Устройство и принцип действия полупроводникового фотоэлемента. Физический эффект работы.

Работы ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. Схема устройства кремниевого ФЭ показана на рис. 1. Технологическими методами электроосаждения или напыления металлический (никелевый) слой (электрод 1) нанесен на тыльную сторону кристаллической кремниевой основы. Она легирована путем диффузии либо способом ионной бомбардировки в своей нижней части примесными (акцепторными) атомами бора (или алюминия), а в верхней, более тонкой части – донорными атомами фосфора (или мышьяка). В результате легирования образованы слой 2 – полупроводник p-типа с основными носителями зарядов положительного знака (дырками) и слой 3 – полупроводник n-типа с основными носителями зарядов отрицательного знака (свободными электронами). На лицевую сторону кристалла нанесен узкий электрод 4. Припаянные к 1 и 4 отводящие проводники 5 служат для подключения сопротивления нагрузки 6 или других ФЭ.

Внешние радиационные (световые, тепловые) воздействия обусловливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных носителей в p- и n-областях. Под влиянием электростатического притяжение разноименные свободные основные носители диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее p-n гетеропереход с напряженностью электрического поля Е_к (рис. 1), контактной разностью потенциалов U_к=sE_к и потенциальным энергетическим барьером W_к=eU_к для основных носителей, имеющих заряд е. Напряженность поля Е_к препятствует их диффузии за пределы пограничного слоя шириной s.

Напряжение U_к=(kT/e)ln(p_p/p_n)=(kT/e)ln(n_n/n_p) зависит от температуры Т, концентрации дырок (p_p, p_n) или электронов (n_n, n_p) в p- и n-областях (индексы р, n), заряда электрона е и постоянной Больцмана k. Для неосновных носителей Е_к – движущее поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из области р в область n, а дырок – из области n в область р. Область n приобретает отрицательный заряд, а область р – положительный, что эквивалентно приложению к p-n переходу внешнего электрического поля с напряженностью Е_вш, встречного с Е_к. Поле с напряженностью Е_вш –запирающее для неосновных и движущее для основных носителей. Динамическое равновесие потока носителей через p-n переход приводит к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов U₀ – ЭДС холостого хода ФЭ.

Эти явления могут происходить радже при отсутствии освещения p-n перехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов), которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла с энергетическими уровнями W. Если энергия фотона W_ф=hν (ν – частота волны света, h – постоянная Планка) больше W, электрон покидает уровень и порождает здесь дырку; p-n переход разделяет пары электрон – дырка, и ЭДС U₀ увеличивается. Если подключить сопротивления нагрузки R_н, по цепи пойдет ток I, направление которого встречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами полупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потока Ф, но не превосходит предельного тока I_п ФЭ, который получается при переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший рост числа неосновных носителей невозможен. В режиме КЗ (R_н=0, U_н=IR_н=0) напряженность поля Е_вш=0, p-n переход (напряженность поля Е_к) наиболее интенсивно разделяет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента I_ф для заданного Ф. Но в режиме КЗ, как и при холостом ходе (I=0), полезная мощность P=U_нI=0, а для 0<U_н<U₀ и 0<I<I_ф будет P>0.

Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ дляT=300 K, Ф=1 кВт/м² и R_вq=4 Ом·см² (R_в – внутреннее сопротивление, обусловленное материалом ФЭ, электродами и контактами отводов; q – площадь ФЭ) представлена на рис. 2. Известно, что в заатмосферных условиях Ф=1.39 кВт/м², а на уровне Земли (моря) при расположении Солнца в зените и поглощении энергии света водяными парами с относительной влажность 50% либо при отклонении от зенита на 60º в отсутствие паров воды Ф=0.88÷0.89 кВт/м².