ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВОМ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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

ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВОМ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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.

ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВОМ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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

ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВОМ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВОМ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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.

ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВОМ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *