2.5.6.3. Фотоэлектрические преобразователи

солнечного излучения

Известно, что источником солнечной энергии является термоядерный синтез атомов гелия из атомов водорода по реакции вида Дж/кг [2.49], в которой указана удельная энергия дефекта массы. Так как в солнечном ядре при температуре ~ К за 1с в гелий превращается кг водорода, то полный поток солнечного излучения составляет Вт. При среднем расстоянии от Земли до Солнца км легко получить, что за пределами земной атмосферы облученность перпендикулярной к лучам поверхности должна быть равна Вт/м². Вследствие ослабления излучения в атмосфере в зависимости от угловой высоты Солнца (эквивалентой массы атмосферы), а также уровня прозрачности атмосферы облученность в средних широтах на уровне моря может достигать ~600…700 Вт/м². Для наглядности напомним, что суммарная мощность Саяно-Шушенской ГЭС до аварии была равна ~7 ГВт, что эквивалентно потоку солнечного излучения, поступающему на площадь ~10 км².

Главное преимущество солнечной энергии по сравнению с другими видами энергии - ее неисчерпаемые запасы, а также кажущаяся дешевизна. При этом имеются и серьезные недостатки – рассеяние излучения по большим пространствам (малая поверхностная плотность) и непостоянство во времени. Эти свойства вызывают большие сложности, связанные с необходимостью ее концентрации и аккумулирования.

Фотогальванические приемники, предназначенные для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую, принципиально отличаются от рассмотренных ранее слаботочных фотоэлементов (или фотодиодов), так как в отличие от них солнечные элементы (СЭ) должны характеризоваться высоким коэффициентом полезного действия (КПД) при большой падающей и преобразуемой мощности, а также долговременной стабильностью работы при высоких температурах и радиационных нагрузках (в космосе).

Наряду с этим надо помнить, что действие СЭ основано на тех же самых главных физических процессах (что и в слаботочных приборах), а именно: генерации пар фотоносителей и их последующем пространственном разделении электрическим полем собственного . Важной особенностью СЭ является то, что их работа всегда происходит под действием интегрального потока солнечного излучения, спектральный состав которого не может регулироваться потребителем и при этом является главным фактором, который определяет выбор ширины запрещенной зоны материала СЭ. Понятно, что спектр падающего излучения определяется условиями применения СЭ и может сильно изменять режим их работы: генерируемую мощность, КПД, температуру, теплоотвод.

Основной задачей, которая решается при изучении (или разработке) СЭ, является определение (или реализация) условий, обеспечивающих достижение требуемого значения КПД при приемлемой их стоимости, т.е. отношения КПД/цена. В зависимости от способа решения этой задачи современные СЭ можно разделить на три вида:

1. тонкопленочные СЭ на основе поликристаллических (или аморфных) материалов (в подавляющем большинстве – на кремнии), которые, как правило, могут иметь достаточно большую площадь, сравнительно простую и дешевую технологию изготовления, относительно низкую стоимость, и при серийном или массовом производстве - КПД порядка 10 % [2.50];

2. объемные СЭ на основе монокристаллических (или поликристаллических) полупроводниковых материалов (элементарных Si, Ge, бинарных соединений A^IIIB^V или их твердых растворов) часто с использованием каскадных гетеропереходных структур, позволяющих реализовать высокие КПД (более 25…35 %), но отличающиеся сложной технологией и очень высокой стоимостью;

3. объемные СЭ на основе прямозонных монокристаллических материалов в виде многопереходных гетероструктур, предназначенных для преобразования концентрированного излучения с кратностью 1000 и более. Концентрация излучения хотя и связана с усложнением преобразовательных устройств и установок, однако оправдывается как уменьшением расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов, так и возрастанием эффективности фотоэлектрического преобразования энергии при увеличении плотности потока фотонов [2.51].

