Теоретичні відомості Фотовольтаїчний ефект у напівпровідниках з електричною неоднорідністю

Режими короткого замикання та холостого ходу

Фотовольтаїчний ефект полягає у виникненні ЕРС при освітленні напівпровідника. Як правило, фотовольтаїчний ефект спостерігається при наявності просторової неоднорідності елек­тричних властивостей кристала. Поява ЕРС в напівпровіднику зумовлена виникненням об’ємних зарядів протилежних знаків, або, інакше кажучи, розділенням у просторі позитивно і негативно заряджених частинок – електронів і дірок.

Особливо ефективне розділення нерівноважних носіїв заряду має місце в напівпровідникових системах: на контакті метал – напівпровідник, на контакті по-різному легованих частин одного напівпровідника (гомоперехід) або двох різних напівпровідників (гетероперехід). Виникнення ЕРС при освітленні зумовлене наявністю вбудованого електричного поля, яке й розділяє генеровані світлом електрони й дірки.

Принцип роботи напівпровідникового фотоперетворювача будемо розглядати на основі гомогенного р – n-переходу. Як уже відомо, через таку бар’єрну структуру в стані термодинамічної рівноваги протікають однакові за величиною та протилежні за напрямком дифузійний та дрейфовий струми. Співвідношення між їхніми величинами може змінюватись у залежності від полярності зовнішнього зміщення (напруги).

Дрейфовий струм переноситься збудженими неосновними носіями заряду, які приводяться в рух полем контактної різниці потенціалів (вбудованим електричним полем). Оскільки величина цього струму визначається швидкістю теплової генерації, яка залишається при під’єднанні зовнішнього поля такою ж, як і в рівноважному випадку, то дрейфовий струм практично не залежить від величини й полярності прикладеної до р – n-переходу напруги. Величина ж дифузійного струму буде змінюватись при під’єднанні до р – n-переходу зовнішнього електричного поля. При прямому зміщенні величина контактної різниці потенціалів зменшується, відбувається інжекція носіїв заряду в приконтактні області напівпровідника, де ці носії стають неосновними. Густина дифузійного струму буде зростати. При під’єднанні зовнішнього електричного поля з протилежною полярністю висота потенціального бар’єра зростає. Тепер поле зменшує концентрації електронів і дірок в області р – n-переходу і в прилеглих до нього областях напівпровідника. Густина дифузійного струму різко зменшується порівняно з його величиною при прямому ввімкненні. Таким чином прямий струм є різницею між дифузійним струмом і практично незмінним дрейфовим.

Під’єднання до переходу напруги протилежної полярності викликає протікання через нього невеликого за величиною струму, який є різницею між практично незмінним дрейфовим струмом і значно зменшеним дифузійним.

Освітимо напівпровідниковий р – n-перехід і під’єднаємо до його контактів деякий резистор. Світло генерує електронно-діркові пари. При цьому, в основному, збільшується концентрація неосновних носіїв заряду. Кількість основних носіїв заряду при освітленні слабо змінюється за рахунок їх великої рівноважної концентрації. Вбудоване електричне поле розділяє генеровані світлом неосновні носії заряду: електрони дрейфують від діркового напівпровідника до електронного, а дірки – навпаки. При цьому в замкненому колі, яке містить освітлюваний перехід, потече електричний струм. Цей струм протікає в тому ж напрямку, в якому протікав би запірний струм при під’єднанні до переходу електричної напруги відповідної полярності. Створений світлом струм є дрейфовим струмом. Якщо опір резистора, під’єднаного до кола фотоелемента прямує до нуля (режим короткого замикання), то різниця потенціалів між лівим і правим контактами буде дорівнювати нулю. При цьому висота потенціального бар’єра e_к, а також напруженість електричного поля, яке існує в перехідній області, залишаться практично незмінними. Дрейфовий струм, який зумовлений цим полем, суттєво зросте при освітленні внаслідок зростаючої швидкості генерації вільних носіїв заряду, які цей струм переносять.

Дифузійний струм, який є струмом дифузії основних носіїв заряду, залишається незмінним, оскільки цей струм залежить лише від різниці потенціалів між електронною й дірковою областями р – n-переходу. Таким чином, через освітлений короткозамкнений елемент протікає фотострум, який називається струмом короткого замикання I_кз і який визначається різницею між дрейфовим струмом, що суттєво збільшився, і дифузійним струмом, що майже не змінився.

Якщо розімкнути коло, яке містить освітлюваний фотоелемент (режим холостого ходу), то нерівноважні електрони, які під дією контактного поля перейшли з діркового напівпровідника в електронний і нерівноважні дірки, які перейшли із електронного напівпровідника в дірковий, не зможуть рухатись по зовнішньому колу. Електрони, які накопичуються в напівпровіднику n-типу, знижують потенціал цієї ділянки, а дірки, які накопичуються в напівпровіднику р-типу, підвищують його потенціал. На контактах розімкненого фотоелемента створюється деяка різниця потенціалів, яка називається ЕРС холостого ходу U_хх. Електрорушійна сила зменшує висоту початково існуючого енергетичного бар’єра настільки, щоб дифузійний струм, який при цьому зріс, компенсував приріст дрейфового струму. Таким чином, і в розімкненому освітленому елементі, як і в затемненому, в протилежних напрямках протікають однакові за величиною дифузійний і дрейфовий струми. Однак при освітленні ці струми мають набагато більшу величину, ніж при затемненні.