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

Рис. 8. Схема распределения потерь энергии в кремниевом фотопреобразователе.

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.

U.5 С. Є 0,7 as 0,9 t,0 /.ІМК

Рис. 9. Зависимость коэффи­циента а от ДЛИНЫ волны для двух фотопреобразователей с разной глубиной залегания р-п-перехода, полученных диф­фузией фосфора в кремний р-типа. / — глубина перехода 9 мк; 2—глу­бина перехода 15 мк.

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

Рис. 10. Схема движения носителей в фотопреобразователях (сплошными стрелками показано направление дви­жения носителей тока в л-слое, пунк­тирными — в р-слое). а — первоначальная конструкция; б — современная конструкция, /-п-кремний: 2—р-п-переход; 3—р-крем­ний: 4 — верхний токоотвод {токоотвод от «-слоя); 5 — нижннй токоотвод {токоотвод от /9-СЛОЯ).

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.

Рис. 11. Теоретические вольт — амперные характеристики пре­образователей с различными по­следовательными и параллель­ными сопротивлениями (/ =

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.