В большинстве случаев применение солнечных бата­рей носит пока еще экспериментальный характер, одна­ко уже сейчас четко вырисовываются самые разнообраз­ные области их использования. Основные из них будут рассмотрены в настоящем параграфе.

Весьма перспективно использование солнечны* ба­тарей для питания транзисторных приемников, отличаю­щихся большой экономичностью. Так, например, бата­рея с рабочим напряжением 5 в при токе 20 ма обеспе­чивает энергией радиоприемники «Фестиваль» и «Сол­нечный», а батарея напряжением 7 в, развивающая ток 40 ма, может питать радиоприемник «Кристалл» (рис. 25). Эта же батарея может питать пересчетную схему для счетчика Гейгера и преобразователь для по­дачи па счетчик высокого напряжения-.

Солнечная батарея для питания радиоприемника «Адмирал» (США) состоит из 32 прямоугольных фото­преобразователей типа 120С размерами 20X10 мм, со­единенных последовательно. Батареї дает ток 15 ма
при рабочем напряжении 9 в. Фотопреобразователи ба­тареи помещеньи в герметичную коробку из прозрач­ной пластмассьи, которая заполнена силиконовым мас-

лом. Размеры батареи составляют 150X100X12,5 мм. Батарея смонтирована в общем кожаном футляре. В рабочем положении она может быть вынута и ориен­тирована «а солнце. Такая батарея дает также доста­точную энергию для пита­ния. приемника и при осве­щении ее искусственным све­том. Вынутая из футляра, она соединяется с ‘приемни­ком специальным шнуром. Рис. 26. Схема приемника с од — Приемник содержит шесть ним фотопреобразователем. транзисторов и два гер­маниевых диода. Макси­мальная выходная мощность, его равна 250 мет.

На рис. 26 приведена схема простейшего радио­приемника, питаемая только одним фотопреобразовате­лем ФП. Этот іпрнемник может работать на головной телефон даже при слегка рассеянном искусственном
освещении. При ярком >ке свете й подключении внешней антенны ‘приемник может работать и ‘на небольшой громкоговоритель.

Более мощная батарея, например из 432 преобразо­вателей, устанавливалась в оптимальном положении на опоры воздушной линии связи и использовалась для за­рядки никель-кадмиевы’х аккумуляторов, которые в свою очередь питали переносное телефонное устрой-

ство, собранное ма транзисторах. Батарея в ясные сол­нечные дни обеспечивала аккумуляторы’ анергией, до­статочной для работьи устройства в ночное время и пасмурную погоду.

Весьма интересным применением солнечных батарей является использование их в слуховых аппаратах. В аппарате фирмы Ценис (США) четыре кремниевых фотопреобразователя устанавливались наверху ми­ниатюрного транзисторного слухового аппарата, вмон­тированного в одну из дужек оправы очков. Для рабо­ты’ слухового аппарата была достаточной мощность, которую давала солнечная ‘батаре^ даже в облачный

день. Эта же батарея заряжала маленький никель-кад — миевый аккумулятор (вмонтированный в другую дуж­ку), который обеспечивал питанием слуховой аппарат в случае, если выходная мощность батареи была недо­статочной.

В американской печа­ти сообщалось, что сол­нечная батарея для пита­ния передатчика была смонтирована на солдат­ской каске.

На рис. 27 изображе­ны солнечные часы кон­струкции НИНчаотрома. Солнечная батарея из 10 фотопреобразователей диаметром 30 мм, в соеди­нении с аккумуляторами обеспечивает при рассе­янном свете в комнате круглосуточную работу часов.

Весьма перспективным является использование солнечных батарей для питания а вт ом а тических метеорологических стан­ций. На рис. 28 изобра-

Рис. 28. Автоматическая метео — жена подобная станция,

станция, питающаяся от солнечной Комплект солнечных пре-

батареи, снабженной системой са — образователей снабжен

монаведения. следящим за солнцем

устройством и может обес­печить электроэнергией все метеоприборы и аппаратуру для записи показаний и передачи их на центральную станцию бюро прогнозов.

В настоящее время в ряде стран разработан прото­тип автомобиля с питанием от солнечной батареи, по­мещаемой на крыле машины.

На Выставке достижений народного хозяйства в 1959 г. были представлены солнечные батареи различ­ных мощностей. Например, портативная переносная гелиоэлектростанция мощности около 100 вт была 66

представлена в двух вариантах оформления (рис. 29). В «жестком» ваірианте ‘батарея изготовлена из не­больших дюралюминиевых листов с накленными на них фотоэлементами. В походе секший складываются «гармошкой» и пакуются в чемодан-кожух. Для приве­дения батареи в действие листы «гармошки» развора­чиваются в одну плоскость и крепятся на дюралюми-

ниевой трубке. Крепящее устройство предусматривает возможность установки солнечной батареи под любым углом к горизонту.

«Мягкий» вариант батареи оформлен в виде брезен­тового полотна, на котором укреплены отдельные фото­элементы, заключенные в металлическую оправу и зали­тые специальным прозрачным составом. Металлическая армировка и заливка предохраняют фотоэлементы от

* 67

поломок и повреждений при сворачивании солнечной ба­тареи в рулон. Для приведения солнечной батареи в действие рулон раскатывают и натягивают на раме, состоящей из бамбуковые палок или дюралюминиевых труб. Для установки батареи под нужным углом преду­смотрены раздвигающиеся подпорки

Там же (на выставке) был представлен макет све­тового ‘бакена, солнечная батарея которого обеспечива­ла заряд аккумуляторов для работы в ночное время.

На выставке имелся также макет солнечной гелио­электростанции будущего. Подобные электростанции смогут быть построены лишь тогда, когда кремний, не­обходимый для изготовления сотнечны’Х батарей, будет достаточно дешев. Однако о целесообразных размерах и мощностях таких электростанций пока говорить еще трудно.

При создании солнечной электростанции мощностью 1 ООО кет, работающей с к. п. д. 8% и имеющей буфер­ную батарею аккумуляторов, потребуется площадь пре­образователей около 5—6 га. Создание подобных стан­ций пока еще является трудно выполнимой задачей. Центральные солнечные станции, по-видимому, нецеле­сообразно создавать и благодаря наличию рассеяния (потерь) энергии, в передающей сети. Гораздо экономич­нее, по крайней мере в ‘ближайшем будущем, преобразо­вывать солнечную энергию на месте потребления. По­этому, по мнению ряда авторов, возможно окажется более целесообразным использование солнечной энергии для удовлетворения потребностей в электроэнергии не­больших жилых домов. В этом случае с площади 100 м2 можно получить при к. п. д. 5% 29 квт-ч элек­троэнергии за сутки, что значительно превышает потреб­ность в электроэнергии односемейного дома с учетом применения всех новейших бытовых электроприборов.

Такие малые станции на Юге СССР, особенно в уда­ленных горных и пустынных районах, будут экономич­ными, простыми в эксплуатации и практически вечными.

Весьма эффективным оказалось применение фото­преобразователей для питания радиоаппаратуры искус­ственных спутников Земли. Солнечные батареи, уста­новленные на третьем советском спутнике Земли, бес­перебойно работали в течение всего времени существо — 68 *

вания спутника, обеспечивая электроэнергией передат­чик «Маяк».

Учитывая ‘благоприятные условия для работы сол­нечных батарей за пределами атмосферы: (отсутствие облаков, более высокая, чем на поверхности Земли, мощность солнечного излучения на единицу площади), можно предположить, чго на ближайшие годы солнеч-

ные батареи явятся основным источником энергопита­ния искусственных спутников.

На Всесоюзной промышленной выставке в 1958 г. и Всемирной выставке в Брюсселе в 1959 г. демонстри­ровалась модель будущей межпланетной станции (рис. 30). Модель приводилась в действие солнечной ба­тареей. В этой модели солнечная энергия использова­лась для получения механической энергии воащения двигателя.

За последнее время в печати появилось много работ, посвящевны’Х исследованию действия космического из­лучения и солнечной радиации на работу кремниевых фотоэлементов, ‘находящихся в верхних слоях атмосфе­ры. Авторы этих работ заключают, что кремниевые эле­менты, несмотря «а облучение, ве потеряют заметно своей работоспособности в течение около 100 000 лет.

Поскольку фотопреобразователи являются фотоэле­ментами, они могут также быть использованы. в различ­ных автоматических устройствах, счетных и сортирую­щих машинах, где необходима чувствительность к изме­нению интенсивности света. Так, кремниевые фотоэлемен­ты могут «проследить» прерывание света, происходящее с частотой 50 кгц.

Можно также с уверенностью сказать, что кремние­вые фотопреобразователи найдут широкое применение в фото — и киноаппаратуре. Здесь они могут быть при­способлены в качестве экспонометров с неограниченным сроком службы или являться составной частью устрой­ства, автоматически изменяющего диафрагму аппарата в зависимости от степени освещенности.

Возмижности использования солнечны* батарей в народном хозяйстве далеко ве исчерпаны перечис­ленными примерами. С каждым годом область их при­менения ‘расширяется. Нет сомнения, что в ближайшие годьи солнечные батареи займут прочное место в народ­ном хозяйстве нашей страны.

[1] 1 эв — энергия, которую приобретает электрон под действием ускоряющей разности потенциалов, р^ной 1 в,

Ю

[2] Основными носителями тока являются свободные носители зарядов, знак которых соответствует тину проводимости данного материала, т. е. электроны для области с проводимостью и-типа и дырки для области с проводимостьк? р-типа.

[3] Эта теория разработана советским физиком С. М. Рыбкиным. 20 *

[4] Величина этого тока определяется интенсивностью освещения и его спектральным составом.

[5] Индексом «о» обозначены токи равновесных носителей ‘пр". освещении.

[6] Вывод этого соотнгшения дан в приложении.

[7] Изготовление фотопреобразователей описано в § 14.

24 *

[8] Обычно при таких температурах работает фотопреобразова­тель. ^

[9] Обычно в литературе приводится Выражение для нагрузочной части вольт-амперной характеристики, которая располагается в квад­ранте IV (между полуосями + х и —у). Так как на практике нагрузочную характеристику удобно рассматривать в квадранте I (по і у оси + х и + V). то все формулы и графики в брошюре даны применительно к квадранту I. «

[10] Монохроматическое излучение — излучение с одной длиной волны, т е. такое, все фотоны которого обладают одинаковой энер­гией.

[11] Коэффициент полезного действия лучших лабораторных образцов согласно литературным данным не превышает 13%.

[12] Под удельными параметрами (или удельными характеристи­ками) подразумеваются параметры, приведенные к площади, рав­

ной 1 см2.

[14] Могут быть использованы и другие восстановители, напри­мер водород. *

[15] Эта площадь может быть обеспечена одним большим фото­преобразователем или несколькими параллельно соединенными пре­

62

образователями меньших размеров.*

Мощность, отдаваемая батареей, в значительной сте­пени зависит от метеорологических условий. Графики на рис. 20 характеризуют пяти элементов общей площадью около 10 см2 в условиях различного естественного освеще­ния. Из этого рисунка видно, что зарядный ток, а следовательно, и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижаются. По­ведение той же батареи при длительной работе в естественных услови­ях — иллюстрирует гра­фик на рис. 21, отра­жающий изменение солнечной радиации по временам года.

Падение мощности при ухудшении усло-
вий освещенности происходит главным образом за счет уменьшения отдаваемого батареей тока, так как э. д. с. значительно менее чувствительна к изменению интен­сивности естественной освещенности, нежели ток корот­кого замыкания.

Для оценки целесообразности использования солнеч­ных батарей в различных районах Советского Союза необходимо знание количества ясных и пасмурных дней в данном районе. Таблицы с вероятностями ясной, полуясной и пасмурной погоды. имеются в климатиче­ских справочниках. Ориентировочно мож­но считать, что на Се­вере и в средней поло­се Советского Союза вероятность ясной по­годы составляет 15— 20%, полуясной—>10— 20% и пасмурной — 55—75%. На Юге СССР (в Средней Азии) вероятность яс­ной и полуясной по­годы составляет 80%, а .пасмурной — 20%. Путем расчетов установлено, что в течение года в южных районах нашей страны можно получить с каж­дого квадратного метра площади 1160—1 630 квт-ч электроэнергии.

В табл. 2 указана вероятность ясной и. пасмурной погоды для различных городов СССР, приведенная к интервалам с 22-го числа предыдущего месяца до 21-го числа данного месяца (середина ‘Интервала прихо­дится на 7-е число). Вероятность полуясной погоды мо­жет быть получена как дополнение суммы вероятностей ясной и пасмурной погоды до 100%. Пользуясь табли­цей, можно ориентировочно подсчитать мощность, кото­рую будет отдавать солнечная батарея в различных районах СССР. Названия городов в таблице даны в порядке убывания географических широт.

Режим прихода солнечной энергии на Землю в тече­ние года и суток весьма непостоянен. Так, например, для южных районов нашей страны, расположенные

между 35 и 45° северной широты, продолжительность солнечного дня колеблется ст 8 (зимой) до 16 ч (ле­том).

В начале и конце ясного солнечного дня количество солнечной энергии, падающее на плоскость, располо­женную перпендикулярно направлению на Солнце, не­велико (кривая 1 на рис. 22). Через час. после восхода Солнца оно уже достигает значительной величины. Да­лее, скорость возрастания падающей энергии постепен-

эвергия достигает своего максимального значения (около 900 вт/м2). После полудня количество ‘па­дающей энергии уменьша­ется, и в конце дня она быстро снижается до ну­ля. В полностью ‘пасмур­ные дни может быть ‘ис­пользована только энер­гия диффузионного рас — Часы суток і сеяния (кривая 2 на

рис. ’22).

Для того чтобы на плоскость солнечной ба­тареи падало максималь­ное количество энергии, последняя должна быть все время направлена •перпендикулярно направлению падения солнечных лу­чей, чего можно достичь путем соединения батареи со следящим устройством. Однако следящая система сама будет потреблять некоторую энергию. Кроме того, стои­мость следящей системы относительно высока. Поэтому следящие устройства, очевидно, будут ‘применяться толь­ко совместно с солнечными батареями мощностью не ме­нее 100 вт. В случае отсутствия ориентирующего. устрой­ства необходимо найти оптимально ‘постоянное положе­ние стационарной плоскости.

Стационарные плоскости, на которых следует рас­полагать солнечные батареи, должны быть обращены на юг, но иметь различный угол наклона к вертикали в зависимости от времени года и широты местности. Оптимальные значения угла наклоне стационарной шло —

скости к вертикали для 30—45° северной широты пред­ставлены графиками на рис. 23. Руководствуясь приве­денными трафиками, можно, хотя бы раз в месяц, ме­нять положение рабочей поверхности неориентируемей солнечной батареи, чтобы она находилась в наиболее выгодных условиях освещения солнечными лучами.

Итак, мощность световой энергии, падающей на на­клонную поверхность, в значительной степени зависит от ориентации поверхности относительно стран света и вертикали *.

Для повышения получаемой от солнечных батарей мощности могут быть — использованы различные системы, усиливающие интенсивность падающего на «их света (отражатели, линзы).

Солнечная батарея с металлическим собирающим зеркалом изображена на рис. 24. Элементы солнечной

1 Для Ташкентской станции, например, найдено, что энергия, получаемая одной и той же поверхностью, в зависимости от спосо­ба ориентации пропорциональна следующим коэффициентам: по­верхность, на которую солнечные лучи все время падают перпен­дикулярно,— 100; поверхность, вращающаяся вокруг мировой оси, — 95; поверхность, зафиксированная в оптимальном положе­нии, — 70; горизонтальная поверхность — 5в.

батареи расположены вдоль линии фокуса параболо­цилиндрического отражателя. Однако чрезмерная кон­центрация светового потока без наличия дополнительной системы охлаждения невыгодна, ибо она приводит к значительному перегреву преобразователей, что вле­чет за собой резкое. падение их к. п. д. Напомним, что

солнечные батареи работают эффективно в температур­ном интервале от —65 до +175° С.

Выше отмечалось, что величина оптимального сопро­тивления нагрузки при заданном освещении вполне определенна для данного преобразователя или батареи. Если же нагрузка меняется, а применение буферного аккумулятора или конденсатора по каким-либо причи­нам нежелательно, то в зависимости от предъявляемых требований рабочую точку необходимо выбирать или в области малых токов, или в области малых напряже­ний, т. е. «а участках, где ток или напряжение мало за­висит от изменения нагрузки. Естественно, что к. п. д. батареи при етом снижается.

Неравномерный характер Прихода солнечной энергии йа земную поверхность приводит к необходимости использовать солнечную батарею совместно с буферны­ми аккумуляторам, и, чтобы накапливать излишки энер­гии, получаемые в ясную погоду.

Параметры солнечной батареи для зарядки аккуму­ляторов определяются в зависимости от типа (последних. Число последовательно соединенных фотопреобразова — телеій должно быть таким, чтобы рабочее напряжение, подводимое к аккумуляторам (т. е. с учетом ‘падения напряжения в зарядной цепи), немного превышало их э. д. с., а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуе­мую величину зарядного тока. Обеспечение нужного за­рядного тока обычно достигается или выбором преобра­зователей соответствующей площади, или за счет парал­лельного соединения необходимого числа преобразова­телей.

Расчет параметров солнечной батареи, приемлемой для зарядки аккумуляторной батареи, питающей какое — либо устройство, т. е. солнечной батареи, работающей только в качестве зарядной станции, сводится к сле­дующему.

Возьмем в качестве примера транзисторный прием­ник, потребляющий ток 40 ма при напряжении 9 в. Для питания этого приемника от щелочных аккумуляторов типа НКН, рабочее напряжение одной банки которых равно 1,3 в, потребуется батарея, состоящая из семи банок.

Предположим, что приемник в течение суток бу­дет работать по 5 ч. Тогда за неделю батарея аккумуляторов отдает количество электричества, равное Q = 5 • 40 • 10 3 • 7= 1,4 а-ч

Этот расход должен быть восполнен солнечной бата­реей, параметры которой надлежит определить. При расчете примем, что: 1) в ясную погоду продолжитель­ность солнечного освещения равна 10 ч; 2) плоскость батареи все время перпендикулярна лучам солнца;

3) среднедневная плотность зарядного тока солнечной батареи Ус в ясную погоду составляет 10 ма/см2;

4) в течение недели имеются три ясных дня, когда и производится зарядка батареи.

