Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

порядка одного эВ. С учетом этого на основании проведенных рас­ четов было показано, что максимальный КПД достигается при

ЛЕ3 = 1,35 эВ. На рис. 16.37 приведена зависимость Т\ = f(ЛЕ3)

для солнечного элемента, расположенного на Земле при Т =

=300 К и при освещении Солнцем, находящимся под углом 45°

кгоризонту. Если осуществить тысячекратную концентрацию

солнечного света с помощью оптических систем, то максималь­

ный кпд возрастет с 31до37%' что связано с увеличением ихх·

В реальных солнечных преобразователях максимальный КПД

заметно ниже идеализированного из-за влияния сопротивления

высокоомной базовой области, различных видов рекомбина­

ции, потерь на сопротивлении контактов и ряда других факто­

ров, которые будут рассмотрены ниже. Определяющее влияние

,на КПД рассматриваемых приборов оказывает квантовая эф­

фективность, или спектральный отклик, который представляет

собой чисдо генерируемых фотоэлектронов в полном токе при­ бора, приходящихся на один падающий фотон при облучении

монохроматическим светом с длиной волны Л. Этот параметр

связан с коэффициентом поглощения. В фотоэлементе, пред­

ставленном на рис. 16.33, при поглощении фотонов с низкими

энергиями основная доля носителей генерируется в базовой об­ ласти, поскольку коэффициент поглощения в Si мал. Если энер­ гия фотонов больше 2,5."3 эВ, то основная их доля поглощается

в лицевом слое. Скорость поверхностной рекомбинации на лице­

вой поверхности достаточно велика, и это приводит к значитель­

ному уменьшению фотоотклика. Для анализа электрической це­

пи, в которую включен фотоэлемент, весьма полезно знать его

эквивалентную схему, которая представлена на рис. 16.38. Гене­ ратор тока I Ф определяет генерацию неравновесных носителей за

счет облучения светом, диод VD моделирует идеализированный р-п-переход, БАХ которого описывается выражением (2.20); па­

раллельное сопротивление RY обусловлено токами у:гечки; после­ довательное сопротивление Rк определяется в основном сопротивлением высокоомной базовой области

и для солнечного элемента зависит от

глубины залегания перехода, концент­ рации примесей в п- и р-областях и

от конструкции лицевого омического

контакта (см. рис. 16.33). Теорети~ Рис. 16.38 ческий анализ эквивалентной схемы

тока короткого замыкания Iкз = 30... 60 мА. Большое количест­

во таких элементов, соединенных последовательно-параллель­

но и собранных в единую солнечную батарею, позволяет полу­ чить источник электрической энергии с существенно большими токами и напряжениями. На рис. 16.39 показана БАХ солнеч­ ной батареи, которая вырабатывает в наземных условиях при

Т = 300 К максимальную мощность - 11,5 Вт с КПД - 13%. Ба­

тарея освещает~я Солнцем, находящимся в зените. На этом же рисунке приведены и линии постоянной мощности (Р = const).

Выше были рассмотрены плоские кремниевые р~п-фотоэле­ менты. Существует достаточное разнообразие конструктивных решений приборов этого вида, в которых за счет тех или иных

структурных и конструктивных модификаций удается повы­

сить эффективность. Одной из таких модификаций является

элемент, устройство которого дано на рис. 16.34. Как уже отме­ чалось, этот прибор работает подобно биполярному транзистору

с изолированным п+-эмиттером. Неравновесные электронно-ды­ рочные пары, рожденные светом в п+-эмиттере (1) илйр-базе (2),

движутся (как в обычном транзисторе) к п+-коллектору и разде­ ляются коллекторным переходом. В п+-коллектор поступают электроны, а дырки остаются в р-базе, выводы которой (4) осу­ ществляются через р+-области. В этом фотоэлементе вблизи ты­ ловой (нижней на рис. 16.34) поверхности перед металлически­

ми омическими контактами созданы сильнолегированные по­

лупроводниковые р+-слои. Между двумя базовыми областями р+ и р возникает потенциальный барьер qr.pP, препятствующий

выходу электронов р-области.

