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

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика солнечного преобразователя. Сплошная кривая —световая характеристика; пунктирная кривая — темновая характеристика (в квадранте— II обратная ветвь, в квадранте IV — прямая ветвь).

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 I н = 0 (RK = оо) и решив уравнение относительно UK, получим:

и =и н х. х

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.

Рис. 6. Эквивалентные схемы фотопреобразователей. а — идеальный фотопреобразователь; б —реальный фотопреобразователь.

а) 6)

вает сопротивлений, имеющихся в реальном приборе. Эти сопротивления могут быть двух видов: 1) последо­вательное сопротивление фотопреобразователя /?п, куда входит сопротивление контактов (главным образом пере­ходное сопротивление полупроводник — металл), и со­противление самого полупроводникового материала, из которого изготовлен фотопреобразователь; 2) парал­лельное или шунтирующее сопротивление фотопреобразо. вателя RIU, которое образуется за счет наличия обрат, ного сопротивления р-п-перехода и различных прово­дящих пленок или загрязнений, шунтирующих р — и n-области преобразователя (если зті^загрязнения и плен-

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

(Vu+’uR,,)

kT

,| UH+IHRn

J «…

Логарифмируя это выражение, найдем: kT

, , /с.-/. «н + ‘Л, ,

и„=-

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:

, <і/и+/„*„)

Ы’

1

U

In

— / —7 ґ<

kT q

H. T /

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

!‘Т. /7СВ-7Н Лі. Т

P = I U ~1 Н Н II

-/.А

+ 1

ІП

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 —

0,059 lg

Рис. 7. Схемы для сня­тия вольт-амперной ха­рактеристики фотопре­образователя. а—для снятия полной световой или темповой характеристики; б — для снятия нагрузочного уча­стка характернегики. ФИ — фотон реобра зова — тел’>; МС—магазин сопро­тивлений (типа КМС-6); ДС — добавочное сопро­тивление (0 —10 Мом),

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:

и.

0,55

41,5-10~3 МО-6

-2.

вольт-амперные характеристики, изображенные на рис. 5, легко полу­чить с помощью схемы, показанной на рис. 7,о. Последняя ничем не отличается от схемы для снятия характеристик диодов и поэтому не требует дополнительного описа­ния. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики (квадранты I и IV), начиная примерно от напряжения -[-400 мв, представляет собой прямую. Величина наклона этой

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.