Напряжение, подводимое при зарядке к каждой бан­ке аккумуляторов типа НКН, должно составлять около 2 в. Поэтому для обепечения зароки батареи потре­бі

буется источник с «напряжением 2×7=14 в. Такое на­пряжение может быть обеспечено солнечной батареей, состоящей из 14:0,4 = 35 последовательно соединенных преобразователей (0,4 в — оптимальное рабочее ‘напря­жение кремниевого преобразователя).

Токовая. площадь батарей, т. е. площадь 5, обуслов­ливающая величину тока солнечной батареи[15], должна быть равна:

о Q 1,4 1,3 ~ | 2

icN4Na Ю-10-[16]-10-3 ‘ СМ~’

где Q — количество электричества, которое необходимо сообщить аккумулятору при зарядке (обычно оно в 1,2 — 1,4 раза превышает количество электричества, которое аккумулятор должен от­дать при разрядке);

ыч — продолжительность ежесуточной зарядки, ч;

— число суток (дней) зарядки.

Теперь легко можно определить все электрические параметры солнечной батареи:

£/хх = 0,5-35= 17,5 е;

1кз = 20-6,1 = 122 ма = 0,122 а;

Лшкс = 0,6-17,5-0,122 = 1,28 вт.

Общая площадь солнечной батареи будет равна:

5о6щ = 6,1-35 = 214 смг 2 дм[17].

Однако если применить простейшие отражатели в виде металлических плоских зеркал, расположенных под оптимальным углом с четырех сторон корпуса ба­тареи, эффективность батареи можно увеличивать в 2 раза и тот же зарядный ток может быть получен при токовой площади, равной примерно 3 см2. При этом общая рабочая площадь батареи сократится до ~ 100 см2.

В случае питания приемника непосредственно от сол­нечной батареи, когда аккумуляторы’ работают в бу — фернюм режиме, параметры: солнечной батареи для при­нятых нами условий останутся ‘неизменными. Это объясняется тем, что при работе в ‘буферном режиме часть ‘энергии солнечны* батарей расходуется на под­зарядку аккумуляторов, а часть—непосредственно на питание приемщика. Но общий баланс электрической энергии в цепи «источник—"Потребитель» (солнечная батарея — приемник) остается неизменным.

При использовании солнечных батарей для зарядки аккумуляторов следует иметь в виду, что при низкой освещенности, когда э. д. с. солнечной ‘батареи падает, возникает опасность разряда аккумуляторов через со­противление батареи. Это нежелательное явление может быть предотвращено путем включения в зарядную цепь диода. Последний должен быть включен в направлении пропускания для зарядного тока и в направлении запи­рания—-для разрядного. Диод следует подбирать низко- омным, чтобы свести к минимуму падение напряжения на нем. По этой причине могут быть использованы лишь плоскостные германиевые ИЛИ кремниевые ДИОДЫ’. Селе­новые выпрямители или точечные диоды для этого не­пригодные

Кремниевые фотоіпреобразователи, так же как н хи­мические источники тока, можно ‘Путем последователь­ного и параллельного включения соединять в батареи.

Величина максимально возможного тока, отдаваемо­го батареей, прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а ее э. д. с. — числу последовательно со­единенных фотопреобразователей. Таким образом, ком­бинируя типы соединений, набирают батарею с требуе-

мьлми параметрами. При этом учитывается, что е. д. с. отдельного элемента не зависит от его «площади и ко­леблется между 0,5—0,55 в (при тем. пературе элемента порядка 20° С), а ток короткого замыкания при прочих равных условиях определяется. площадью прибора и со­ставляет около 20 ма на 1 см2 ‘.при прямом освещении в ясную ЛЄТІНЮЮ солнечную погоду.

Существуют различные (в конструктивном отноше­нии) способы последовательного соединения. Модель, изображенная на рис. 16,а, иллюстрирует соединение, осуществляемое с помощью внешних шин (проводов). Подобным ‘способом соединяют обьично фотопреобразо­ватели круглой формьи. Модель на рис. 16,6 изобра­жает более компактный способ — соединение внахлест, при котором нижний электрод предшествующего эле­мента соединен с верхним электродом последующего. Подобная коммутация легко осуществляется при эле­ментах прямоугольной и шестиугольной форм и позво­ляет более эффективно использовать площадь при сбор­

ке батареи Фотография такой батареи приведена «а рис. 17.

Батарея всегда имеет более низкий. по сравнению с отдельными преобразователями к. п. д. Так, если к. п. д. отдельных элементов достигает 7—10%, то к. п. д. батарей площадью в несколько квадратных де­циметров три тех же условиях обычно не превышает

5— 8%. Это объясняется некоторыми коммутационными потерями и в основном веидентичноетью ‘элементов, что приводит при соединении их в батарею к нарушению

оптимального режима работы каждого элемента и тем самым к ухудшению удельных характеристик, по току и напряжению. В ‘связи с этим величина коэффициента, в формуле для к. п. д. (см. § 11) также будет ниже и примерно равна 0,6.

На Всесоюзной промышленной ‘выставке 1958 г. в Москве экспонировалась багарея, состоящая из 12 кремниевых фогопреобразователей (прямоугольной формьи. Площадь рабочей поверхности отдельных эле­ментов составляла 1,7 см2. Батарея в ясный летний день развивает напряжение 5 в при токе 20 ма. Другая бата­рея состояла из 19 фотопреобразователей шестиуголь­ной фирмы с площадью отдельного ‘ элемента около 3 см2. Эта батарея отдает ток порядка 40 ма при напря­жении на нагрузке 7 в. Элементы обеих батарей собра­ны внахлест.

На рис 18 представлена солнечная батарея, состоя­щая из 144 кремниевых элементов (США). Батарея в яркий солнечный день отдает мощность 5 вт три рабо­чем напряжении 6 в. Другая батарея подобного же типа состоит из 432 элементов круглой формы диаметром около 2,5 см. Она собрана из 48 ‘последовательно со­единенных ячеек. В каждой ячейке находится 9 фото­преобразователей, соединенных параллельно. В усло­виях летнего солнечного освещения такая батарея Дает ток около 0,5 а при напряжении на нагрузке, равном 22 в. Батарея заключена в алюминиевый корпус. Каж­дая ячейка состоит из прозрачной пластмассовой короб­ки, залитой для фокусировки солнечных лучей силико­новым маслом. Покрытие (прозрачным пластиком и за­ливка маслом защищают элементы от ударных воздей­ствий.

Батарея несколько иной конструкции, состоящая из элементов прямоугольной формы, показана на рис. 19.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Исходным ‘материалом для изготовления фотапрео’б- разователей является кремний, обладающий электрон­ной или дырочной проводимостью, с удельным сопротив­лением в среднем около 1 ом см. Такай кремний ‘про­изводится в виде монокристалличеоких слитков ци­линдрической формы.

Креміний не встречается в природе в свободном со­стоянии. Наиболее распространена двуокись кремния, обычно ‘встречающаяся в виде кварцевого песка, а так­же породообразующих материалов (кварца, аметиста и др.) и содержащая до 26% кремния.

Первым этапом получения кремния является полу­чение четыреххлористого кремния ‘Путем взаимодей­ствия хлора со смссью песка и угля при температуре 800° С.

Этому процессу соответствует реакция Si02—J—2С—)—2С1а = SiCl4-j-2CO.

Технический продукт SiCl4 используют для получе­ния чистого кремния. Очистку четыреххлористого крем­ния от посторонних примесей можно производить ие — сколькими способами. Одним из них является метод вос­становления четыреххлористого кремния цинком Zn [14]. Пары SiCl4 и Zn пропускают при температуре 950° С через кварцевый реактор. Восстановленный кремний оседает в реакторе в виде иглообразных кристаллов, чистота которые превышает 99,9%. Основной примесью является углерод.

Получение монокристаллического кремния произво­дится по методу вытягивания из расплава в специаль­ных установках. В тигле, находящемся в атмосфере во­дорода или инертного газа, с помощью токов высокой частоты расплавляется исходное вещество (Si). После выравнивания температуры в соприкосновение с зерка­лом расплава приводится монокрисгаллическая крем­ниевая затравка, которая выдерживается в таком поло­жении несколько минут. Затем ей сообщается медленное (0,2—1 мм/мин) движение от поверхности расплава. Если температурный режим выбран правильно, то на конце затравки, соприкасающемся с расплавом, будет наращиваться кристалл со скоростью, примерно равной скорости вытягивания. Для лучшего выравнивания тем­пературы’ и получения кристаллов удобной для исполь­зования формы’ полезно одновременно с поступательным движением затравки сообщать ей и медленное враща­тельное движение.

Расплавленный кремний, температура плавления ко­торого примерно равна 1 420° С, химически очень акти* вен и разрушает материал тигля, образуя соединения с составляющими его элементами. Значение концентра­ции примесей так велико, что. приходится производить спектральный анализ кварцевьих изделий с целью выбо­ра тиглей с наименьшей — степенью загрязнения. Такие же требования предъявляются и к выбору держателя затравки.

Процесс ‘получения чистого кремния ‘В силу столь вы­соких требований, предъявляемых к аппаратуре и очи­стке сырья, ‘представляет большие трудности и является очень дорогостоящим.

