основе арсенида гал л и я 13% .Н едостатками солнечных элементов этого типа (изготовленныхна основе монокристаллов) являю тся невозможность получениябольшой рабочей поверхности (больше нескольких квадратныхсантиметров), а так ж е невысокое отношение мощности на выходеэлемента к его массе — около 50 Вт/кг.Пленочные солнечные элементы на основе сульфида кадмияотличаю тся более высоким отношением мощности к массе (около20 0 Вт/кг) и большей рабочей поверхностью, но более низкимк .

п. д. (около 8% ).14-7. ФОТОДИОДЫОпределение. Ф от оди одом называют полупроводниковый диод,в котором под действием падающего на него светового потокаобразую тся подвижные носителя зарядов, создающие дополнитель­ный ток (фототок) через обратно смещенный р-п переход.Устройство. Одна из возможных конструкций фотодиода и схемаего вклю чения показаны на рис. 14-13, а и б. К р у гл а я пластина/г-германия, сл уж ащ ая базой, помещена в металлический корпуспротив окна, закры того стеклом . Электронно-дырочный переходобразован путем вп л авл ен и я в пластинку германия капли индия.Т ак и м образом, в фотодиоде этой конструкции световой потокн аправлен перпендикулярно плоскости р-п перехода.

Характеристики

Список файлов книги