Вольт-амперная характеристика фотоэлемента

Поток генерированных светом носителей образует фототок Iф. Величина Iфравна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-переход в единицу времени:

(6)

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hv Е_gсоздает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si.

Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузкиRн. Рассмотрим вначале два крайних случая: R_н=0 (режим короткого замыкания) и R_н= ∞ (режим холостого хода).

В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p-областями. Однако через p–n-переход и внешний провод-ник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элемен-те режим короткого замыкания эквивалентен нулевому напряжению смещения p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания

Iкзравен фототоку:

I_кз= Iф.

При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода фото-электроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Ux.x. . Полярность Ux.x. соответствует прямому смещению p–n-перехода.

В режиме холостого хода фототок уравновешивается «темновым» током Im – . Абсолютное значение «темново-го» тока:

(7)

откуда при Iф» I0:

(8)

где k – постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К = 0,86·10-4 эВ/К; Т – аб-солютная температура, К; I0 – ток насыщения; A – параметр вольт-амперной характеристики p–n-перехода, меняющийся для разных отрез-ков графика от 1 до 2 по следующему закону:

(9)

где ∆U – приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.

«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных но-сителей тока (в данном случае – электронов в p-области). При актах ре-комбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделя-ется либо посредством излучения фотонов с hv ≈Eg, либо расходуется на нагревание кристаллической решетки.

Таким образом, режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.

Найдем обобщенное выражение для вольт-амперной характери-стики освещенного p–n-перехода. Для этого предположим, что к нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При поло-жительном напряжении смещения фототок Iфвычитается из «темнового» тока p–n-перехода, а при отрицательном – суммируется с ним. Выражение для вольт-амперной характеристики записывается в виде:

(10)

Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротив-ления нагрузки. Направление тока в нагрузке всегда совпа-дает с направлением Iф, а сам ток нагрузки Iнравен результирующему току через p–n-переход. Принимая направление тока Iфза положительное, для Iнможно записать:

(11)

где Uн– напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n-переходе. Последнее выражение описывает нагрузочную вольт- амперную характеристику освещенного p–n-перехода.

При известных параметрах нагрузочной вольт-амперной характеристики и заданном значении Rнвеличины Iни Uннаходятся методом последовательных приближений (рисунок 3).

прямый током через p–n-переход, возникающим при напряжении смещения (холостого хода) Ux.x.

Рисунок 3 - Вольтамперные характеристики элемента (ВАХ) при различных мощностях светового потока

Таким образом, освещенный p–n-переход может быть представлен в виде эквивалентной схемы, где источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения p–n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный p–n-переход (рисунок 4). При варьировании Rнфототок перераспределяется между нагрузкой и p–n-переходом.

Рисунок 4 - Эквивалентная электрическая схема фотоэлемента

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле:

(12)

В режимах короткого замыкания и холостого хода P =0, посколь-ку либо Iн, либо Uнравны нулю.

Таким образом, солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок. Свет, падающий на верхнюю пластинку, выбивает из нее электроны, посылая их на нижнюю пластинку. Так создается ЭДС элемента. Последовательно соединенные элементы являются источником постоянного тока. Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей представляют собой солнечную батарею.

Соединённые последовательно и параллельно ячейки образуют модули, содержащие, например, 36 ячеек. В свою очередь модули собираются в панели мощностью от нескольких ватт до сотен киловатт. Солнечные панели размещаются на открытой местности, на крышах домов, на освещаемых поверхностях различных сооружений. Они вырабатывают постоянный ток, подаваемый на зарядку аккумуляторной батареи, а затем через инвертор переменный ток стандартного качества идёт потребителям.