Чтобы получить монокристаллический слиток крем­ния с определенным типом проводимости, в расплав добавляют ‘некоторое количество донорнай (или актеп — торной) примеси, которая при вытягивании монокри­сталла распределяется в нем равномерно и тем самым создает материал с определенным удельным сопротивле­нием. Затем слитки разрезают на тонкие пластинки и тщательно очищают последние от загрязнений, которые остаются на их поверхности после резки.

Чтобы такая кремниевая пластинка могла преобра­зовать энергию света в энергию электрического тока, в ней необходимо на глубине нескольких микрон от по­верхности создать р-п переход. Для того чтобы свести к минимуму потери энергии на р-п-переходе, его необхо­димо создавать в ненарушенной кристаллической струк­туре, т. е. в одном и том же куске материала. Чтобы создать р-/г-переход большой площади и на небольшой глубине от «поверхности, используют метод термической диффузии донорной или акцепторной примеси в крем­ний.

Если, например, мы имеем пластинку из кремния p-типа, то для создания в ней р-я-перехода в поверхно­стный слой. пластинки необходимо внедрить какую-либо донорвую примесь; обычно в силу физических свойств донорных примесей (элементов пятой группы) они в условиях термодиффузии диффундируют в кремний из парообразной фазы. Число внедрившихся атомов донор­най примеси должно превысить число атомов акцептор­ной примеси, имеющейся в исходном материале, так как только в этом случае будет создан поверхностный слой с противоположным знаком проводимости. Сам р-п-шереход при ©том образуется на такой глубине, где концентрация акцепторов исходного материала и кон­центрация внедрившихся доноров становятся одинако­выми. Образовавшийся таким путем слой «-типа доста­точно тонок и почти прозрачен для падающего излуче­ния и, кроме того, имеет достаточно вязкое удельное со­

противление, чтобы обеспечить малые потери при дви­жении носителей тока.

Аналогично можно рассуждать и в случае, когда мы имеем пластинку из кремния n-типа. Только здесь для создания ‘В ней р-я-перехода необходимо внедрять в по­верхностный слой какую-нибудь акцепторную примесь, наїпример бор.

В случае диффузии бора кварцевый контейнер с пла­стинками кремния п-типа помещают в высокотемпера­турную печь, пропуская азот и треххлористый бор. В те­чение процесса диффузии атомы Si, реагируя с трех- хлористым бором, образуют парообразный четыреххло — ристый кремний, который уносится азотом, а атомы бора осаждаются ва поверхности пластинки кремния и диффундируют из твердой фазы в ее кристаллическую решетку.

Процесс создания в кремниевых пластинках р-n-пе­рехода путем внедрения соответствующих примесей является одним из наиболее сложны*, важных и ответ­ственных моментов всего технологического процесса из­готовления кремниевых фотоэлектрических преобразо­вателей.

Чтобьи скорость внедрения примеси в кремний была достаточно большой, процесс диффузии приходится про­водить в условиях очень высоких температур (около 1 300°С). Однако, несмотря на это, скорость проникнове­ния доноров или акцепторов в кремний сравнительно низка. Поэтому для создания р-п-перехода на необходи­мой глубине от поверхности диффузионный прогрев должен быть довольно продолжительным. Весь процесс диф’фузии примеси должен проводиться в идеально чи­стых условиях, чтобьи избежать проникновения в крем­ний нежелательных загрязнений, ухудшающих ‘качество фотопреобразователя.

Следующий этап состоит в снятии диффундированно — го слоя с одной из. поверхностей пластинки с тем, чтобьи обнажить материал исходного типа проводимости. Те­перь на одной и той же пластинке мы имеем слои с разными типами проводимости. Далее, к верхней и нижней поверхностям полупроводника нужно подвести надежные металлические контакты. В качестве контакта на пластинку кремния наносят тем или иным способом слой металла. Обычно нерабочую сторону покрывают 48

Металлическим контактом по всей ее поверхности, а на рабочей стороне контакт осуществляют по-разному в за­висимости от конструкции, размеров и формы элемента.

Последним этапом изготовления является обработка поверхности с целью уменьшения поверхностной реком­бинации и нанесение на фотопреобразователь различ-

ных пленок для уменьшения коэффициента отражения. Для защиты преобразователей от механических повреж­дений, влаги и загрязнений их заключают в защитные корпуса, а рабочую поверхность покрывают специаль­ным лаком.

На рис. 15 приведены! некоторые типы кремниевых фотопреобразователей, выпускаемые отечественной про­мышленностью. Чтобы судить об их размерах, следует иметь в виду, что фото преобразователи на ток 18 ма имеют площадь 1 см2.

Существенное влияние. на работу преобразователя оказывают температура и освещенность. Напряжение холостого хода линейно зависит от температуры в ‘соот­ветствии с формулой

ли*-х = — 0,00288 в/град,

АТ

что отвечает изменению э. д. с. примерно 0,5°/0 на 1°С. Наклон прямых Uxx=f(T) остается неизменным для случаев различной интенсивности освещения.

Ток короткого замыкания слабо зависит от измене­ния температуры: он возрастает на (1,5-г-3)-10~5 а при увеличении температуры на 1°С. Поэтому зависимость выходной мощности от температуры в основном опреде­ляется зависимостью Uxx от температуры.

Вольт-амлерные характеристики солнечного фото­преобразователя для интервала температур от —50 до + 175° С показаны на рис. 12. На этом рисунке ‘пред­ставлены также кривая максимально возможной мощно­сти и нагрузочная прямая.

Зависимость выходной мощности одного из фото- преобразователей от выходного ‘напряжения при осве­щении солнечным светом интенсивностью 1 000 вт/м2 приведена на рис. 13. Как видно из этого рисунка, опти­мальной нагрузкой, обеспечивающей максимальную от­дачу и, следовательно, ‘максимальный к. :п. д., является нагрузка, соответствующая выкодиьму напряжению 0,45 в. При этом элемент отдает 11 мет с каждого квадратного сантиметра.

Следует заметить, что при постоянной освещенности оптимальная нагрузка зависит от «температуры. Так, 4* 43

например, нагрузка, являвшаяся оптимальной при тем­пературе 25° С, уже не является таковой для более высо­ких и более низких температур. Поэтому ;при фиксиро-

А—линия оптимальной на­грузки при 25° С; Б—кривая максимально возможной мощности. Вольт-амперные характери­стики соответствуют темпе­ратурам; / — 175° С; 2—150° С; 3 —125° С; 4 -99° С, 5 — 75° С; 6 — 50° С; 7—25“ С;« — (—2° С,; S —( — 25° С); 10— (— 5Э°С).

ванной нагрузке мощ­ность, выделяющаяся на сопротивлении ;на грузми, уменьшается как при увеличении, так и при уменьшении температуры по срав­нению с точкой, соот­ветствующей опти­мальному сопротивле­нию.

Зависимость величин

и.

солнечного светового потока, падающего на кремниевый фотоэлемент, показана на рис.* 14. Эти данные получены 44

при окружающей температуре 17° С. Из рис. 14 видно, что ток /к з пропорционален интенсивности солнечного света, а напряжение Uxx довольно быстро достигает значения, превышающего 0,5 в и далее мало меняется.

Для нагрузочных характеристик одного и того же фотопреобразователя, снятых при различной интенсивно­сти освещения, максимальная мощность достигается всегда при одном и том же постоянном для данного образца напряжении.

В заключение приведем основные удельные пара­метры[12] изготавливаемых нашей промышленностью крем­ниевых солнечных преобразователей, соответствующие солнечному излучению мощностью 1 квт/м[13]: плотность тока короткого замыкания /к>3~ 20— 25 ма/см2; на­пряжение холостого хода £/хх;=г500— 550 мв напряже­ние на оптимальной нагрузке UonT ^ 350 — 4й0 мв плот­ность тока в оптимальной нагрузке /опт~ 15—20 .на/см2.

В фотоэлектрическом преобразователе падающая на него энергия излучения частично превращается в потен­циальную энергию носителей тока. Эта потенциальная энергия и является той э. д. с. преобразователя, которая вызывает ток при подключении к преобразователю внешней нагрузки. Вследствие несовершенства устрой­ства одновременно с полезным превращением энергии идут процессы, сопровождающиеся бесполезным рас­сеянием энергии в пространство в виде тепла.

В каждом фотоэлектрическом преобразователе имеют место в той или иной мере следующие виды потерь энергии (рис. 8): 1) световые потери и 2) потери энер­гии электронов и дырок при движении их внутри пре­образователя.

Световые потери получаются из-за: 1) отражения падающего излучения от поверхности преобразователя;

2) фотоэлектрически неактивного поглощения фотонов в рабочем веществе преобразователя, т. е. поглощения фотонов без образования в полупроводнике пары элек­трон— дырка; 3) прохождения некоторого количества фотонов до заднего (тыльного) электрода и поглощения в нем.

Потери энергии электронов и дырок при их движе­нии внутри преобразователя происходят за счет следую­щих процессов: 1) рекомбинации созданных светом пар, сопровождающейся передачей энергии решетке; 2) утеч­ки фотоэлектронов и фотодырок через шунтирующее со­противление Rm’, 3) потери энергии фотоэлектронами или фотодырками при их столкновении с атомами ре­шетки (переход в пределах одной и юй же зоны на ни­жележащие уровни); 4) прохождения фотоэлектронов и фотодырок через последовательное сопротивление пре­образователя Rn.

