Полупроводниковый, например кремниевый, солнечный элемент наи­более распространенной конструкции представляет собой систему из двух полупроводниковых слоев с проводимостями р — и /г-типа, находящихся в тесном контакте друг с другом. Переходная зона (граница) между областями с противоположными типами проводи­мости располагается внутри полупроводникового материала и на­зывается электронно-дырочным или р—н-переходом (ранее чаще именовавшаяся запорным слоем).

В состоянии равновесия уровень Ферми во всем материале дол­жен быть одинаковым [9—11]. Это условие обеспечивается двойным заряженным слоем в области р—п-перехода, получившим название слоя объемного заряда, и сопровождающим его электростатическим потенциалом (рис. 1.14). Высота потенциального барьера равна раз­ности положений дна зон проводимости материалов п — и р-типов. Следует отметить, что положение уровня Ферми и, следовательно, высота барьера зависят от температуры и концентрации примесей в полупроводниковом материале по обе стороны р—п-перехода, что, с одной стороны, открывает широкие возможности по направленно­му изменению свойств р—п-переходов, а с другой — определяет до­статочно сильную температурную зависимость его оптических и фо­тоэлектрических характеристик [5, 6].

Оптическое излучение, падающее на поверхность полупроводни­ковой структуры с р—тг-переходом, создает (в основном вблизи по­верхности) пары электрон—дырка, причем концентрация пар по­степенно спадает от поверхности в глубь полупроводника по направ­лению к р—п-переходу. В том случае, когда расстояние от поверх­ности до р—н-перехода меньше глубины проникновения света 1/а, пары электрон—дырка создаются и за р—п-переходом. Если переход отстоит от места возникновения пар на расстоянии, меньшем диф­фузионной длины, то они вследствие диффузии подойдут к р—п — переходу и разделятся под действием его поля. Электроны перейдут в электронную, а дырки—в дырочную часть перехода. На внешних металлических электродах, соединенных с р — и n-областями полу­проводника, появится разность потенциалов, которая вызовет ток через нагрузочное сопротивление [12—16].

Диффундирующие к р—п-переходу неосновные избыточные но­сители тока будут разделяться благодаря наличию потенциального барьера. Скопление избыточных (разделенных переходом) электро­нов в п-области и дырок в p-области фотопреобразователя приводит к компенсации объемного заряда, Сосредоточенного у р—тг-перехода, т. е. к созданию электрического поля, противоположного по направ­лению к существующему.

Таким образом, одновременно с появлением разности потенциа­лов на внешних электродах вследствие освещения происходит из­менение и потенциального барьера, существовавшего в неосвещен-

Рис. 1.14. Структура энергетических зон полупро­водника в области неосвещенного р_—гс-перехода (а) и распределение электростатического потенциа­ла (б)

21 — ширина области объемного заряда запорного слоя; Ue — равновесный электростатический потенциал на границе п — и p-областей; Eg — ширина запрещенной воны; штриховая линия — равновесное положение уровня Ферми

ном р—и-переходе. Возникающая фото-ЭДС & уменьшает этот барьер, что в свою очередь

приведет к возникновению встречных пото­ков (дополнительно к существовавшим в

равновесии) электронов из электронной и дырок из дырочной частей. Эти потоки практически равноценны току в прямом направлении, возникающему под действием приложенного к р—п-переходу элект­рического напряжения. Таким образом, с момента начала освещения ро мере накопления избыточной (по сравнению с равновесной) кон­центрации электронов в электронной части р—тг-перехода и дырок в дырочной происходит уменьшение высоты барьера, или электро­статического потенциала UE (см. рис. 1.14), что вызывает увеличе­ние тока во внешней нагрузке и возрастание плотности встречных потоков электронов и дырок через р—н-переход. Когда число созда­ваемых светом избыточных пар сравняется с числом пар, уходящих через р—п-переход или во внешнюю нагрузку, установится стацио­нарное состояние. Как правило, это происходит через тысячные до­ли секунды после начала освещения [17, 18].