Твердотельная електроника / опанасюк / Конспект

• Засвічення базової області тиристора зумовлює генерацію надлишкових носіїв заряду, що приводить до перемикання чотиришарової структури із закритого стану у відкритий так само, як це буває у триністорі при перемиканні керувальним струмом.

Структура, схема вмикання (а) та ВАХ (б) фототиристора

ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

•До основних параметрів фотоприймачів відносяться:

•1. Довгохвильова границя 0 або довжина хвилі, що відповідає максимуму фоточутливості m;

•2. Спектральна чутливість R - величина вихідного сигналу, що припадає на одиницю потужності монохроматичного випромінювання у даній спектральній області;

•3 Мінімальна потужність що виявляється Pmin - потужність при якій вихідний сигнал дорівнює рівню шуму. Часто використовується еквівалентна потужність шуму.

NEP = Pmin( )-1/2

Тобто потужність, віднесена до одиничної полоси пропускання. Тут - ефективна полоса пропускання підсилювача.

4.Виявна здатність D* - величина обернена Pmin віднесена до одиничної полоси пропускання (1 Гц) і одиничної площі поверхні фотоприймача.

5.Квантова ефективність - число фотогенерованих носіїв, що припадають на один поглинутий фотон

6.Стала часу - час за який вихідний сигнал детектора досягне 63% максимального значення.

7.Опір приймача R або приведений опір. Звичайно він наводиться при нульовому зміщенні.

8. Гранична частота - найбільша робоча частота приладу.

ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ РОБОТИ СЕ

Перетворення енергії у фотоелектричних перетворювачах (ФЕП) засноване на

фотовольтаїчному ефекті, який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного випромінювання.

Неоднорідність структури ФЕП може бути отримана шляхом легуванням одного і того ж напівпровідника різними домішками (створення p–n - переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони

(створення гетеропереходів).

Використовуються також МДП структури.

КОНСТРУКЦІЯ СЕ

Принцип роботи СЕ можна пояснити на прикладі перетворювачів з p-n-переходом, які широко застосовуються у сучасній геліоенергетиці.

аб

Конструкція (а) та принцип дії (б) фотоперетворювача

p-n ПЕРЕХІД В СТАНІ РІВНОВАГИ

ПОЯВА СТРУМУ ПРИ ОСВІТЛЕНІ

Неосновні носії вводяться через контакт

ТОЧКА МАКСИМАЛЬНОЇ ПОТУЖНОСТІ

ЕКВІВАЛЕНТНА СХЕМА СЕ

СЕ можна представити як генератор включений паралельно з діодом та послідовним та шунтуючим опорами

СОНЯЧНИЙ СПЕКТР В КОСМОСІ ТА НА ЗЕМЛІ

Спектр сонячного випромінювання. Показана різниця між випромінюванням за межами атмосфери Землі і на рівні моря

У середніх широтах потік сонячної енергії на поверхні Землі варіюється протягом дня від сходу (заходу) до полудня від 32.88 Вт/м2 до 1233 Вт/м2 в ясний день і від 19.2 мкВт/м2 до 822 Вт/м2 в похмурий день

ПОГЛИНАННЯ ФОТОНІВ У Si

Eg(Si) = 1,1 еВ в результаті будуть поглинатися фотони з довжиною хвилі <1.1 мкм

Існує оптимальна для перетворення сонячної енергії ширина ЗЗ матеріалу

ОБМЕЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СЕ

1) Коефіцієнт заповнення ВАХ (fill factor - FF).

Визначається характеристиками діоду і його послідовним опором.

2) Струм короткого замикання (Isc).

Зростає при зменшенні ширини забороненої зони матеріалу. Для заданої ширини забороненої зони, визначається відбиттям, абсорбцією світла, рекомбінацією носіїв заряду.

3) Напруга холостого ходу (Voc).

Зростає при зростанні ширини забороненої зони.

Для заданої ширини забороненої зони матеріалу, визначається рекомбінацією носіїв заряду.

ОПТИМУМ ШОКЛІ-КВАЙСЕРА

1)Мала ширина забороненої зони дає можливість отримувати високі струми короткого замикання Isc;

2)Велика ширина забороненої зони дає можливість отримувати високу напругу холостого ходу Voc;

3)Для даного сонячного спектру, існує оптимальна ширина забороненої зони матеріалу

W. Shockley, and H. J. Queisser, “Detailed Balance

Limit of Efficiency of p n

Junction Solar Cells”, J. Appl. Phys., 32, 510, 1961.

МАКСИМАЛЬНИЙ ККД СЕ

Залежність максимального коефіцієнта корисної дії сонячного елементу

від ширини забороненої зони матеріалу (T = 25 0C): CIS – CuInSe2, CIGS – Cu(In,Ga)Se2, CIGSS – Cu(In,Ga)(S,Se)2

ВТРАТИ ЕНЕРГІЇ У СЕ

ВПЛИВ ПОСЛІДОВНОГО І ШУНТУЮЧОГО ОПОРІВ

РОЗПОДІЛ СЕ ЗА МАТЕРІАЛОМ

ВИГОТОВЛЕННЯ ФЕП НА ОСНОВІ Si

ПОВЕРХНЕВА РЕКОМБІНАЦІЯ

Поверхня СЕ э ефективним рекомбінаційним центром. Оскільки p-n-переходи в прямозонних матеріалах повинні бути мілкими, поверхнева рекомбінація суттєво погіршує ККД таких СЕ. Більш перспективним є використання фотоелементів на основі гетеропереходів з широкозонним віконним шаром. Вікно відсуває область генерації носіїв від поверхні перетворювача.

ГЕТЕРОПЕРЕХОДИ

Гетеропереходом (ГП) називають контакт двох напівпровідників, які розрізняються структурними та електрофізичними параметрами: кристалічною структурою,

шириною забороненої зони, величиною електронної спорідненості, діелектричними сталими, ефективною масою тощо. Внаслідок цього їх експериментальне дослідження та теоретичний опис набагато складніші ніж у випадку p-n-переходів.

Розрізняють ізотипні і анізотипні гетеропереходи. Якщо гетероперехід утворений двома напівпровідниками одного типу провідності, то говорять про ізотипний гетероперехід.

Анізотипні гетеропереходи утворюються напівпровідниками з різним типом провідності.

Найбільш перспективними вважаються СЕ на основі ГП між сполуками А2В6 Гетеропереходи утворенні сполуками цієї групи, досліджуються вже більше 40 років. Однак в основному вивчені структури, де на монокристалічну підкладку з однієї сполуки різними методами нанесена епітаксіальна плівка іншої сполуки.

Серед сполук А2В6 тільки ZnTe і CdTe у нелегованому вигляді можуть мати діркову провідність, всі інші мають n-тип, тому створення анізотипних гетеропереходів можливе лише з даними матеріалами.

ТИПОВА КОНСТРУКЦІЯ СЕ НА ОСНОВІ ГП