Рекомбинация образованных светом пар и утечка че­рез шунтирующее сопротивление составляют потери по току и определяют, какая часть созданных светом носи­телей доходит до р-л-‘Перехода, создавая ток через со­противление нагрузки.

Потеря энергии фотоэлектронов (или фотодырок) при столкновении с атомами решетки и прохождение их че­рез последовательное сопротивление дают потери по напряжению. Потери по напряжению показывают, какая часть (в среднем) энергии, переданная электрону (дыр­ке) от фотона, теряется бесполезно.

На рис. 8 показано распределение потерь для крем­ниевого фотоэлемента, работающего в оптимальные условиях. Остановимся на каждом из перечисленных выше видов потерь.

Световые потери. Коэффициент отражения кремния достаточно высок и примерно равен 30%. Потери на отражение можно уменьшить, применяя различного рода просветляющие слои, подобные слоям на объекти­вах фотоаппаратов. Это позволяет уменьшить отраже­ние в видимой части спектра до 6—9%.

Часть энергии излучения, падающего на фотопре­образователь, теряется за счет поглощения в теле полу­проводника, не связанного с образованием пар носите­лей тока, т. е. превращается в тепло. Энергия всей длинноволновой (неактивной) части солнечного спектра, соответствующей квантам с энергией, меньшей 1,12 эв, в спектре солнечного излучения составляет 12—20%. С учетом потерь на отражение активной части спектра световые потери составят не менее 26—30% падающей энергии.

Количество энергии, теряемой за счет поглощения в тыльном электроде, определяется толщиной слоя ра­бочего вещества. Обычно до тыльного электрода дохо­дит очень небольшая доля излучения длинноволновой области активной части спектра.

Рекомбинационные потери. Не все неосновные носи­тели тока, созданные светом в толще полупроводни­ка, будут участвовать в образовании тока в нагрузке. Часть из них рекомбинирует с основными носителями

в объеме или на поверхности. Это обстоятельство учиты­вается введением коэффициента а, характеризующего эффективность разделения пар.

Величина а представляет собой отношение экспери­ментально измеренного гока короткого замыкания (т. е. общего числа носителей тока, проходящих во внешнюю цепь) к полному числу носителей тока, генерируемых в единицу времени в полупроводнике.

Эффективность разделения пар зависит от ряда фак^ торов: 1) коэффициента поглощения света в полупро­воднике; 2) соотношения между глубиной залегания р-и-перехода и размером области, в которой происходит образование пар; 3) ширины самого р-п-перехода;

4) длины диффузионного смещения носителей тока ’;

5) скорости поверхностной рекомбинации, зависящей от состояния рабочей поверхности.

Для снижения потерь на рекомбинацию необходимо, чтобы переход отстоял от области, где образуются пары, на расстоянии, меньшем, чем длина диффузионного смещения. Кроме того, еле — °-6 дует свести до минимума 0lf скорость поверхностной ре­комбинации, которая может заметно снизить к. п. д. фо­тоэлемента.

Влияние всех перечис­ленных факторов на вели­чину эффективности разде­ления пар а приводит к то­му, что положение максиму­ма кривой а, а следователь­но, и максимума кривой спектральной чувствитель­ности может у различных

экземпляров одного и того же тина элемента довольно сильно различаться.

На рис. 9 приведена экспериментально снятая зави симость коэффициента а от длины волны К для двух фотопреобразователей, полученных диффузией фосфора в р-кремний, различающихся глубиной залегания р-п-пе­рехода. Максимум а у фотопреобразователя с большей глубиной залегания перехода имеет место при большей длине волны.

Последовательное сопротивление и обусловленная им конструкция фотопреобразователя. Последовательное сопротивление фотопреобразователя Rn является фак-

1 Диффузионной длиной (смещением) L называется среднее расстояние, на которое в отсутствие электрического поля удаляют­ся носители тока от места своего возникновения до места их реком­бинации.

тором, в значительной степени определяющим его каче­ство. В табл. 1 приведена величина относительной макси­мальной мощности, отдаваемой фотопреобразователем, характеристика которого дана на рис 11, имеющим раз­личное сопротивление Яп. Из этой таблицы видно, что такое незначительное по величине сопротивление, как 5 ом, уже снижает отдаваемую мощность по сравнению

Величина последо­вательного сопротивле­ния Яп, а следователь­но, и потери в нем опре­деляют ся удельным со­противлением материа­ла фотопреобразовате­ля и его конструк­цией, а также качест­вом и геометрией кон­такта и всего устрой­ства. Для уменьшения Rn необходимо исполь­зовать материал с ма­лым сопротивлением

На рис. 10 приведе­ны две схемы устрой­ства фотопреобразователей, отражающие эволюцию их конструктивного выполнения.

На рис. 10,а изображена конструкция первых типов фотопреобразователей. Оба электрода здесь расположе­ны снизу. Путь носителей тока от места их разделения 40 «

до электродов относительно велик, что приводит к до­полнительным потерям, так как увеличивается после­довательное сопротивление ‘прибора.

Более выгодной является изображенная на рис. 10,6 конструкция, которая обеспечивает иной путь движения носителей тока. Верхний электрод в этой конструкции нанесен в виде металлической полоски шириной около 1 мм, а нижний електрод занимает площадь тыльной стороны^ преобразователя. Эта конструкция, кроме того, позволяет удобно осуществлять последовательное со­единение фотопреобразователей.

Фотопреобразователи круглой формы (в виде диска) и небольших размеров имеют контакт на рабочей по­верхности в виде узкого канта, нанесенного по краю кремниевого диска.

Найдем порядок величины последовательного сопро­тивления фотопреобразователя со стандартными гео­метрическими размерами: длина элемента 1=2 см; ши­рина d= 1 см толщина 6=0,08 см; глубина n-слоя х= = 4 Ю~4 см.

Среднее уделыюе сопротивление р слоя п-тина, обра­зованного диффузией донорной примеси, обычно состав­ляет тысячные доли ом на сантиметр. Примем р = 2,5 X ХІСГ3 ом-см, а удельное сопротивление исходного р-кремния рисх =2 ом — см. При этих параметрах сопро­тивление п-слоя

^п= Р 2/ЗГ = 2>5- 10 3 2-2.4-10-4 = ^’^ 0М’

а сопротивление исходного материала

D 8 00,08 _ по ^ = РисхйГ=2Т2^0’08 0М-

Из этих элементарных расчетов видно, что при ра­циональной конструкции элемента основная доля сопро­тивления Rn приходится на тонкий легированный по­верхностный слой, который имеет сопротивление поряд­ка единиц ом, в то ‘время как сопротивление исходного кремния составляет сотые доли ома.

Соответствующей технологией можно добиться, что­бы переходное сопротивление кремний—металл было невелико и составляло десятые доли ома на 1 см2, так

4— 2570 41
что полное сопротивление в основном будет определять­ся сопротивлением тонкого диффундированного поверх­ностного слоя. Все это приводит к тому, что на величину последовательного сопротивления фотапреобразоватечя в значительной степени влияют конструкция и располо­жение верхнего электрода. Последний должен быть рас­положен так, чтобы обеспе­чить минимальный путь для носителей тока в тонком диффундированием слое. С этой целью у фото преобра­зователей больших размеров та ірабочую поверхность на­носят дополнительные токо — отводы, соединенные с ос — новиым верхним электродом. Верхний электрод стремятся (расположить таким обра­зом, чтобы, обеспечив наи­более выгодные условия про­текания тока, занять под контакт как можно меньшую рабочую поверхность фото — преобразователя.

Для современных преоб­разователей, сконструиро­ванных по описанному вы­ше принципу, величина Rn приходящаяся на 1 см2 освещаемой поверхности, ко­леблется в пределах I—• 9 ом • см2.

Шунтирующее сопротивление. Rm оказывает на работу преобразователя значительно меньшее влияние, чем Rn. Обычно величина Rm превышает 1 ООО ом. Но даже при /?ш= 100 ом потери тока, обусловленные этим сопротивлением, составляют 1°/0 генерируемого тока и потеря в снимаемой мощности незначительна. Причиной уменьшения величины Rm обычно являются различные

посторонние включения, которые по тем или иным при­чинам остались в процессе производства на поверхности фоточчемечта у мест выхода /?*/г-перехода наружу.

На рис. 11 представлены вольт-амперные характери­стики, построенные для различных значений Rn и Яш. Из этого рисунка видно, что шунтирующее сопротивле­ние, даже столь малое, как 100 ом, слабо сказывается на виде характеристики. Небольшое же последовательное сопротивтение R (порядка несконьких ом) может резко изменить вольт-амперную характеристику в сторону се ухудшения.

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Под к. п. д. г) на практике подразумевается отноше­ние максимальной МОЩНОСТИ Рмакс, которую можно снять с единицы площади преобразователя, к общей мощности солнечного излучения W, падающего перпендикулярно на единицу рабочей поверхности преобразователя, выра­женное в процентах:

Для создания фотоном в полупроводнике пары элек­трон — дырка требуется определенная энергия. В крем­нии, как отмечалось, она составляет 1,12 ;эв, что соот­ветствует длине волны 1,2 мк. Фотоны с большей дли­ной волны (вне инфракрасной области спектра) имеют меньшую энергию и поэтому польостью бесполезны. Фо­тоны с более короткой длиной волны также могут гене­рировать пары электрон — дырка, но, как показывают расчеты, к. п. д. в этом случае уменьшается, так как из­быток энергии фотона над величиной 1,12 эв рассеива­ется в виде тепла. Можно показать, что теоретический к. п. д. кремниевого элемента для солнечного спектра 3* * 35

должен быть приблизительно равен 22—23%. При этом пренебрегают внутренними потерями и полагают, что используются все пары электрон — дырка, образовав­шиеся в материале под действием света. Реальные фото­преобразователи обладают значительно белее низким к. п. д. [11], так как некоторые факторы снижают эту циф­ру. Эти факторы довольно многочисленны, и их можно разделить на две группы. К одной из них можно отнести факторы, обусловливаемые несовершенством приборов, а к другой — зависящие от условий эксплуатации.

Каждый тип фотоэлемента характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применения в той или иной области. К важнейшим характеристикам фотоэле­мента следует отнести его интегральную чувствитель­ность и спектральную характеристику.

Под интегральной чувствительностью фотопреобразо­вателя і понимают величину фототока короткого замы­кания /к. з, который возникает при падении на фотопре­образователь единицы потока лучистой энергии Ф, со­стоящего из волн различной длины и соответствующего по своему спектральному составу излучению вольфрамо­вой лампы, нить которой накалена до температурої 2 840° К:

Очевидно, что і выражается в амперах на ватт. Однако часто величину светового по. тОка для обычного видимого света выражают в люменах.

Указание температуры источника (2 840° К) при определении интегральной чувствительности имеет слё — 3-2570 « 33 дующий смысл. Дело в том, что распределение энергии в спектре излучающего источника зависит от его тем­пературы. В свою очередь различные фотоэлементы (по типу исходного материала или способу изготовления) не в одинаковой мере чувствительны к различным спектральным участкам. Это приводит к тому, что оди­наковые по величине и мощности световые потоки, по­лученные от источников с различными температурами, вызовут в замкнутой цепи фотоелемента различные по величине фототоки.

Не менее важной характеристикой любого фотоэле­мента является его спектральная чувствительность, от­ражающая тот факт, что фотоэлемент неодинаково реа­гирует на излучения с различными длинами волн. Спек­тральная чувствительность характеризует величину фототока, возникшую под действием единицы лучистого потока определенной длины волны, и определяется как отношение фототока короткого замыкания /к. э к падаю­щему на фотопреобразователь потоку монохроматиче­ского излучения [10]Фх :

Знание спектральной чувствительности для какой-ни — будь конкретной длины волны в большинстве случаев бывает недостаточным. Для получения полного пред­ставления о спектральных свойствах фотопреобразова­теля необходимо также знать распределение чувстви­тельности по спектру, т. е. спектральную характеристи­ку, которая отражает характер зависимости величины фототока короткого замыкания от воздействия на него лучистых потоков различных длин волн. Спектральную характеристику фотопреобразователя обычно изобра­жают в виде графика ik =f(K). Максимум спектраль­ной чувствительности кремниевого преобразователя лежит в интервале длин волн 0,7—0,8 мк и довольно близко подходит к максимуму распределения числа фо­тонов как функции длины волны в солнечном спектре.

Спектральная, так же как и интегральная, чувстви­тельность фотопреобразователя измеряется в амперах на ватт или люмен. Если спектральная характеристика из­вестна, это значит, что известны все необходимые для работы оптические данные. Зная распределение спек­тральной чувствительности фотопреобразователя по спектру, можно рассчитать ту величину тока, которая возникнет во внешней цепи при падении нг него лучи­стого потока от любого источника излучения, если изве­стен закон распределения лучистой энергии последнего по спектру.

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА СОЛНЕЧНОГО ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Зависимость между током /н, протекающим через нагрузку, и напряжением на зажимах фотопреобразова­теля U в установившемся режиме согласно уравнению (9) имеет вид:

На рис. 5 приведена кривая, соответствующая этому уравнению (сплошная линия), для кремниевого преобра­зователя со следующими параметрами: /св — 41,5-10_3 а; /ит= Ы°-в а Uxx = 0,55 в.

Рассмотрим участок вольт-амперной характеристики преобразователя, расположенный в квадранте I и соот­ветствующий рабочей области. Этот участок соответ­ствует случаю, когда /ыг-переход ведет себя, как источ­ник тока, а внешняя цепь — как нагрузочное сопротив ление[9]. Разные точки характеристики соответствуют

разным сопротивлениям нагрузки RH. Точка, лежащая на оси напряжения, соответствует разомкнутой внешней цепи (/?н = оо; /н == 0) и дает напряжение холостого

хода Uxx. Точка, лежащая на оси токов (RH = 0), соот — вётствует току короткого замыкания /к . Если освещен­ный преобразователь замкнут на некоторое сопротивле — ниє Ru, то в цепи устанавливается ток /н. величина которого определяется качеством преобразователя, ин­тенсивностью освещения и величиной сопротивления нагрузки.

Мощность Р, выделяющаяся на нагрузке, опреде­ляется произведением 1 U, которому на рис. 5 соот­ветствует площадь заштрихованного прямоугольника. Для одного и того же преобразователя при определенной освещенности величина мощности Р зависит от величины сопротивления нагрузки. Наибольшая мощность выде­ляется на нагрузке при некотором оптимальном ее зна­чении Rom, которое соответствует наибольшему к. п. д. преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение RonT, величина которого зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности прибора. Макси­мальная мощность преобразователя будет тем больше, чем выше ток короткого замыкания 1к и напряжение холостого хода £/х х, а также чем ближе форма нагру­зочной кривой (в рабочей области) приближается к пря­моугольной.

Из уравнения для /н можно определить / и U.

Допустив, что Un = О (RH = 0), получим:

Можно составить эквивалентную схему преобразова­теля, которая будет соответствовать его вольт-амперной характеристике (рис. 6,а).

На этой схеме фотопреобразо^аТель изображен в виде системы, обведенной пунктирной линией. Способность преобразователя создавать под действием света ток / отображена введением в схему генератора постоянного тока, а способность его проводив ток только в одном 28

направлении — введением диода, нечувствительного к воздействию света. Через такой диод проходит обратный ток утечки / , состоящий из потока основных носите­лей заряда через /?-«-переход.

Ток / можно определить из формулы вольт-амперной характеристики р-п-псрехода:

Из схемы на рис. 6,а видно, что

т. е. только часть генерируемых светом носителей тока может проходить через полезную нагрузку; другря часть, равная /у, теряется.

Упрощенная эквивалентная схема идеального фото­преобразователя, изображенная на рис. 6, а, не учиты-
ки отсутствуют, то сопротивление Rm равно сопротивле­нию чистого //-//-перехода в запорном направлении).

Эквивалентная схема реального фотопреобразователя изображена на рис. 6, б.

Сопротивление Rn включено последовательно с со­противлением нагрузки Rn, поэтому часть э. д. с., раз­виваемой фотопреобразователем, будет теряться на нем. Потеря напряжения на Rn будет равна:

Чем больше величина Ru преобразователя, тем больше будет падение напряжения на нем. При фиксиро­ванной величине Rn величина Ш зависит от сопротивле­ния нагрузки RH. Максимальные потери будут в режиме короткого замыкания (А? н = 0), когда

LU = I R.

К. з Ч11

В режиме хотсстого хода (Rn = oo; /н = 0), оче­видно, &U = 0.

Сопротивление Rm включено параллельно цепи Rn — Rn. Поэтому часть тока генерируемого преобразова­телем, будет проходить через Rw, минуя RH и Rn. Та­ким образом, наличие Rui создает потери по току /цt которые будут тем больше, чем меньше величина Rw.

Для вывода аналитического выражения вольт-ампер­ной характеристики реального фотопреобразователя вос­пользуемся соотношением

/св = /у+ /ш + /н>

где /ся — ток, генерируемый преобразователем под дей­ствием света;

Iп — ток внешней цепи;

/ —обратный ток через /7-п-переход;

/щ — ток через шунтирующее //-«-переход сопро­тивление Rm.

Из эквивалентной схемы на рис. 6,6 можно найти:

Vn+r„R„

Подставив эти значения /ш и I в выражение 1и =

= / —1-І, имеем:

св у ИГ

,| UH+IHRn

J «…

Логарифмируя это выражение, найдем: kT

, , /с.-/. «н + ‘Л, ,

1п( —7————- J—R—— И

*н. т ли. т чш

Обычно ветчина кремниевого преобразователя

довольно велика, поэтому токовыми потерями в шунти­рующем сопротивлении можно пренебречь. При этом выражения для 1 и и UH примут следующий вид:

Мощность реального кремниевого преобразователя, которую можно получить на нагрузке, будет равна:

Мощность Я можно выразить также через Ux x и /м следующим образом:

где £ — величина, которую можно назвать коэффициен­том заполнения (этот коэффициент показывает, какую часть мощности, равной произведению ве­личин £/хх и / , составляет мощность, снимае­

мая с фотопреобразовлте ля; у хороших элемен­

тов величина £ может достигать 0,8).

В некоторых случаях для лучшего совпадения с экс­периментальными данными в показатель экспоненты в формуле для обратного тока через /?-п-переход вво-

где величина А характеризует сте-

1

дят множитель —

пень рекомбинации в //-«-переходе и лежит в пределах 1 — 3. После этого множитель q/kT приобретает вид q jAkT, а множитель kTfq — соответ­ственно AkT/q. fЯ. С В частности, для изображенной на рис. 5 кривой А = 2, в чем легко ^мс убедиться, решив уравнение

Uxx = 0.059Л lg 1у^~

ун. т

относительно А и подставив найден­ные экспериментальным путем зна­чения их х, /К 3 и /н т, приведенные на характеристике на рис. 5:

0,55

-2.

0,059 lg

прямой к оси токов характери­зует последовательное сопротивление преобразователя

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики при­мерно от напряжения—100 мв до — (5—10) в также представляет собой прямую «линию. Степень наклона

32

этой прямой к оси напряжений характеризует величину параллельного (шунтнрующего) сопротивления преобра­зователя

ЯШ=1^обр/Д/обр!-

Ввиду того что на световой вольт-амперной характе­ристике (рис. 5, сплошная линия) наклон обратной ветви (квадрант II) практически обнаружить невозможно, так как изменение величины обратного тока определяется микроамперами, для определения Rm снимают темновую обратную характеристику преобразователя (пунктирная линия в квадранте II на рис. 5). Отрезок на оси токов от начала координат до точки пересечения продолжения линейного участка обратной ветви дает в масштабе об­ратных токов величину /н. т.

Нагрузочный участок вольт-амперной характеристики (квадрант I) может быть получен с помошью еше более простой схемы, приведенной на рис. 7,6.

Под действием света атомы полупроводника воз­буждаются и в кристалле как в п-, так и в р-областях возникают дополнительные (избыточные) пары элек­трон— дырка, как это показано сверху на рис. 4,6—г. Образовавшиеся электроны и дырки, участвуя в тепло­вом движении, перемещаются в различных направле­ниях, в том числе и по направлению к р-п-іпереходу.

Благодаря наличию потенциального барьера элек­тронно-дырочный переход будет разделять главным об­разом диффундирующие к нему неосновные избыточные носители тока. В результате такого разделения в п-об­ласти кристалла будут накапливаться избыточные элек­троны, а в р-области — избыточные дырки. Скопление избыточных (разделенных переходом) электронов, в п — области и дырок в p-области фотоіпреобразователя бу­дет приводить к компенсации объемного заряда, сосре­доточенного у р-п-перехода, т. е. к созданию электриче­ского поля, направленного в сторону, противоположную тому полю, которое уже имелось там раньше. Образо­ванное свето’м электрическое поле зарядит левый (осве­щаемый) слой p-типа положительно, а правый слой «-типа — отрицательно. Между п — и p-областями пла­стинки возникнет фото-э. д. с. Концентрация образован­ных светом избыточные носителей тока у р-п-перехода, а следовательно, и величина фото-э. д. с. зависят от ин­тенсивности светового потока и великиньи нагрузочного

а— в темноте токн основных н неосновных носителей через р-л*переход компенсируют друг друга, суммарный ток равен нулю; б— в режиме короткого ввмыкания все возникшие под действием света избыточные неосновные носители тока, котопые за время своего существования успели дойти до /7-п-перехода, проходят через него й. поскольку внешняя цепь замкнута, возмож­на циркуляция тока; б —в режиме, когда внешняя цепь замкнута на сопротивление нагрузки #н, все„.возннкшие под действием света избыточные неосновные носители тока, которые за время своего существования успелн дойти до />-я-перехода, частично израсходованы для снижения потенциального барьера на переходе; вторая их часть участвует в образовании тока через переход н внешнюю нагрузку; <? — в режиме холостого хода все возникшие под действием света избыточные неосновные носители тока, которые за время своего — существования успели дойти до />-л-перехода, затрачены на снижение потенциального барь­ера перехода.

сопротивления RH, включенного во внешнюю цепь фо­топреобразователя.

Если цепь фотопреобразователя разомкнута (/?н —оо), как это показано сверху на рис. 4,г, то все избыточные, разделенные переходом носители тока скапливаются у /;-п-перехода и на максимально возможную величину компенсируют потенциальный барьер на переходе создавая максимальное значение фото-э. д. с., равное напряжению холостого хода Ux х.

Чтобы ‘не усложнять схему, сверху на рис. 4 условно изображены только те носители зарядов, которые со­здают потенциальный барьер, т. е. скопление ‘равновес­ных носителей тока ‘.

Если фотопреобразователь замкнут накоротко (Rn —0), как показано сверху на рис. 4,6, то избыточные, разде­ленные переходом носители тока будут иметь возмож­ность циркулировать через эту короткозамкнутую цепь, создавая максимально возможное значение тока—ток короткого замыкания /к з. При этом у р-дг-перехода ника­кого скопления избыточных зарядов не возникнет. Потен­циальный барьер будет иметь ту же высоту, что и в тем­ноте, и фото-э. д. с. преобразоваталя будет равна нулю.

Если фотопреобразователь замкнут на какое-то конеч­ное сопротивление RH, как показано сверху на рис. 4,в,

то часть разделенных переходом избыточных носителей заряда затратит свою энергию на снижение потенциаль­ного барьера у /;-п-перехода, т. е. на создание напряже­ния U, а оставшаяся часть избыточных носителей

И

создаст ток /н через нагрузку.

Явления, происходящие на р-п-переходе в темноте и при освещении, удобно представлять посредством энер­гетических схем, показанных внизу на рис. 4. Здесь по оси абсцисс отложено расстояние х в глубь фотопреоб­разователя (начало координат соответствует его поверх­ности), а :по оси ординат (в некотором масштабе)—энер­гия, которой обладают носители зарядов (дырки и элек­троны). При этом следует отметить, что росту энергии электронов соответствует направление снизу вверх, а для дырок, наоборот, — сверху вниз, т. е. чем ниже изобра­жена на схеме дырка и ‘чем выше изображен электрон, тем ‘большей энергией они обладают.

На такой энергетической схеме (внизу на рис. 4,а) полупроводниковый материал изображается в виде трех зон: заполненной зоны, или зоны валентных свя­зей, запрещенной зоны шириной Е и зоньи проводимо­сти. Электроны могут перемещаться в полупроводнике (и тем самым создавать электронный ток) только тогда, когда они находятся в зоне проводимости. Находиться в зоне проводимости электроны могут только в возбуж­денном состоянии, оторвавшись от атома донорной при­меси или от атома собственно полупроводника. Дырки могут перемещаться только в заполненной зоне. Созда­ние свободных дырок обусловлено переходом электронов от атомов собственно полупроводника к атомам акцеп­торной примеси или в зону проводимости.

Чтобы не усложнять картины, на приведенных энер­гетических схемах изображены только свободные дырки и электроны. Уровни расположения доноров и акцепто­ров не показаны.

В месте соединения р — и и-областай полупроводника благодаря возникновению потенциального барьера гра­ницы зон претерпевают скачок.

Рассмотрим вопросы, о которых говорилось в данной главе, несколько подробнее, с использованием энерге­тических схем.

В реальном полупроводниковом материале, проводи­мость которого определяется концентрацией донорной или акцепторной примеси, внедренной в его кристалли­ческую решетку, наряду с основными носителями тока всегда присутствует небольшое количество неосновные носителей тока ‘. Концентрация — последних определяется

1 Неосновные носители тока — свободные носители заряда, знак которых противоположен типу проводимости полупроводника (этек — траны — для области p-типа и дырки — для области п-типа).

18 *

свойствами полупроводникового материала и темпера­турой окружающей среды. Чем больше в ‘полупровод­нике концентрация основные носителей тока, тем мень­ше концентрация неосновных носителей тока, и наоборот.

В примесном полупроводнике любого тина проводи­мости между концентрациями свободных электронов «эл и дырок п, т. е. между основными и неосновными носителями, существует связь, выражаемая формулой

где по — концентрация электронов или дырок в соб­ственном полупроводнике, т. е. в полупроводнике, ли­шенном всяких,’примесей.

Если для движения основных носителей через р-п — переход потенциальный барьер на ‘последнем является препятствием (рис. 4,(1, внизу), то для движения неос­новных носителей н обратном направлении он никакого препятствия не представляет (на рисунке движение — неос­новных носителей заряда черезр-и-переход не показано).

Поскольку число неосновных носителей чрезвычайно мало но сравнению с числом основных, этот обратный поток неосновные носителей через переход имеет очень малую величину.

Однако для сохранения условия электрической ней­тральности поток неосновных носителей через переход в обратном направлении должен быть скомпенсирован точно таким же потоком основных носителей того же знака заряда в прямом направлении. Поэтому в темноте высота потенциального барьера UK на р «-переходе автоматически устанавливается такой, при которой по­ток неосновных носителей через переход уравновеши­вается потоком основных носителей, имеющих доста­точно большую энергию, чтобы преодолеть барьер.

На рис. 4,а внизу схематически изображена картина такого равновесного состояния в темноте. В равновесии уровень Ферми [3] в р — и «-областях полупроводника нахо­дится на одной высоте. Для хорошего качества фотопре­образователя необходимо, чтобы величина LfK была по возможности выше.

Для данного ‘полупроводникового материала, харак­теризуемого определенной шириной запрещенной зоны, при прочих равных условиях высота потенциального барьера будет тем выше, чем меньше величина обрат­ного тока неосновных носителей, или, как его еще назьи — вают, обратного тока насыщения. Это и понятно, так как для уравновешивания меньшей величины обратного тока насыщения потребуется и меньшее значение потока основных носителей через переход, а это обстоятельство обеспечивает более высокий потенциальный барьер на p-tt-пєрєходє.

