3.3. Механизм поглощения фотонов вp-n-переходе. Эффективность преобразования солнечного излучения

При поглощении фотонов с энергиями

hE_g (3.14)

возможны прямые переходы электронов через запрещенную зону, где h – постоянная Планка,  – частота падающего излучения, Е_g – ширина запрещенной зоны. Переходы, в которых одновременно с поглощением фотона происходит поглощение или испускание фонона называется непрямыми.

В этом случае

h h  E_g , ( 3.15)

где энергия фононов h ~ 0,02 эВ,  – частота колебаний атомов кристаллической решетки кристалла.

В случае прямых переходов через запрещенную зону полупроводника (например GaAs) имеют место резкая граница полосы поглощения (>E_g/h) и относительно большие коэффициенты поглощения излучения, в случае же непрямых переходов (например Si) – менее резкая граница полосы поглощения и меньший коэффициент ослабления (рис. 3.9) [22, 23].

Рис. 3.9. Коэффициент поглощения К материалов с прямыми (GaAs) и непрямыми (Si) переходами через запрещенную зону. Интенсивность излучения меняется по закону I(x)=I₀exp(-Kx): где х – глубина проникновения излучения в материалах; I – инфракрасный диапазон; II – видимый диапазон; III – ультрафиолетовый

Солнечное излучение имеет высокую плотность потока фотонов; например, при облученности 1 кВтм^-2 и средней энергии 2 эВ имеем

1КВтм-2/[(2эВ)  1,610-19Дж 4 эВ)]  31021фотонм-2с-1 .

Поглощение этого числа фотонов может резко увеличить скорость возникновения электронно-дырочных пар (в дополнение к термическому возбуждению).

Если генерация носителей происходит вблизи p-n-перехода, то под действием контактного поля идет пространственное разделение зарядов и возникает фото-ЭДС, которая приводит к появлению тока в замкнутой цепи (рис.3.10) Таким образом, генерация носителей тока фотонами при освещении солнцем полупроводника суммируется и преобладает со всегда присутствующей термической генерацией. В темноте, естественно, существует только термическая генерация носителей. P-n-переход, поглощающий фотоны, является источником постоянного тока с положительным полюсом в материала р-типа.

Рис. 3.10. Схема возникновения фототока при поглощении активных фотонов: I_g – ток генерации, I_r – ток рекомбинации, I_L – фототок

Условия генерации энергии солнечным элементом аналогичны условиям в диоде с прямым смещением. Разность потенциалов составляет V_В, исключая малые контактные потенциалы, и определяется как величиной смещения, так и расположением энергетических зон.

Напряжение на контактах фотоэлемента V_В будет меняться в зависимости от силы тока во внешней цепи I в пределах от нуля (ток короткого замыкания I_sc) до напряжения холостого хода V_ос (разомкнутая цепь, I = 0). Максимум энергии передается внешней нагрузке, если ее сопротивление R_L равняется внутреннему сопротивлению источника R_int. Однако внутреннее сопротивление R_int определяется потоком поглощаемых фотонов, поэтому для хорошего энергетического согласования в солнечном элементе необходимо, чтобы R_L менялось в соответствии с облученностью.

Ток солнечного элемента I определяется вычитанием индуцированного фотонами тока I_L из темнового тока I_D . (рис.3.11).

При обратном смещении I_D отрицателен и равен термически возбужденному току I_g . Токи I_g и I_L складываются, так как они оба возрастают при генерации электронно-дырочных пар.

Из рис. 3.11 следует, что сила тока во внешней цепи I всегда определяется разностью

I =I_D – I_L . (3.16)

Или учитывая (3.13), получим:

I = I₀еxp[eV/(kT) – 1] – I_L . ( 3.17)

Рис. 3.11. Вольт-амперные характеристики p-n- перехода при различных облученностях солнечного элемента: I_sc – ток короткого замыкания; V_ос – напряжение холостого хода

Величина фототока определяется количеством фотонов, поглощенных вблизи p-n-перехода. Пусть G₀ – плотность потока излучения, падающего на поверхность фотоэлемента. Тогда на глубине Х поглощенная единицей площади энергия

G = G₀ -G_X =G₀ {1-exp[k()X]} , (3.18)

тогда dG/dx= -k()G_x , (3.19)

где K() – коэффициент поглощения, зависящий сильно от частоты (длины волны) падающего излучения (см. рис. 3.9). Фотоны, имеющие энергию, меньше ширины запрещенной зоны, практически не поглощаются.

Если частота падающего излучения превышает границу полосы поглощения материала, то на глубине 2/K 86 % энергии уже полностью поглощается.

Для кремния глубина 2/К составляет примерно 400 мкм; эта величина ограничивает минимальную толщину материала солнечного элемента.

Для возникновения и существования фототока в типичном солнечном элементе, например кремниевом, существенны такие особенности.

1. Поглощение фотонов, энергия которых недостаточна для генерации фототока ( h<E_g ), приводит к нагреву материала элемента (область А на рис. 3.12)

λ, мкм=1,24/hν 1,24 0,62 0,41 0,31 0,25

λ, мкм 1,24 0,62 0,41 0,31

Рис. 3.12. Спектральное распределение солнечного излучения: зависимость интенсивности от энергии фотонов (АМО) (а) и плотности фотонов от энергии фотонов (АМ1) (б); область А – энергия фотонов недостаточна для генерации фототока в кремниевом элементе; В – энергия фотонов достаточна для генерации фототока; С – неиспользуемый избыток энергии фотонов

2. При частотах излучения, превышающих границу полосы поглощения (h>E_g), избыток энергии фотонов (h – E_g) также расходуется на нагрев элемента.

3. Существует оптимальная ширина запрещенной зоны, при которой поглощенное солнечное излучение максимально используется для генерации электроэнергии (рис. 3.13). Следует отметить, что спектральное распределение приходящего к фотоэлементу солнечного излучения изменяется в зависимости от угла прохождения сквозь атмосферу (АМО – соответствует облученности в космосе, АМ1 – соответствует солнцу в зените, АМ2 – зенитный угол 60⁰): от облачности, влажности, аэрозольности атмосферы.

Рис. 3.13. Зависимость максимальной ожидаемой эффективности гомопереходных солнечных элементов от ширины запрещенной зоны: отмечены значения ширины запрещенной зоны для некоторых материалов и температуры

Условия АМ1 обычно выбираются в качестве стандартных для разработки новых солнечных элементов.

4. Только фотоны, энергия которых соответствует области В на рис. 3.12, участвует в генерации фототока в солнечном элементе. Доля энергии этих фотонов из всей энергии, падающей на солнечный элемент, будет В(А+В+С), где А,В,С – площади областей А, В, С, равные примерно 47 %. Точное значение несколько меняется в зависимости от спектрального распределения.