Основы процесса преобразования света в СЭ, Соотношения для тока и напряжения фотоэлемента

Обычно расстояние p-n перехода от освещаемой поверхности много меньше диффузионной длины электронов, весь свет поглощается активно в р-области. При приближенном рассмотрении поверхностную и объёмную рекомбинацию можно не учитывать. В этом случае все электроны, генерируемые светом, попадают в область перехода и под действием контактного поля (ускоряющего для них) перемещаются в n-область. Дырки (для которых поле перехода тормозящее) задерживаются, что приводит к увеличению их концентрации в p-области.

Таким образом, под действием света через p-n переход идёт фототок:

, (1.1)

где е-заряд электрона, N-число электронов (пар электрон-дырка), создаваемых светом в единицу времени.

Фототок электронов идёт в запорном направлении и уменьшает начальную контактную разность потенциалов. Это приводит к появлению тока утечки I_у, направление которого противоположно фототоку электронов [1]:

(1.2)

В этом соотношении U- уменьшенная контактная разность потенциалов p-n перехода, k-постоянная Больцмана, T-температура, I_s-ток насыщения. Величина тока насыщения зависит от характеристик перехода и свойств p и n областей полупроводника.

При постоянной интенсивности света стационарное состояние установится при таком U, при котором ток утечки будет равен фототоку. Условие стационарности принимает следующий вид:

(1.3)

где U* - напряжение холостого хода, соответствующее разомкнутому переходу.

Если фотоэлемент замкнут на сопротивление R, то стационарное состояние установится при меньшем значении U. При этом ток утечки будет меньше фототока, а ток во внешней цепи будет равен их разности:

(1.4)

Для тока во внешней цепи должно также соблюдаться следующее соотношение: .

Два последних уравнения совместно дают ток и напряжение фотоэлемента. Исключая одно из неизвестных, можно получить выражение либо для тока, либо для напряжения:

, (1.5)

. (1.6)