!,мА

200

100

В результате резко снижается скорость поверхностной реком­ б.инации электронов вблизи тыловой поверхности, т. е. умень­ шаются потери фотоносителей, что вызывает увеличение спе:кт­ рального отклика, особенно для длинноволнового излучения. Плотность тока короткого замыкания возрастает, повышается и

напряжение холостого хода за счет роста тока короткого замы­

кщ1ия Jкз' уменьшения рекомбинационного тока тылового кон­

такта и из-за дополнительного потенциального барьера между

р- и р+-областями. Таким образом, наличие текстурированной

поверхности, уменьшающей потери на отражение, и высоколе­ гированных областей на тыловой поверхности позволяет полу­

чить КПД порядка 20% и более.

Рассмотрим теперь основные свойства других фотоэлемен­ тов, обладающих целым рядом достоинств. К таким приборам

можно отнести солнечные элементы с гетеропереходами, по­

верхностные и тонкопленочные солнечные элементы.

Гетеропереходы представляют собой переходы, которые обра­

зуются при контакте двух полупроводников с различной шири­

ной запрещенной зоны (см. п. 2. 7). Если у фотоэлемента верх­

ний слой, на который падает свет, сделать из полупроводника с

широкой запрещенной зоной ЛЕз1' а нижний- с узкой ЛЕ32, то

при облучении квантами света с энергией ЛЕ31 < hv < ЛЕ32 фото­

ны проходят через слой первого полупроводника и поглощают­

ся во втором. Первый слой с широкой запрещенной зоной ЛЕ32

играет роль оптического окна; остальные процессы аналогичны

процессам в солнечных элементах с р-п-гомопереходами. Ос­

новные преимущества солнечных элементов с гетероперехода­

ми перед приборами ср-п-гомопереходами следующие:

1) повышение спектрального отклика на коротких длинах

волн при условии, что hv < ЛЕ31 и фотоны поглощаются в

обедненном слое второго полупроводника;

2) возможность получения низкого последовательного со­

противления за счет сильного легирования верхнего слоя;

3) высокая радиационная стойкость при достаточно толстом

иширокозонном верхнем слое полупроводника.

Кдостоинствам солнечных элементов с барьерами Шоттки мож­

но отнести:

1)большой выходной ток и хороший спектральный отклик из-за близкого расположения обедненного слоя к поверх­ ности, что ослабляет негативное влияние малого времени жизни и высокой скорости поверхностной рекомбинации;

дами и барьерами Шоттки. Для a-Si коэффициент поглощения

излучения в видимой части спектра составляет 104 ••• 105 см-1 ,

поэтому большинство фотоносителей генерируется на расстоя­

нии меньше одного мкм от поверхности, диффузионная длина

имеет тот же порядок величины, последовательное сопротивле­

ние велико (~ 104 Ом• см), КПД соответственно мал. Для эле­

мента с барьером Шоттки и прозрачным металлическим слоем

наилучmий КПД ~ 6% .

16.7. Электровакуумные фотоприемники

16.7.1. Фотоэлементы. Устройство. Принцип работы.

Элекrровакуумные фотоэлекrронные приборы - это приборы, ко­ торые преобразуют энергию электромагнитного излучения в

электрические сигналы. Принципы работы электровакуумных фотоэлектронных приборов основаны на использовании фото­ электронной эмиссии (см. п. 11.2). В этой главе рассматривают­

ся только основные свойства электровакуумных фотоэлектри­

ческих приборов, к которым относятся фотоэлементы и фото­

элекrронные умножители.

Фотоэлементом называют элекrровакуумный прнбор, исполь­ зующий при своей работе явление внешнего фотоэффекrа. Разли­

чают элекrровакуумные и газонаполненные фотоэлементы, которые

отличаются друг от друга степенью разреженности газа в рабо­

чем пространстве. В настоящее время наиболее широко приме­

няются электровакуумные фотоэлементы, :которые имеют два

электрода: фотокатод, служащий источником фотоэлекrронов, и

собирающий их анод. Анод изготавливают в виде плоской сет­ ки, кольца, диска и т. д. (рис. 16.41); конструктивно анод вы-

к

Рис. 16.41

полняется так, чтобы он не создавал больших потерь для света, :падающего на фотокатод.

