1.2. Принцип действия солнечного элемента, внутренний фотоэффект

Проводимость полупроводников с большой степени зависит от внешних факторов, главным образом, от температуры и от облучения квантами света. Дополнительная проводимость в полупроводниках, возникающая под действием света, называется фотопроводимостью или внутренним фотоэффектом.

Существует три пути увеличения концентрации носителей под действием света:

1) в собственном проводнике кванты света вырывают электроны из валентной (заполненной) зоны и забрасывают их в зону проводимости, при этом одновременно образуется равное число дырок в валентной зоне. Для осуществления этого процесса необход имо, чтобы энергия квантов была больше ширины запрещённой зоны, т.е. (рис. 1.а);

Рис. 1.а

2 ) в примесном полупроводнике n-типа (электронном) электроны забрасываются с донорных уровней в зону проводимости, и увеличивается электронная проводимость. Для этого необходимо, чтобы энергия квантов была больше энергии ионизации донорной примеси, т.е. (Рис. 1.б);

Рис. 1.б

3 ) в полупроводнике p-типа (дырочном) электроны вырываются из валентной зоны и забрасываются на акцепторные уровни, при этом возрастает дырочная проводимость. В этом случае необходимо, чтобы энергия квантов была больше энергии ионизации акцепторной примеси, т.е.            (Рис. 1.в).

Рис. 1.в

При освещении находящегося под напряжением полупроводника, в нём протекает световой ток I.

Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-n-переходом. Структура ячейки представлена на рис. 2.

При освещении кремния из-за поглощения квантов света в p-n-переходе и в областях полупроводника, прилегающих к р-n-переходу, происходит генерация электронно-дырочных пар новых неравновесных носителей заряда. Возникающие при этом дырки в n-области и электроны в р-области являются неосновными носителями заряда, для которых поле контактной разности потенциалов является ускоряющим.

Под действием ускоряющего поля контактной разности потенциалов неосновные носители заряда (электроны и дырки) начинают двигаться в противоположных направлениях и концентрироваться по обе стороны р-n-перехода. Основные носители заряда, для которых поле контактной разности потенциалов является тормозящим, остаются в объёме той области полупроводника, в которой они образовались.

Положительный контакт

Рис. 2. Устройство кремниевого солнечного элемента с p-n-переходом.

В результате накопления электронов в n-области и дырок в p-области между этими двумя областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.

1.3. Основные физические процессы, происходящие в солнечном элементе.

Энергетическая диаграмма р-n-перехода представлена на рис. 3.3. При попадании света на фотоэлемент возможны следующие виды фотоактивного поглощения:

1. Электрон переходит из валентной зоны на уровень ионизированного акцептора E_а, при этом в валентной зоне появляется дырка. Она суть основной носитель в p-области и она не может преодолеть потенциальный барьер. Поэтому дырка останется в

p-области и не создаёт обратного тока. Электрон на акцепторном уровне не может перемещаться и также не даёт вклада в фототок.

2. Электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, возникают два носителя – дырка в валентной зоне и электрон в зоне проводимости. Дырка в валентной зоне p-области является основным носителем и не участвует в образовании обратного тока из-за потенциального барьера. Электрон в зоне проводимости p-области является неосновным носителем, для него не существует барьера, поэтому он двигается к p-n-переходу и скатывается с него, создавая обратный ток.

3 . Если электронно-дырочная пара возникла в p-n-переходе, то поле объёмного заряда растаскивает их в разные стороны – дырки в p-область, электроны в n-область.

Т

Рис. 3. Энергетическая диаграмма p-n перехода, E_F – уровень Ферми, E_d – энергетический уровень донора, E_a – энергетический уровень акцептора.

аким образом, второй и третий процессы приводят к накоплению дырок в p-области и, аналогично, электронов в n-области, что создаёт дополнительную разность потенциалов.

Накопление неравновесных носителей заряда в соответствующих областях не может продолжаться бесконечно, так как разделённые электроны и дырки продолжают притягиваться друг к другу (обратный ток). Они создают электрическое поле, которое понижает высоту потенциального барьера между n- и p-областями на величину возникающей фото-ЭДС. Это понижение барьера уменьшает величину разделяющего поля в p-n-переходе и аналогично прямому включению p-n-перехода.