2.1 Фотовольтаїчний ефект в напівпровідниках з електронною неоднорідністю. Струм короткого замикання і напруга холостого ходу

Фотовольтаїчний ефект являє собою виникнення е.р.с. при освітленні напівпровідника. Як правило, фотовольтаїчний ефект спостерігається при наявності просторової неоднорідності електричних властивостей кристалу.

Освітимо напівпровідниковий перехід і підєднаємо до контакту фотоелементу деякий резистор. Світло генерує електронно-діркові пари. Світло збільшує концентрацію, в основному, неосновних носіїв заряду. Кількість основних носіїв заряду при освітленні слабо змінюється за рахунок їх великої рівноважної концентрації. Вбудоване електричне поле розділяє генеровані світлом неосновні носії заряду: електрони дрейфують від діркового напівпровідника до електронного, а дірки – навпаки. При цьому в замкнутому колі, яке містить освітлений перехід, потече електричний струм. Цей струм іде в тому ж напрямку, в якому протікав би запірний струм при підєднанні до переходу електричної напруги відповідної полярності. Створений світлом струм називається генераційним струмом. Якщо опір резистора, включеного в коло фотоелемента малий (режим короткого замикання), то різниця потенціалів між лівим і правим контактами буде рівна нулю. При цьому, висота дифузійного бар’єру eU_d, а також напруженість електричного поля, яке існує в перехідній області, залишиться практично незмінним. Генераційний струм, який приводиться в рух цим полем, суттєво зросте при освітленні внаслідок зростаючої швидкості генерації вільних носіїв, які цей струм переносять.

Рекомбінаційний струм, який являє собою струм дифузії основних носіїв заряду, залишається незмінним, так як струм залежить лише від різниці потенціалів між електронною і дірковою областями р-n-переходу. Таким чином, через освітлений короткозамкнутий елемент протікає фотострум, який називається струмом короткого замикання I_sc і представляє собою різницю між генераційним струмом, який суттєво збільшився і рекомбінаційним струмом, який майже не змінився.

Якщо розімкнути коло, яке містить фотоелемент продовжуючи збуджувати струм світлом (режим холостого ходу), то нерівноважні електрони, які під дією контактного поля перейшли з діркового напівпровідника в електронний і нерівноважні дірки, які перейшли із електронного напівпровідника в дірковий, не зможуть піти по зовнішньому колу. Електрони, які накопичуються в напівпровіднику n-типу, знижують потенціал цієї ділянки, а дірки, які накопичуються в напівпровіднику р-типу, підвищують його потенціал. На контактах розімкнутого фотоелемента створюється деяка різниця потенціалів, яка називається ЕРС холостого ходу U_ос. Електрорушійна сила зменшує висоту початкового існуючого енергетичного бар’єру настільки, щоб рекомбінаційний струм, який при цьому зріс, скомпенсував приріст генераційного струму. Таким чином, і в розімкнутому освітленому елементі, і в затемненому в протилежних напрямках протікають рівні по величині генераційний і рекомбінаційний струми. Однак при освітленні ці струми мають набагато більшу величину, ніж при затемнені.