Солнечный элемент и его КПД

Лекция №11

Внутренний фотоэффект.

Изменение концентрации носителей заряда в материале при его освещении приводит к изменению его электрических свойств и называется внутренним фотоэффектом. При внутреннем фотоэффекте оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного типа, нейтральность которого не нарушается.

Явление изменения электропроводности материала при его освещении называется фотопроводимостью.

Внутренний фотоэффект может приводить к возникновению разности потенциалов между участками освещаемого тела, обусловленной фото-Э.Д.С.

При освещении собственных полупроводников в них генерируется в равных количествах электроны и дырки (т.е. пары электрон-дырка) такой фотоэффект называют собственным.

При освещении примесных полупроводников в них генерируются носители одного знака – электроны или дырки. Такой фотоэффект называется примесным.

Оптические электронные переходы в полупроводнике.

Еg- ширина запрещенной зоны;

∆Е_А- энергия активации акцепторных примесей;

∆Е_D- энергия активации донорных примесей;

1- собственные переходы;

2 и 3- примесные переходы.

Проводимость полупроводников.

- Закон Ома в дифференциальной форме,

где σ=еn_gμ

Для полупроводников σ=σ_n+σ_p

σ_n и σ_p – проводимость, обусловленная электронами и дырками

σ_n =еnμ_n σ_p =еpμ_p

В собственном полупроводнике n=p=n_i

В полупроводнике μ_n >μ_p и слабо зависят от Ти

σ=еn_i(μ_n +μ_p)

Квантовая механика дает, что

где N_c и N_v –эффективная плотность состояний в зоне проводимости(С)

и валентной зоне (V)

Равновесная проводимость (собственная)

Равновесная примесная проводимость

- для n

- для p.

где N_D и N_A – концентрации донорной и акцепторной

примеси в примесном полупроводнике;

∆Е_D и ∆Е_А - энергии активации примесной проводимости.

Фотопроводимость полупроводников.

В результате поглощения излучения полупроводников может измениться концентрация электронов и дырок на величину ∆n и ∆р в результате изменится на величину ∆σ.

∆σ=е(μ_n∆n + μ_p∆p)

Проводимость освещенного полупроводника:

σ=σ₀+∆σ

В собственном полупроводнике n=p→∆n=∆p

тогда можно записать

∆σ=е∆n(μ_n+μ_p)

Динамическое равновесие концентрации носителей тока устанавливается в результате конкуренции 2-х процессов: генерации и рекомбинации носителей заряда.

Для электронов уравнение непрерывности:

g_n=g₀+g _Ф, где - скорость генерации в отсутствии освещения

g_Ф =η_nN_q – скорость генерации носителей.

η_n – квантовый выход внутреннего фотоэффекта;

N_q –число поглощенных квантов излучения.

- скорость рекомбинации

n- концентрация носителя;

τ – время жизни носителя заряда.

В случае

Условие внутреннего фотоэффекта в собственном полупроводнике:

Уравнение непрерывности позволяет описать нестационарные процессы: ∆σ(t)

а) включение света

g _Ф·τ=const

при t→∞ ∆n=∆n_ст= g _Ф·τ

б) выключение света

→ ∆n=∆n_стe^-^t^/τ

Фоторезистор.

∫∫10.7

Характеристика фоторезистора – Rт –темновое сопротивление.

Rт~1÷4 МОМ

Чувствительность фоторезистора: ∆R/Rт

(относительная)

∫∫10.8 р-n -переход

I= I_nn+I_pp-I_np-I_pn

где

U – напряжение на переходе.

I_s - ток неосновных носителей.

Справедливо для реальных p-n переходов в области (-0,5<U<0,5)

∫∫10.9 Освещенный р-n –переход

I_ф – Фототок – ток, образованный потоком через p-n-переход возбужденных светом неосновных носителей.

U_R=I R_n

I= I_ф+ I_np + I_pn -I_pp- I_nn =U/R_n

Полярность U_R соответствует прямому направлению на переходе,

тогда с учетом уравнения Шокли

I·R_n и есть фото-Э.Д.С.

Поглощенный свет генерирует пары электрон-дырка. е- переходят через p-n переход, в процессе диффузии и заряжает n- область отрицательно. Движение этих электронов через переход создает первичный фототок Iф. В результате на переходе формируется прямое смещение: фото-Э.Д.С. – Uф.

Наступит динамическое равновесие:

Включение в цепь R и E(внешнего).

тогда ток обусловлен совместным действием светового потока Ф и внешнего напряжения Е.

Тогда

Различают 2 режима работы p-n перехода:

а) вентильный (фотоэлемент)

фотовольтанический (солнечный фотоэлемент);

б) фотодиодный режим.

а) Вентильный режим:

(Е=0) внешний источник отсутствует

Тогда

В зависимости от R различает 2 режима к.з. и х.х.

Режим к.з.:

R=0 на переходе p-n U=0 тогда I_в=I_к.з.

I_Ф=I_к.з.≈aW

W- интенсивность света,

а- коэффициент пропорциональности (зависит площади ф.э., λ и т.д.).

Этот режим реализуется при подключении к p-n переходу чувствительного амперметра с малым сопротивлением. В этом случае получаем приемник с линейной световой характеристикой.