Из ’Сказанного легко видеть, что для обеспечения вы­сокого значения UK необходимо применять для изго­товления фотопреобразователей такой полупроводнико­вый материал, который имел бы малое число неоснов­ных носителей тока в темноте.

Последнее условие выполняется, во-первых, если ма­териал имеет большое число основньих носителей тока как в р-, так и в «-областях, т. е. если материал в силь­ной степени насыщен донорами или акцепторами, и, во — вторых, если. полупроводник имеет более широкую за­прещенную зону.

Именно поэтому кремний имеет преимущество перед германием. У германия благодаря малой ширине запре­щенной зоны число неосновных носителей тока в темно­те значительно больше, чем у кремния. Из тех же сооб­ражений материал, обладающий более широкой запре­щенной зоной, чем у кремния, например кадмий-теллур (Е =1,5 эв) обеспечит еще более высокий потенциаль­ный барьер на р-п-переходе. Однако при применении материалов с относительно широкой запрещенной зоной, например с Е =2—2,5 эв, качество фотопіреобразовате — лей ухудшается (см. рис. 3), несмотря на рост UK. Ухудшение качества обусловлено тем, что примерно по — ловина^из падающих на поверхность полупроводника квантов имеет энергию меньше 2—2,5 эв и не может со­здавать пары электрон—дырка

Рассмотрим более подробно одну из теорий возник­новения фото-э. д. с. на р-п-‘лереходе

Как уже было сказано, в темноте в равновесном со­стоянии потоки основных и неосновных носителей ком­пенсируют друг друга. Поэтому ‘приняв. направление слева направо за положительное, можно написать:

(2)

с-‘:=«• I

или

І+Р+ГР~ГП-П = о,

где /“ — абсошотное значение тока этектронов из /г-об­ласти в /7-область (основные носители);

1~ — абсолютное значение тока этектронов из /7-об­ласти в л-область (неосновные носители);

1+ — абсошотное значение тока дырок из /7-области в я-область (основные носители);

Ґ — абсолютное значение тока дырок из п-области в /7-обтасть (неосновные носители).

На рис. 4,а (внизу) величины! этих токов и их на­правления обозначены стрелками, причем токи ‘электро­нов указаны в зоне проводимости, а токи дырок — в за­полненной зоне. Длина стрелок пропорциональна вели­чине токов.

Для равновесных значений токов в темноте введем обозначения:

Г = Г = Г ; 1

п р темн’

ґ=ґ=г .

п р темн )

Поскольку все ©ти токи в темноте обусловливаются равновесными, а не избыточными носителями, то ток во внешней цепи фотопреобразователя протекать не будет.

Предположим теперь, что /7-область освещена. Под действием энергии поглощенных фотонов в ней начнут возникать пары (электрон—дырка) избыточных неравно­весных носителей тока. Увеличением под действием

света и без того большой концентрации дырок в р-об­ласти можно пренебречь. Поэтому действие освещения практически сведется лишь к увеличению концентрации неосновных носителей, т. е. электронов, в результате чего возрастет электронный ток, идущий из /7-области в n-область. Приращение этого электронного тока, вы­званное освещением, обозначим через /св (рис. 4,6 и в). Другими словами, 1св есть ток, генерируемый преобра­зователем при его освещении, равный эффективному по­току электронов и дырок, созданных светом и неуспев­ших рекомбинировать до подхода к /7-л-переходу и, сле­довательно, разделенных переходом[4].

Возннкновение тока 7св нарушает равновесие. Избы­точный электронный ток неосновных носителей, идущий из /7-области, приводит к частичной компенсации поло­жительного объемного заряда, сосредоточенного у р-п- перехода со стороны «-области, и, таким образом, при­водит к снижению потенциального барьера на ^-/г-пере­ходе (см. рис. 4,е).

Уровни Ферми, которые в обеих областях полупро­водника изображены так, чтобы энергетические расстоя­ния от них до границ зон по-прежнему однозначно опре­деляли тепловую энергию носителей тока, уже не сов­падают в обеих зонах. Разрыв между ними по энергети­ческой шкале равен произведению qU, где q —заряд электрона, a U — разность потенциалов, возникшая в ре­зультате освещения. На рис. 4,е U =UH, где UH — па­дение напряжения на сопротивлении нагрузки RK.

Для определения величины фото-э. д. с. или Uyy (напряженне холостого хода) рассмотрим случай разо­мкнутой цепи (см. рис. 4,г).

Снижение потенциального барьера при освещении при­водит к возрастанию потока основных носителей (элек­тронов из «-зоны В /7-зону и дырок ИЗ /7-ЗОНЫ в /г-зону). Число основных носителей заряда, которые могут прео­долеть сниженный барьер, тем больше, чем ниже высота этого барьера.

По мере снижения высоты потенциального барьера на переходе (когда U возрастает до величины {/ ) заря —

икающее действие фототока, состоящего из разделенных переходом неосновных носителей, все в большей мере компенсируется соответствующим возрастанием тепловых потоков основных носите чей. В стационарном состоянии потоки зарядов через /;-л-переход в обоих направлениях уравновешивают друг друга и, так как внешняя цепь разомкнута, общий ток равен нулю.

Для определения соответствующей этому состоянию фото-э. д. с. можно, учитывая направления токов, на­писать:

/ +/+ 4-Г — /+ — Г =0[5]. (4)

СВ I ро I ро по по ‘ ‘

Поскольку приращение избыточных неосновных носи­телей, вызванное действием освещения, учтено током /св, токи равновесных неосновных носителей при осве­щении остаются равными своим значениям в темноте

/+ =1+ = 1+ )

по п темн * I

^ ро ^р ^темн ’ |

С другой стороны, как уже говорилось, токи основ­ных носителей при освещении в результате сннжения потенциального барьера на /7-п-переходе увеличиваются и становятся равными:

^’х. х [6]

/~ =Ге кТ =Г е кТ

ПО П TQMH

х. х

Р° р темн

где е — основание натуральных логарифмов (е^2,72); q—заряд электрона (1,6-10~19 к);

Т — абсолютная температура; для 0°С Т = 273° К; k — постоянная Больцмана (1,38-10“10 spzjzpad — = 0,86-1СГ4 эв/град).

С учетом соотношений (5) и (6) уравнение (4) приоб­ретает вид:

. ЧУх. х.

/ — (/“ —/+ )е kT — 1) = 0,

св темн течи7 /

(?)

где /нт — алгебраическая сумма дырочного и электрон — ного токов неосновных носителей через /мг-переход в темноте. Под /н т можно также понимать ток, который потечет через /?-л-переход, если к фотопреобразователю подключить электрическую батарею в запорном направ­лении, поэтому ток /нт называют еще обратным током насыщения. В зависимости от того, какая из составляю­щих больше, ток /нт может быть дырочным или элек­тронным.

В частности, у фотоэлектрического преобразователя, изготовленного из кремния л-типа, /г-область, образован­ная термодиффузией акцепторной примеси[7], будет харак­теризоваться большей концентрацией дырок, чем кон­центрация электронов в n-области. Поэтому обратный электронный ток /~м из /7-области в n-область будет значительно меньше, чем обратный дырочный ток /*мн из л-области в /7-область, и можно считать, что

Из уравнения (8) следует, что при постоянном осве­щении Uxx тем больше, чем меньше ток /нт.

На рис. 4,г внизу схематически изображен режим холостого хода. При какой-то определенной интенсив­ности светового потока потенциальный барьер на пере­ходе снижен на максимальную величину, а между р- и л-областями существует разность потенциалов Ux, кото­рую можно измерить, подключив к контактам освещен­ного фотопреобразователя высокоомный вольтметр. Так как внешняя цепь разомкнута, ток в ней равен нулю.

Поток через /7-н-переход неосновных носителей тока, возникших под действием света, скомпенсирован потоком основных носителей, как это следует из формулы (7).

Если фотоэлектрический преобразователь замкнут на внешнее сопротивление RH (см. рис. 4,6, внизу), то в правую часть уравнения (7) следует вписать ток /н, те­кущий через это сопротивление. При этом напряжение на фотопреобразователе снизится и станет равным UH Поэтому

н.

ekT- ) = /„, (9)

или

где через /у обозначен ток утечки, состоящий из пото­ка основных носителей через /7-я-переход.

Напряжение на нагрузке теперь будет

kT

Коэффициент — д ля температуры, б низкой к ком­натной[8], т. е. 20—30°С, равен 0,025—0,026 в, и, прене­брегая единицей в скобках под знаком логарифма (так как /нт очень мало), можно написать следующее при­ближенное выражение:

Un ~ 0,026 In | ‘c-j—Г" j = 0,059 Ig ^ ‘св~ /н у (12)

Аналогично для тех же условий можно написать:

QQf /

“-1)- <13>

Выражения (9) и (II) являются общими уравнениями нагрузочной характеристики фотопреобразователя.

Наконец, на рис. 4,6 схематически представлен режим короткого замыкания. Никакой разности потенциалов между п — и ^-областями при этом не возникает. Все воз­никшие под действием света избыточные неосновные носители тока, которые дошли до /7-п-перехода, разде­ляются им, превращаясь в избыточные основные носи­тели. Равновесие избыточных носителей достигается за счет протекания во внешней цепи тока короткого замы­кания /к з.