Рассмотрим далее основные процессы и закономерности работы СЭ, представив его как плоский резкий гомогенный p-n – переход, который в отсутствие облучения находится в равновесии и характеризуется равновесной энергетической диаграммой (рис. 2.ЕЕ), которой соответствуют единый уровень Ферми E во всей структуре и отсутствие результирующего тока через переход. Последнее обусловлено следующими причинами. Электроны (неосновные носители) в квазинейтральной части области, имеющие концентрацию, пропорциональную , попав на границу ОПЗ, ускоряются контактным полем перехода в направлении области и создают дрейфовый электронный ток перехода. С другой стороны перехода, в зоне проводимости области, электроны (основные носители), которые характеризуются концентрацией, пропорциональной , попав на границу ОПЗ, испытают торможение поля перехода и смогут преодолеть его только частью, пропорциональной . Ясно, что такие электроны создадут через переход диффузионный ток, пропорциональный множителю . Сопоставив числители первого и последнего экспоненциальных множителей, легко убедиться в их равенстве. Понятно, что такой же вывод можно получить в отношении дырок.

Таким образом, отсутствие результирующего тока через переход в равновесном состоянии является фундаментальным свойством полупроводниковой электроники.

Если СЭ облучается перпендикулярно плоскости перехода равномерно распределенным по его площади монохроматическим потоком излучения (с энергией фотонов E_g), который равномерно поглощается в объеме фронтальной области СЭ (см. рис.2. ХХх, в), то в ее объеме должна происходить биполярная генерация фотоносителей со скоростью

, (2.91)

в которой - спектральный коэффициент поглощения излучения во фронтальной области СЭ.

При условии полного сбора всех фотодырок спектральную компоненту дырочного фототока через переход можно представить в виде

. (2.92)

Аналогичное выражение может быть записано для электронного фототока, поступающего через границу перехода из области в , если в (2.91) и в (2.92) заменить на , на и на , учитывая при этом, что .

Результирующая спектральная составляющая фототока должна определяться суммой

. (2.93)

Следует помнить, что выражения вида (2.91)-(2.93) для скорости генерации фотоносителей и их токов написаны без учета таких возможных процессов как поверхностная рекомбинация дырок на фронтальной поверхности СЭ и их неполное разделение из-за объемной рекомбинации на пути к переходу, а также неполного разделения фотоэлектронов, генерированных в тыльной области прибора¹⁰.

Поскольку СЭ при работе находится под действием интегрального потока излучения, то использовать спектр фототока (2.93) непосредственно для решения таких задач как, например, расчет выходной мощности или КПД СЭ невозможно без предварительного интегрирования. Однако эта операция сильно затрудняется отсутствием достоверного знания аналитических зависимостей как указанных спектральных величин, так и функций для описания потерь излучения и фотоносителей.

Что касается использования выражений вида (2.91)-(2.93) для учебных целей, то они несомненно могут быть полезны как для выяснения номенклатуры влияющих факторов и процессов, так и для выявления и анализа качественных связей и закономерностей.

Облученный СЭ, работающий на внешнюю нагрузку с активным сопротивлением , обычно представляют упрощенной эквивалентной схемой (рис. 2. ЖЖ), содержащей генератор фототока с сопротивлением утечки (или запирающего слоя) и малым последовательным сопротивлением квазинейтральных слоев, прилегающих к переходу. Из эквивалентной схемы следуют очевидные соотношения

,

из которых, исключив , при условиях и легко получить режим короткого замыкания (КЗ), при котором фототок пропорционален потоку излучения

, (2.94)

а при условиях , и из схемы в режиме холостого хода (ХХ)

. (2.95)

Исходя из физического смысла и в соответствии с эквивалентной схемой, облученный СЭ должен описывается уравнением вольт-амперной характеристики

, (2.96)

где - падение напряжение на нагрузке и на фотогенераторе.

При разомкнутой внешней цепи ( , ) в режиме холостого хода из (2.96) получаем разность потенциалов на зажимах СЭ, т.е. фотоЭДС в виде

. (2.97)

Выражение (2.97) показывает, что фотоЭДС солнечного элемента при больших потоках излучения должна зависеть от потока по логарифмическому закону, что объясняется ослаблением контактного поля, разделяющего фотоносители, нарастающим полем фотоЭДС.

Следует иметь в виду, что выражения (2.94) – (2.97) не учитывают многих факторов, способных влиять на рабочие процессы и свойства СЭ как, например: спектрального состава падающего излучения, температуры СЭ, омических потерь, состояния поверхностей (поверхностной рекомбинации), конструктивных параметров и др.

Перейдем к рассмотрению энергетических параметров СЭ.

Пользуясь уравнением ВАХ облученного нагруженного СЭ (2.96), запишем мощность в цепи нагрузки в виде

,

и обозначив в (2.96) , после преобразований получим и представим оптимальную мощность в нагрузке формулой

. (2.98)

Проведем краткий анализ формулы (2.98):

1. отметим, что является максимальным током любого СЭ при данном потоке излучения (см. (2.94));

2. при данном потоке произведение для любого приемника не может превышать фотоЭДС, т.е. (см.2.97). Например, в кремниевом СЭ при легировании близком к вырождению (10^-19 см^-3) В и поэтому при комнатной температуре не может быть ;

3. если положить , то (2.98) приобретет вид

, (2.99)

соответствующий площади прямоугольника, описанного вокруг кривой ВАХ СЭ (см. рис. 2.ЖЖ). Разделив (2.98) на (2.99) получим так называемый коэффициент заполнения

.

Энергетический коэффициент полезного действия (КПД) СЭ определяется выражением

.

По последним сведениям (Германия, август 2011 г.) тонкопленочные СЭ на основе поликристаллического кремния площадью ~0,5 м² имеют при промышленном производстве КПД ≈ 18 %.

Список литературы

1. Павлов В.А. Оптико-электронные приборы. М.: Энергия, 1974.

2. Грунин В.К., Мазурек В.В. Приемники оптического излучения: Учеб. пособие. . СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999.

3. Хадсон Р. Инфракрасные системы /Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

4. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справ. Киев: Наук. думка, 1979.

5. Васильев Б.В. Термоэлектричекие приемники оптического излучения: Учеб. пособие. Л.: ЛЭТИ, 1984.

6. Васильев Б.В. Болометрические и пироэлектрические приемники оптического излучения: Учеб. пособие. Л.: ЛЭТИ, 1986.

7. Golay M.J.E. Theoretical considerations in heat and infrared detection with particular reference to the pneumatic detector.//Rev. Sci. Instr., 1947.Vol. 18, P. 347.

8. Панкратов Н.А. Неселективный оптико-акустический приемник с оптическим микрофоном//Оптико-механическая промышленность. 1960. №1, С.37.

9. Киттель Ч. Элементарная статистическая физика. М.: Изд-во иностр. лит., 1960.

10. Гарбуни М. Физика оптических явлений/Пер. с англ. М.: Энергия 1967.

11. Оптические свойства полупроводников:Справ./В.И.Гавриленко, В.И.Грехов, Д.В. Корбутяк и др. –Киев: Наук. думка, 1987.

12. Таблицы физических величин: Справ./Под ред. Акад. И.К.Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.

13. Шарма Б.Л., Пурохит Р.К. Полупроводниковые гетеропереходы./ Пер. с англ. М.: Советское радио, 1979.

14. Белл Р.Л. Эмиттеры с отрицательным электронным сродством./ Пер. с англ. М.: Энергия, 1978.

15. Жигарев А.А., Шамаева Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1982.

16. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения: Учеб. пособие. СПб.: Папирус, 2003.

17. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники: . Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1982

18. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М.: «Наука», 1968.

19. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т.3. 3 изд./Под ред Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Л.: Энергоатомиздат, 1988.

20. Оптические свойства полупроводников (А^IIIB^V)/Под ред. Р. Уилардсона, А. Бира. М.: Мир,1970.

21. Оптические материалы для инфракрасной техники: Справ. издание/Е.М. Воронков, Б.Н. Гречушников, Г.И. Дистлер, И.П. Петров. М.:Наука, 1965.

22. Смит Р.А. Полупроводники/Пер. с англ. М.: Мир, 1982.

23. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника/ Пер. с англ. М.: Мир, 1976.

24. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1977.

25. Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977.

26. Полупроводники/Под ред. Н.Б. Хеннея. М.: Изд-во иностр. лит., 1962.

27. Курносов А.М., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учеб. пособие. М.: Высш. шк.,1986.

28. Парфенов О.Д. Технология микросхем: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк.,1986.

29. Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов: Учеб. пособие. М.: Высш. шк.,1984.

30. Березин О.С., Мочалкина О.Р. технология и конструирование интегральных микросхем: Учеб. пособие для вузов/Под ред. И.П. Степаненко. М.: Радио и связь, 1983.

31. Амброзяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов/Пер. с польск. М.: Советское радио, 1970.

32. Климин А.И. Явление умножения электронного потока в диодных и триодных полупроводниковых структурах//Обзор по электрон. техн. 1969. Вып. 71 (140).

