Фотоэлектрические свойства p-n перехода

Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

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 нагрузки . Рассмотрим вначале два крайних случая: (режим короткого замыкания) и (режим холостого хода).

Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 5.3а, б.

Рисунок 5.3 Зонные энергетические диаграммы p–n-перехода при освещении в режиме: а – короткого замыкания; б – холостого хода; в – включения на сопротивление нагрузки

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 проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области.

Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p–n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p–n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области.

На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода (рис.5.3,б) фотоэлектроны, 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 . Полярность соответствует прямому смещению p–n-перехода.

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

, (5.3)

где – величина заряда электрона;

– мощность поглощенного монохроматического излучения.

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

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис. 5.3.а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания равен фототоку

. (5.4)

В режиме холостого хода (рис.5.3.,б) фототок уравновешивается «темновым» током – прямым током через p–n-переход, возникающим при напряжении смещения . Абсолютное значение «темнового» тока

, (5.5)

откуда при

, (5.6)

где – постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Дж/К=0,86·10^-4 эВ/К;
– абсолютная тмпература, К;
– ток насыщения.

А- параметр вольт-амперной характеристики p–n-перехода, меняющийся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону

, (5.7)

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

«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае – электронов в p-области).

При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов с , либо расходуется на нагревание кристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рисунке 5.3.,б. Т.о., режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.