Оптические излучения различных длин волн проникают на разную глубину (поскольку эта величина существенно зависит от энергии квантов) и создают свое пространственное распределение рожден­ных светом пар электрон—дырка (см. рис. 1.1, 1.2). Дальнейшая судьба рожденных пар зависит от их диффузионной длины в дан­ном полупроводниковом материале. Если она достаточно велика, то созданные светом избыточные неосновные носители заряда успеют (даже без участия тянущего электростатического поля) только за счет процесса диффузии дойти до области р—тг-перехода и будут разделены его полем. Решающую роль в эффективности этой стадии преобразования оптического излучения внутри полупроводника играет соотношение между диффузионной длиной L и расстоянием от р—w-перехода Z, на котором создаются светом пары электрон — дырка.

Рассмотрим два крайних случая расположения р—/г-перехода в полупроводниковом кристалле по отношению к направлению паде­ния оптического излучения: перпендикулярно (рис. 1.15, а) и па­раллельно (рис. 1.15,6). Условимся, что в первом случае свет про­никает на всю глубину кристалла и Z равно толщине полупровод­никовой пластинки, а во втором — освещается вся поверхность пла­стинки шириной d.

Очевидно, что эффективность собирания для перпендикулярного и параллельного расположений р—/г-перехода определяется соответ­ственно соотношениями

1=(Ln+Lp)ll и 7=(L„+Lp)/d.

На первый взгляд параллельное расположение кажется более предпочтительным, ибо для полного собирания и разделения носи­телей наиболее существенным является распределение пар носите­лей в направлении, перпендикулярном р—/г-переходу: равномерная генерация носителей по глубине кристалла создает благоприятные условия для их диффузии к р—/г-переходу и последующего про­странственного разделения. Разработанные на основе такого рас­положения р—/г-перехода по отношению к свету многопереходные матричные солнечные элементы, состоящие из большого числа мик­роэлементов, плоскости которых параллельны по отношению к па­дающему солнечному излучению (или расположены под небольшим углом к нему) действительно обладают высокой эффективностью собирания носителей в длинноволновой области спектра и позволя­ют получить значительную фото-ЭДС с единицы освещаемой по­верхности [64, 65]. Однако расчетным и экспериментальным путем было установлено, что из-за весьма небольших размеров микроэле­ментов рекомбинация созданных светом пар на освещаемой поверх­ности играет при параллельном расположении р—/г-перехода отно­сительно падающего излучения значительно большую роль, чем при

перпендикулярном. Вследствие этого для увеличения эффективно­сти собирания в коротковолновой области спектра необходимо со­здать на обращенной к свету поверхности дополнительный слой, легированный примесью противоположного типа проводимости, т. е. использовать частично структуру с перпендикулярным расположе­нием р—тг-перехода [66].

Если при параллельном расположении концентрация созданных светом пар М убывает от поверхности в глубь полупроводника как в п-, так и в p-области, то при перпендикулярном расположении это характерно лишь для обращенной к свету области кристалла, например тг-области, в то время как в p-области наибольшее коли­чество пар образуется у р-п-перехода. Концентрация пар на глуби­не I подчиняется соотношению, полученному в результате диффе­ренцирования выражения (1.3):

M=N0a exp (—аI),

где No—’число квантов, падающих на единицу поверхности полу­проводника. Концентрация пар, уменьшающаяся в глубину полу­проводника, может быть подсчитана для области поглощения полу­проводникового материала с помощью зависимости а(Е) (см. рис. 1.1). Результаты таких расчетов для кремния, выполненных при нескольких значениях длины волны, показаны на рис. 1.16 15]. Вертикальные линии, ограничивающие области, определяемые диффузионной длиной носителей в материале п — и p-типа, позволя­ют наглядно оценить процесс собирания носителей заряда при пер­пендикулярном расположении р-п-перехода относительно падаю­щего излучения (см. рис. 1.15,а).

Ординаты точек на построенных кривых пропорциональны аехр (—а/), абсциссы — расстоянию в глубь полупроводника от осве­щаемой поверхности, площадь между осями и каждой из кривых — потоку падающих квантов, а площадь, ограниченная кривой и орди­натами, соответствующими 1=1Л+Ьп и 1=1Л—ЬР (заштрихованная часть),—току короткого замыкания кремниевой пластинки с р—га — переходом.

Таким образом, отношение заштрихованной площади к общей площади под кривой дает возможность в соответствии с соотноше­нием (1.13) определить эффективность собирания f (при условии, конечно, что квантовый выход фотоионизации |}=1).

Планарная конструкция солнечных элементов, изображенная на рис. 1.15, а, стала основной и получила наибольшее распростране­ние. Такие солнечные элементы были созданы из самых разнооб­разных материалов, причем направления оптимизации этой конст­рукции можно легко определить, анализируя результаты расчетов, аналогичные выполненным для кремния и представленным в графи­ческой форме на рис. 1.16.

Очевидно, что для повышения | и /кз необходимо увеличивать диффузионную длину неосновных носителей заряда по обе стороны

-у——■’ 1 1 ..

Рис, 1.16. Распределение числа созданных опти­ческим излучением пар электрон—дырка по глу­бине кремния при паде­нии излучения разной длины волны перпенди­кулярно плоскости р— п-перехода

2 — 0,619 мкм,

а = 2000 см-1,

2 — 0,81 мкм, а = 700 см-1;

3 — 0,92 мкм, а = 90 см-1

р—w-перехода (Ln и Lp), что может быть достигнуто выбором соот­ветствующих исходных материалов и сохранением высоких значе­ний L в процессе изготовления р—п-перехода. При невозможности увеличить L в области полупроводника, примыкающей к освещае­мой поверхности {Lp на рис. 1.15), необходимо приблизить р—п — переход к освещаемой поверхности, чтобы удовлетворялось соотно­шение Lp>ln, где 1Л — глубина р—тг-перехода, и все созданные све­том носители заряда могли быть собраны и разделены полем р—п — перехода. Современные технологические методы обеспечивают малую глубину р—и-перехода [5, 13, 21].

Подобное же условие следует выполнять и для базовой области солнечного элемента (расположенной за р—^-переходом). Толщина

солнечного элемента, определяемая в основном базовой областью, не должна быть меньше глубины проникновения в полупроводник излучения длинноволновой части фотоактивной области спектра (энергия квантов Av>£g), а диффузионная длина неосновных но­сителей заряда в базовой области должна соответствовать толщине элемента и глубине проникновения света.