33. Свечников Г.С. Элементы интегральной оптики. М.: Радио и связь, 1987.

34. Исследование фоточувствительности системы Si-SiO₂/Е.И. Иванов, Л.Б. Лопатина, В.Л. Суханов и др.//ФТП. 1981. Т.15. Вып. 7. С. 1343-1348.

35. Грунин В.К. Полупроводниковые фотоэлектрические приемники оптического излучения: Учеб. пособие/ЛЭТИ. С.-П.б., 1991.

36. Вавилов В.С. Действие излучений на полупроводники. М.: Физматгиз, 1971.

37. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов/Под ред. Р.Дж. Киеса/Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985.

38. Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. М.: Высш. шк., 1974.

39. Элементы электронной техники: Лабор. практикум по дисц. «Материалы и элементы электронной техники»/А.М. Василевский, В.К. Грунин, Б.В. Котов, А.В. Мезенов. СПб. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1995.

40. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1987.

41. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 т. Т. 2/Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

42. Гауэр Дж. Оптические системы связи/ Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989.

43. Фотодиоды на основе твердых растворов GaInAsSb/AlGaAsSb/И.А. Андреев, М.А. Афраилов, А.Н.Баранов и др.//Письма в ЖТФ. 1986. Т.12. Вып. 21 С. 1311-1315.

44. Сверхбыстродействующий p-i-n-фотодиод на основе GaInAsSb для спектрального диапазона 1,5-2.3 мкм/И.А. Андреев, М.А. Афраилов, А.Н.Баранов и др.//Письма в ЖТФ. 1989. Т.15. Вып. 7. С. 15-19.

45. Техника оптическая связи. Фотоприемники/Под ред. У. Тсанга/Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

46. Силин А.П. Полупроводниковые сверхрешетки//Усп. физ. наук. 1985.

Т. 147. Вып 3. С. 485-522.

2.47. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Современное состояние и магистральные направления развития современной фотоэлектроники. М.: Физматкнига, 2010.

2.48. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы/Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

2.49. Борн М. Атомная физика/ Пер. с англ. М.: Мир, 1965.

2.50. Афанасьев В.П., Теруков Е.И., Шерченков А.А. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. 2-е изд. СПб. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011.

51. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.

1 В отличие от конвекции, при которой частицы среды двигаются направленно, при теплопроводности частицы среды (или квазичастицы, например, фононы) двигаются хаотически.

2 На практике пороговая чувствительность приемника может ограничиваться флюктуациями излучения фона.

3 Односпайный вакуумированный приемник полного поглощения ( = 1, =1) рассматривается для упрощения. Конвективные и кондуктивные потери через конструктивные элементы и газ исключены из работы приемника и рассмотрения его пороговых параметров как процессы, не носящие фундаментального характера.

4 Преобразования необходимы для того, чтобы температуру окружающей среды вынести за скобки и тем самым придать произведению вид, соответствующий среднему квадрату температурного шума в равновесном состоянии. Если при этом еще полагать , то произведение дает средний квадрат мощности фотонного шума идеализированного болометра площадью при температуре [2.2].

5 Условиями линейного преобразования потока излучения в тепло являются , независимость тепловых, диэлектрических и электрических свойств материала ЧЭ от избыточной температуры , неизменность по объему ЧЭ.

6 Анализ расчетных зависимостей на рис 2. зз, в показывает, что общеизвестное положение о пропорциональности чувствительности фоторезисторов времени жизни носителей заряда может быть не безусловным: при наличии поверхностной рекомбинации в тонких элементах, удовлетворяющих условию , увеличение времени жизни отнюдь не влечет за собой повышения чувствительности.

7 Важные достоинства фотогальванического режима – отсутствие темнового тока и автономность работы; преимущества фотодиодного режима – большой динамический диапазон линейного преобразования потока излучения в электрический сигнал (ток или напряжение), большие чувствительность и быстродействие.

8.При рассмотрении ЛФД полезно вспомнить принцип действия ФЭУ (см. 2.4.1.3)

9 Обозначения в (2.78) и далее полностью соответствуют ФД по схеме рис. 2.Хх, б, для которой . Для ФД по схеме рис. 2.Хх, в в (2.78) и вместо и надо использовать и соответственно.

10 Учет этих процессов по [2.23] имеется в [2.2].

92