Основными параметрами фотокатодов являются: интеграль­ ная и монохроматическая тоновая чувствительности, квантовый выход,

удельное (поверхностное) сопротивление на 1 см2 площади фоточув­

ствительного слоя, плотность тона термоэмиссии при комнатной темпе­ ратуре. По области рабочего спектра фотокатоды разделяются на фотокатоды, работающие в -УФ, видимой и ИК областях об­ лучения. При этом наибольшее применение находят фотокато­ ды на основе полупроводниковых материалов. Фотоэлементы

классифицируются на основе конструктивных признаков фото­

.катодов. В соответствии с этим все фотоэлементы можно раз­

бить на три группы (см. рис. 16.41):

1)фотоэлементы с массивным непрозрачным фотокатодом (:К), нане­ сенным на часть стеклянной колбы (баллона) (рис. 16.41, а

заштрихованная часть баллона); используются как прием­ ники постоянных или модулированных низкой частотой (f < 20 кГц) световых потоков в контрольно-измеритель­

ной аппаратуре, автоматике, аппаратуре звуковоспроизве­

дения;

2)фотоэлементы с массивным небольшим катодом, нанесенным или на дно баллона, или на специальную металлическую пластину (рис. 16.41, б); предназначены для приема сфоку­

сированного излучения малой интенсивности; для умень­

шения токов утечки служит охранное кольцо (О:К), а выво­

ды катода (:К) и анода (А) располагаются с противополож­

ных сторон баллона;

3)импульсные сильноточные элементы с фотокатодом на метал­

лической подложке (рис. 16.41, в) имеют малое продольное

сопротивление, малую инерционность(~ 10-3 с), линейную

энергетическую характеристику и большую эмиссионную

способность, достигающую 100 А при длительности импуль­

са до 10-9 с.

Фотоэлементы первой, второй и третьей групп имеют рабо­

чее напряжение менее 240 В, 100 В и 2 кВ соответственно. Для

уменьшения токов утечки в баллон часто вваривают специаль­

.ные охранные кольца О:К (см. рис. 16.41, б). При конструирова­

нии импульсных фотоэлементов стремятся уменьшить влияние

времени пролета фотоэлектронов между :Катодом и анодом, меж­

дуэлектродные емкости, сопротивления и индуктивности выво­

дов, поэтому выводы катодов делают короткими, а выводы анодов

ванные электроны попадают на анод (режим насыщения). iСогласно закону Столетова увеличение интенсивности светово­ ,;J'!О потока будет вызывать нарастание тока эмиссии и величина тока насыщения будет больше. Значение напрюкения, соответ­

ствующее началу участка насыщения, определяется конструк­

цией прибора и возрастает при увеличении интенсивности све­ тового потока из-за возрастания плотности объемного заряда у

поверхности фотокатода.

Энергетические (световые) характеристики 1Ф = /(Ф). Энергетиче­

скими (или световыми) характеристиками называются зависи­

мости фототока 1Ф от интенсивности светового потока Ф при не­ изменном анодном напряжении Ua. Эти характеристики линей­ ны в широком диапазоне изменения Ф (рис. 16.43), что определяется законом Столетова, согласно которому фототок JФ

пропорционален интенсивности светового потока. Отклонение от линейности при больших значениях Ф обусловлено влияни­ ем объемного заряда (поскольку иа = const) и утомлением фото­

катода, :которое связано с физико-химическими процессами,

происходящими в фотокатоде под действием ионной бомбарди-

. ровки и при взаимодействии с остаточными газами и т. д.

Величину утомления определяют как отношение

где S1н - начальная (при отсутствии утомления) токовая чувст­ ·.вительность; 8 1 - токовая чувствительность при наличии утом­ ления, когда наступает стабилизация параметров, связанных с

·ТОКОМ.

Относительное уменьшение токовой чувствительности до на­

. ступления стабилизации определяют при неизменных анодном

-~потенциале и световом потоке.

При Ф =О фототок IФ несколько отличается от нуля. Сущест­

. :аует темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией