p3 / НЕ 1.4.Лекця 8.ВАХ1

ЛЕКЦІЯ 8. Вольт-амперна характеристика СЕ

На основні фотоелектричні параметри СЕ, такі як ВАХ і спектральна чутливість, впливають як оптичні, так електрофізичні властивості напівпровідника. Лише детальний аналіз дозволяє визначити причину недостатньо високої ефективності даного конкретного СЕ. Однiак для цього перш за все необхідно провести виміри основних його характеристик, що й дасть можливість зрозуміти причини виникнення, природу і переважаючий тип втрат.

Вже в перших роботах, присвячених теорії та експериментальному вивченню властивостей сонячних елементів, було показано, що вольт-амперна характеристика СЕ відрізняється від ВАХ напівпровідникового діода наявністю члена I_ф, який позначає струм, що генерується елементом під дією освітлення, частина якого - І_Д протікає через діод, а друга частина - І – через зовнішнє навантаження :

І_Ф=І_Д +І,

де І_Д =І₀(exp(qU/KT) – 1)

звичайна темнова характеристика , в якій І₀ – зворотній струм насичення р-п-переходу, q – заряд електрона, Т- абсолютна температура, К- стала Больцмана, U- напруга.

Для розімкнутого зовнішнього кола, коли його опір безмежно великий, а струм І=0, із приведених рівнянь можна визначити напругу холостого ходу сонячного елемента

Для реального СЕ характерним є наявність послідовного опору контактних шарів - опорів кожної із р- та п-областей елемента, перехідних опорів метал-напівпровідник, а також шунтуючого опору R_ш, який відображає можливі поверхневі та об’ємні витоки струму на опорі, паралельному до р-п-переходу. Врахування цих опорів та рекомбінаційних процесів у р-п-переході дозволяє одержати і записати розгорнутий вираз для вольт-амперної характеристики:

Через коефіцієнт А, що введений у співвідношення, враховується ступінь наближення параметрів реального приладу до характеристик ідеального.

Розрахунок ВАХ за цим співвідношенням дозволяє наглядно представити вплив послідовного та шунтуючого опорів на властивості СЕ. Результати таких розрахунків представлено на рис. А. На рис.Б наведена еквівалентна (а) та вимірна (б) електричні схеми СЕ.

Рис.Б.Еквівалентна (а) та вимірна (б) електричні схеми СЕ.

Рис.В. Розрахункові ВАХ СЕ із різним співвідношенням послідовного (R_П), та шунтуючого (R_ш ) опорів – (а), а також із різними послідовними опорами за безмежного шунтуючого опору- (б).(І_ф=0,1А; І₀=10^-9А; q/КТ=40 В^-1)

1- R_П =5Ом, R_ш=100 Ом, 2- R_П =5Ом, R_ш = ∞; 3 - R_П = 0, R_ш = 100 Ом;

4 - R_П = 0, R_ш = ∞;

5-11 - R_П=0, 1, 2, 3.5; 5, 10 і 20 Ом відповідно

Вихідна потужність Р , що знімається із 1 см² сонячного елемента, можна оцінити із виразу

Р=(І_н U_н) =ζ І_кз U_хх,

де величина ζ, яку називають коефіцієнтом заповнення ВАХ, показує ступінь наближення форми ВАХ до прямокутної: значення ζ = 0,8-0.9 відповідає СЕ із високою вихідною потужністю.

У сучасних кремнієвих СЕ коефіцієнт ζ досягає зазвичай 0,75-0,8. Як видно із рисунка, зменшення шунтуючого опору від безмежного до такого малого як, наприклад 100 Ом, мало впливає на форму ВАХ, а отже і на вихідну потужність СЕ. У той же час невеликі зміни послідовного опору, наприклад від 1 до 5 Ом, приводять до значного погіршення форми ВАХ і, відповідно, до відчутного зниження вихідної потужності.

Більш детальне дослідження світлової і темнової вольт-амперних характеристик СЕ виявило, що для деяких елементів у залежності від величини рівня напруги механізм протікання зворотного через р-п-перехід струму насичення може змінюватися.

Зазвичай, цей струм є сумою двох струмів, тому рівняння ВАХ для сонячного елементу записують у такому вигляді

де І_01, - зворотний струм насичення , що визначається дифузійними механізмом протікання струму через тонкий р-п-перехід; І₀₂ - зворотний струм насичення , що визначається, що виникає внаслідок рекомбінації в області р-п-переходу, а коефіцієнт А, як правило, дорівнює 2.

На даний час розроблено достатньо точних методик, які дозволяють за вимірами темнових та світлових ВАХ СЕ розрахувати і визначити значення - І_0, R_П, R_ш, коефіцієнта А, і виявити, таким чином, ті фізичні процеси, що приводять до недостатньо високої ефективності СЕ для деяких напівпровідникових матеріалів.

На рис Г. представлена типова ВАХ: світлова, заміряна на імітаторі позаатмосферного Сонця, і темнова, заміряна з прикладеним зовнішнім зміщенням у темноті у прямому (ІУ- квадрат) і зворотному (ІІ квадрат) напрямку. Частина світлової характеристики, розміщеної в І квадраті, та її продовження в ІУ квадраті представляють пряму лінію. Нахил цієї прямої до вісі струмів характеризує послідовний опір СЕ

R_П = ΔU_пр.с /ΔІ_пр.с ,

де виміри ΔU_{пр.с ,} та ΔІ_пр.с проводять у області, наближеній до U_хх..

Частина характеристики у І квадраті та її продовження у ІІ квадраті також є прямою

лінією. Нахил її до вісі напруг характеризує шунтуючий опір СЕ -

R_ш = ΔU'_пр.с /ΔІ'_пр.с ,

де - ΔU'_пр.с та ΔІ'_пр.с заміряють в області, наближеній до І_к.з..

У зв’язку із тим, що на світловій ВАХ нахил прямої біля точки І_кз заміряти важко, визначення R_ш зручніше проводити за нахилом саме темнової ВАХ( штрихова крива у ІІ квадраті)

R_ш = ΔU_зв /ΔІ_.зв.

Побудова темнової ВАХ дозволяє також знайти зворотний струм насичення І₀ . Відрізок на вісі ординат від початку координат до точки перетину із продовженням лінійної ділянки зворотної вітки темнової характеристики і дає шукане значення І₀.

Однак зауважимо, що так як р-п-перехід СЕ у робочому режимі під'єднаний у прямому напрямку (вплив світлового випромінювання та поява завдяки йому надлишкової кількості нерівноважних носіїв у областях напівпровідника з обох сторін р-п-переходу є аналогічні під’єднанню напруги у прямому напрямку), правильніше буде визначати саме струм насичення, а також розраховувати коефіцієнт А за прямою віткою темнової ВАХ або за світловою ВАХ ( що має назву навантажувальної світлової характеристики СЕ). Для першого із цих методів можна скористатися темновою характеристикою діода, записавши її у вигляді рівняння прямої у відрізках

Дане рівняння використовують для розрахунків при умові І_д > І₀ у випадку великих струмів, а також рекомбінаційного механізму протікання зворотного струму насичення через р-п-перехід, тому у знаменник показника експоненти в рівнянні вводиться коефіцієнт А, про який ми вже згадували вище. Ділянка великих струмів і напруг( характерна для робочої навантажувальної точки СЕ ) прямої вітки темнової характеристики використовується для побудови залежності Тангенс кута нахилу цієї прямої дорівнює q/АКТ, а відрізок, що відтинається на вісі ординат дає значення ln І₀.

За іншим методом визначення І₀ та А в умовах наближених до робочих умов використання СЕ світлова ВАХ заміряється при декількох (хоча б двох) різних густинах падаючого випромінювання від імітаторів Сонця.

Для цього запишемо рівняння із врахуванням падіння напруги на послідовному опорі і при рекомбінації в р-п-переході:

У режимі холостого ходу І=0, U=U_хх , а при R_п =0 фотострум можна вважати рівним І_к.з. . Тоді

Для кожного нового значення густини потоку випромінювання лабораторного імітатора Сонця , яке встановлюється за допомогою еталонного СЕ з лінійною залежністю струму короткого замикання від освітленості, проводять заміри значень

І_кз та U_хх досліджуваного СЕ. Потім будується залежність ln І_кз=f(U_хх).Тангенс кута нахилу цієї прямої дорівнює q/АКТ, а на вісі ординат вона відтинає значення ln І₀.

Таким чином, із світлових ВАХ вдається також визначити параметри А та І₀ , причому саме ті їх значення, які є характерні для СЕ в робочому режимі.

1. Які ефекти лежать в основі принципу дії СЕ?

2. Які основні переваги та недоліки СЕ на аморфному і кристалічному кремнії?

3. Від яких факторів залежить ефективність роботи СЕ?

4. Перерахуйте основні електрофізичні параметри параметри СЕ.

5. Поясніть призначення елементів еквівалентної схеми заміщення СЕ.

6. Яким чином можна оцінити чисельні значення параметрів еквівалентной схеми?

7. Які шляхи підвищення ефективності роботи СЕ Вам відомі?

РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ еквівалентній схеми і

ВОЛЬТ - амперна характеристика ПРИЛАДУ

Частина світлової характеристики ФЕПП в першому квадранті (рис. 2) і її

продовження в четвертому квадранті представляють собою [1] пряму лінію.

Нахил цієї прямої до осі струмів характеризує послідовне опір-

ня ФЕПП:

? U

Rп = c (2)

? I

C

Величину шунтуючого опору з прийнятною ступенем точності

можна визначити [1] за нахилом зворотної гілки темнової вольт - амперної

характеристики:

? U

Rш = т (3)

? I

т

Побудова темнової характеристики дозволяє також знайти зворотний

струм насичення IОН. Продовження лінійної дільниці на зворотному гілки тем-

нової характеристики до перетину з віссю ординат (струмів), дає шукану

величину IОН.

У робочому стані ФЕПП його pn - перехід включений в прямому на-

правлінні, тому правильніше визначати струм насичення не по зворотній, а

по прямій гілки темнової вольт - амперної характеристики приладу. Для

цього можна скористатися [1] темнової характеристикою ФЕПП, перед-

поставленої у вигляді рівняння прямої у відрізках:

eU

Ln I I Ln I

(Д + він) = (він) + (4)

AkT

Це рівняння застосовується [1] лише в разі великих струмів (IД>> IОН), а

також рекомбінаційного механізму протікання зворотного струму насичення

через p-n - перехід. Тангенс кута нахилу прямої, описуваної рівнянням

(4) в координатах lnIД = f (U) дорівнює e / AkT (що дозволяє розрахувати величину

параметра А в рівнянні (1)), а відрізок, що відсікається на осі ординат, дає

значення ln IОН.