ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
Солнечный элемент под освещением
1.4.1. Фотовольтаический эффект вp-n-переходах
На p-n-переходах существует контактная разность потенциалов [14]—[16]. Этот потенциальный барьер обусловлен электрическим полем, которое появляется в результате диффузии основных носителей заряда через p-n - переход. При термодинамическом равновесии положение уровня Ферми во всей системе постоянно и энергетическая схема p-n-перехода отображена на рис. 2.5. В этом случае токи обусловлены свободными носителями заряда, генерируемыми за счет теплового возбуждения, и в равновесии суммарный ток равен 0.
|
Рис. 2.5. Энергетическая схема p-n-перехода и токи носителей заряда при термодинамическом равновесии (а) и освещении (б), (в) Предположим теперь, что на p-n-переход падают фотоны с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны. В результате поглощения фотона возникает электронно-дырочная пара. Под действием внутреннего поля в p-n-переходе созданные светом носители заряда движутся в противоположных направлениях: дырки — в p-область, а электроны — в «-область. Эти перешедшие через p-n-переход носители заряда создадут добавочный ток. Так как перешедшие в p-область избыточные дырки уменьшают отрицательный объемный заряд, то энергетические уровни в p-области снижаются, в результате чего происходит понижение потенциального барьера. |
Следовательно, разделение фотогенерированных носителей электрическим полем в приконтактной области р-«-перехода приводит к возникновению разности потенциалов, приложенной к р-«-переходу в прямом направлении, называемой фотоЭДС. Это эквивалентно приложению напряжения U в прямом направлении к неосвещенному р-«-переходу
Электроны из «-области и дырки из p-области, преодолевая пониженный потенциальный барьер, будут инжектированы в другую область, где они станут неосновными носителями заряда и рекомбинируют. При этом токи, обусловленные инжектированными носителями заряда, направлены из p - в «-область. Стационарное состояние установится тогда, когда число создаваемых светом электронно-дырочных пар сравняется с числом носителей заряда, уходящих через пониженный потенциальный барьер р-«-перехода. Если р-«-переход соединен с внешней цепью, то можно измерить фотоЭДС. Следовательно, освещенный р-«-переход действует как фотоэлемент.
Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую можно условно разбить на четыре стадии: 1) поглощение света; 2) генерация электронно-дырочных пар; 3) разделение носителей заряда р-«-переходом; 4) сбор носителей заряда на электродах.
Эти четыре стадии преобразования солнечной энергии можно выделить в работе практически всех существующих солнечных элементов. Непродуктивная работа любой из этих стадий приводит к понижению эффективности преобразования энергии солнечного элемента в целом.
