14.4.5. Фотоэлементы

Полупроводниковый фотоэлемент – полупроводниковый прибор с p-n-переходом, предназначенный для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Фотоэлементы представляют со­бой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие под действием излучения собственную ЭДС. Такой ре­жим работы (см. рис. 14.23,в) называется вентильным или фотовольтаическим. Принцип работы фотоэлемента состоит в том, что элект­рическое поле перехода разделяет неравновесные носители разного знака. Рассмотрим случай, когда внешняя цепь разорвана (режим холостого хода =). Ранее описано разделение носителей полем р-n-перехода. Отличие состоит в том, что при =поле определя­ется только контактной разностью потенциалов. Появляющийся об­ратный дырочный ток через переход из-за разделения носителей при отсутствии внешней цепи будет приводить к тому, чтоp-область заря­жается положительно относительно n-области. Это нарушение рав­новесия означает появление разности потенциалов, которая связана с наличием неравновесных носителей, вызванных действием света. Эта разность потенциалов противоположна по знаку контактной разности потенциалов, т.е. понижает потенциальный барьер в пере­ходе. Снижение барьера не влияет на движение неосновных носите­лей, но вызывает увеличение потока основных носителей областей: электронов изn-области в p-область и дырок из p-области в n-область. Таким образом, в переходе появляется встречный ток дырок. Понижение барьера будет происходить до тех пор, пока результирующий дырочный ток не достигнет нулевого значения, т.е. пока не уравняются встречные дырочные составляющие тока.

Совершенно так же происходит выравнивание противоположных по направлению электронных токов. Установившееся в резуль­тате этого процесса приращение (убыль) высоты барьера эквива­лентно прямому напряжению U и называется напряжением холосто­го хода или ЭДС фотоэлемента. Это значение можно изме­рить на зажимах фотоэлемента при =. Если освещенный фотоэлемент замкнут на резистор(см. рис. 14.23,в), то в цепи устано­вится токI, величина которого определяется как фотоэлементом так и сопротивлением резистора. Поэтому вместо вольт-ампернои характеристики фотоэлемента правильнее было бы говорить о на­грузочных вольт-амперных характеристиках. Такие вольт-амперные характеристики соответствуют IV квадранту на рис. 14.24. Точка, ле­жащая при заданном потоке Ф на оси напряжений (I=0), дает значе­ние фотоЭДС (). При = 0 точка, лежащая на оси токов, соответ­ствует току короткого замыкания . Промежуточные точки при за­данном Ф находят путем измерения тока в цепи и напряжения на за­жимах фотоэлемента (на резисторе) при заданном значении. Изменяя от 0 до , получаем нагрузочную вольт-амперную харак­теристику. При уже известных нагрузочной ВАХ и сопротивлениирабочая точка находится на пересечении ВАХ и нагрузочной прямой, которая исходит (как в законе Ома) из начала координат.

Фотоэлемент, с помощью которого преобразуют солнечную энергию в электрическую, называют солнечным преобразовате­лем. Используют также термины «солнечные батареи» и «солнеч­ные элементы». Коэффициент полезного действия солнечных ба­тарей невысок (примерно 12 %). Это связано с отражением части излучения от поверхности полупроводника, с некоторым поглоще­нием света, рекомбинацией носителей на поверхности и в объеме полупроводника, потерями мощности при прохождении тока че­рез сопротивление базы фотоэлемента. При хорошо отработан­ной технологии кремниевые солнечные батареи могут давать КПД до 20 % и развивать мощность до нескольких киловатт.

Солнечные батареи – основные источники питания на космиче­ских кораблях, автоматических метеостанциях. Практическое при­менение солнечных батарей непрерывно возрастает.