1.9. Ефективність роботи фотоперетворювача

При створенні реальної конструкції напівпровідникового фотоперетворювача прагнуть до досягнення максимальної ефективності перетворення в ньому енергії електромагнітного випромінювання в електричну. Ефективністю перетворення η називається відношення максимальної потужності Р_т фотоелемента до потужності падаючого на нього електромагнітного випромінювання Р₀:

. (1.45)

Ефективність перетворення залежить як від властивостей напівпровідникових матеріалів фотоелемента, так і від його конструктивних особливостей.

Рис. 1.6. Конструкція фотоперетворювача з р-n-переходом.

На рис. 1.6 приведене схематичне зображення фотоелемента для перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну. Основою приладу є пластина з моно- чи полікристалічного напівпровідника з плоскопараллельними поверхнями. Для визначеності показано, що ця пластина має електропровідність n-типу. Напівпровідникова пластина піддається легуванню і формується електрична неоднорідність, у даному випадку р—n- перехід. Зрозуміло, що неоднорідність може бути створена й іншим способом, наприклад, нанесенням на поверхню напівпровідника n-типу іншого напівпровідника, що відрізняється не тільки знаком електропровідності, але і хімічним складом, шириною забороненої зони й інших параметрів. У цьому випадку ми говоримо про гетероперехід. Неоднорідність може бути також створена шляхом нанесення на поверхню основної напівпровідникової пластини шару металу, у якого робота виходу має більше значення, ніж у напівпровідника. При цьому електрична неоднорідність формується біля самої поверхні напівпровідника, а енергетичний бар'єр, що утворився, називається бар’єром Шоткі. Неоднорідність може бути також створена за допомогою імпульсного лазерного випромінювання.

Надалі поверхню напівпровідникової пластини, через яку в прилад проникає світло, що збуджує в ньому нерівноважні носії струму, ми будемо називати передньою поверхнею. Електрична неоднорідність (гомоперехід, гетероперехід, бар'єр Шоткі) може бути створена технологічними засобами як передньої, так і біля задньої поверхні пластини. В залежності від цього розрізняють передньостінкові і задньостінкові фотоперетворювачі. Створений у напівпровідниковій пластині перехід розділяє її на дві області, Передня область зазвичай називається емітером, а задня — базою. Варто сказати, що ця термінологія, запозичена з теорії напівпровідникових транзисторів, не відбиває функціонального призначення відповідних частин перетворювача. Тому дуже часто та частина переходу, що граничить з освітлюваною поверхнею, називається просто верхньою.

При використанні у фотоперетворювачах гетеропереходів, як функціональне призначення, так і назва окремих його частин змінюються. Напівпровідник з більш широкою забороненою зоною використовується для створення прозорої частини гетероперехода. Світло, проходячи цю частину структури майже без поглинання, попадає в напівпровідниковий шар з більш вузькою забороненою зоною, де і відбувається його поглинання й утворення електрон-діркових пар. Відповідно до цього більш широкозона частина гетеропереходу називається вікном, а більш вузькозона — поглиначем.

Створення фотоперетворювача завершується нанесенням металевих контактів на емітерну і базову області. При цьому контакт із базовою областю n-типу повинен бути антизапірним для електронів і може являти собою суцільний шар металу. Контакт з областю емітера (передній контакт) повинен бути антизапірним для дірок. Звичайно він виконується у вигляді сітки, щоб було пропустити випромінювання в прилад. Зазвичай при цьому від 5 до 10% енергії світла губиться, і ефективність роботи фотоперетворювача зменшується.

Крім перерахованих частин фотоелемента, які варто вважати основними, ще й допоміжні шари, до числа яких варто віднести анти відбивне покриття, що зменшує частку відбитого від передньої поверхні приладу випромінювання, а також захисне покриття зі смоли, чи лаку полімерного, матеріалу, що охороняє його від механічних ушкоджень і згубної дії хімічно активних домішок в атмосфері. Зазвичай електромагнітне випромінювання, що використовується для збудження фотоперетворювача, являє собою сукупність світлових квантів різних енергій. Будемо вважати, що у світловому потоці, що падає на передню поверхню фотоперетворювача, можна знайти випромінювання, практично, з будь-якою довжиною хвилі, тобто .

Повна енергія, що надходить на поверхню фотоелемента за одиницю часу, потужність падаючого на нього випромінювання, виражену у ватах, матиме вигляд:

. (1.46)

Залежність потужності електромагнітного випромінювання, що міститься в одиничному інтервалі довжин хвиль, від довжини хвилі, називається спектром випромінювання. Зазвичай спектр випромінювання тіла, нагрітого до визначеної температури, являє собою криву з максимумом. На рис. 1.7 крива 1 преставляє спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Довжина хвилі, на якій спостерігається максимум потужності випромінювання, залежить від температури. Спектр випромінювання Сонця, виміряний за межами земної атмосфери для того, щоб уникнути селективного поглинання світла різними компонентами атмосфери, близький до спектра випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі близько 6000 К (див. криву 2).

1.7. Спектральний розподіл випромінювання абсолютно чорного тіла при колірній турі 5760 К (крива 1) і спектр випромінювання Сонця за межами земної атмосфери (крива 2).

Повертаючись до формули (1.45), постараємося зрозуміти, від яких факторів залежить струм короткого замикання і ЕРС холостого ходу елемента. Теоретично від фотоперетворювача можна одержати максимальне значення короткого замикання, якщо кожний з поглинених у ньому світлових квантів з довжиною хвилі генерує вільний носій струму і всі утворені світлом носії попадають у зовнішній ланцюг фотоелемента. Тут λ_g— довжина світла з енергій кванта, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника Е_g:

У такий спосіб:

. (1.47)

Однак, у реальному фотоелементі діють кілька факторів зменшення величини струму короткого замикання в порівнянні з максимальним значенням. По-перше, не все падаюче на фотоелемент світло проникає в кристал. Частина випромінювання відбивається від поверхні напівпровідника. Якщо з I світлових квантів з довжиною хвилі λ, що

падають на поверхню фотоелемента, I^* відбиваються від неї, то цей процес характеризується коефіцієнтом відбивання R^*, величина якого є функцією довжини хвилі падаючого світла

. (1.48)

Введемо деяке ефективне значення коефіцієнта відбивання, усереднене по всій області спектра.

. (1.49)

Таким чином, можна одержати наближене до реального значення струму короткого замикання, помноживши величину (І_кз)_мах на співмножник

. (1.50)

Використання антивідбивних покрить дозволяє зменшити частку відбитого від 35-40% до 10-12%, забезпечивши тим самим підвищення ефективності роботи фотоперетворювача.

Іншою, вже відомою нам, причиною зменшення величини струму короткого замикання, є рекомбінація неосновних носіїв заряду, що здійснюється як в об’ємі, так і на поверхні фотоперетворювача. При цьому не всі генеровані світлом носії струму попадають у зовнішній ланцюг, тобто відбувається неповне їхнє збирання. Ефективністю збирання η_с можна вважати відношення реальної величини струму короткого замикання до його величини у випадку відсотності рекомбінації у фотоелементі. Рекомбінація нерівноважних носіїв зменшує не тільки величину струму короткого замикання, але і величину ЕРС холостого ходу. При відсутності рекомбінації розімкнутий фотоелемент повинен розвивати при освітленні фотоЕРС, рівну величині дифузійної різниці потенціалів U_d. Остання величина, у свою чергу, залежить від різниці в положенні рівнів Фермі в ділянках напівпровідника з провідністю n- і p-типу. Граничне значення U_d відповідає величині e^-1 E_g де E_g — ширина забороненої зони напівпровідника, у якому створений р—n-перехід. Це значення може бути досягнуте при мінімальній відстані від рівнів Фермі в різних частинах переходу до країв відповідних зон. Таким чином, чим сильніше легована ділянка n-типу донорами, а ділянка р-типу акцепторами, тим у більшій степеніі величина U_d буде наближатися до різниці потенціалів, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника. Однак, необхідно пам'ятати, що ЕРС холостого ходу елемента обмежена темновим значенням його генераційного (див. формулу 1.38). Зазвичай U_хх значно менше величини U_d, склдааючи 50-55% від її значення. Тому ефективність роботи перетворювача розумно характеризувати не абсолютним значенням ЕРС холостого ходу, а відношенням —, що називається коефіцієнтом напруги.

Сумуючи все вищесказане, можна записати для ефективності роботи фотоперетворювача формулу:

. (1.51)

Є й інші фактори, що обмежують ефективність перетворення елементом енергії сонячного випромінювання в електричну. До них відноситься зменшення інтенсивності збуджуючого світла в результаті затінення частини передньої поверхні фотоелемента нанесеною на неї контактною сіткою. Крім того, товщина елемента може виявитися недостатньою для активного поглинання усього випромінювання, що пройшло у фотоелемент через його передню поверхню. Нарешті, ефективність може зменшуватися в результаті падіння частини, напруги, що генерується елементом, на послідовно включених опорах контактних переходів (R_c1 R_c2, R_c3 ) об'ємних частин емітера (R_e) і бази (R_b, а також верхньої контактної решіітки (рис. 1.8).

Вираз (1.51) дозволяє зрозуміти, як залежить ефективність роботи фотоперетворювача від ширини забороненої зони напівпровідника, з якого він виготовлений. Помножимо чисельник і знаменник виразу на енергію світлових квантів, що міститься в тій частині спектра, що активно поглинається провідником, одержимо:

(1.52)

Розглянемо перші два співмножники цього виразу, представлені у вигляді дробів. Перший співмножник показує, що світлові кванти з енергією меншою, ніж ширина забороненої зони E_g, не можуть зробити свій внесок в утворення електрон-діркових пар в напівпровіднику.

Рис. 1.8. Локалізація у фотоелементі послідовно включених опорів.

Отже, при збудженні сонячним світлом розглянуте співвідношення буде мати меншу величину в тих фотоперетворювачах, що виготовлені з більш широкозонних напівпровідників.

Другий співмножник описує втрати ефективності перетворення, пов'язані з надлишком енергії поглинених квантів. При поглинанні фотонів з енергією, що перевищує ширину забороненої зони, на утворення вільних носіїв використовується лише порція енергії, рівна E_g Інша енергія світлового кванта розсіюється в напівпровідниковому матеріалі у вигляді тепла. Ясно, що ці будуть максимальними у вузькозонних напівпровідниках. Зі збільшенням ширини забороненої зони ефективність використання поглинутих світлових квантів буде зростати, однак фотоперетворювач буде поглинати все і меншу частину сонячного спектра. Тому залежність ефективності фотоперетворення від ширини забороненої зони напівпровідника являє собою криву з максимумом (див. рис. 1.10). Відповідно до цієї кривої можна вибрати для виготовлення перетворювача матеріал з оптимальною Е_я.

60