Общие представления о принципах устройства, работы, диодных и выходных параметрах монокристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей

3. Общие представления о принципах устройства, работы, диодных и выходных параметрах монокристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Итогом практически 40 – летней эволюции конструкции и технологии производства монокристаллических кремниевых ФЭП, продолжавшейся с начала 60-х годов до конца 90-х годов прошлого века, можно считать создание совершенной «стандартной» конструкции ФЭП, вертикальное сечение которой изображено на рисунке 3.1. Основной объем фотоэлектрически активного слабо легированного полупроводникового материала ФЭП имеет p-тип проводимости (концентрация атомов акцепторной примеси 10¹⁶-10¹⁷ см^-3). Толщина базовой области составляет более 200 мкм, что обеспечивает поглощение не менее 90% фотонов с энергией больше ширины запрещенной зоны, поступающих в ее обьем. Со стороны освещаемой (фронтальной) поверхности ФЭП образован n⁺-p гомопереход. Освещаемую полупроводниковую область n⁺-типа делают очень тонкой (менее 1 мкм) и сильно легируют (максимальная концентрация атомов примеси 10²⁰-10²¹ см^-3). Помимо полупроводниковой основы с n⁺-p гомопереходом такой ФЭП содержит 2 металлических электрода: фронтальный токосъемный гребенчатый или сетчатый электрод и тыльный сплошной токосъемный электрод, а также просветляющее покрытие (снижающее потери солнечной энергии на отражении) и p-p⁺ изотипный переход. В ФЭП для космического использования все указанные выше элементы конструкции, лежащие над тыльным электродом, защищены оптическим боросиликатным стеклом, содержащим 2 % СеО₂, которое существенно ослабляет проникновение в объем ФЭП высокоэнергетичных частиц из радиационных поясов Земли и обладает устойчивостью к помутнению под влиянием ультрафиолетовой компоненты солнечного спектра.

В основе работы ФЭП лежит явление внутреннего фотоэффекта. Фотоэффект возникает при переходе электрона в зону проводимости под воздействием кванта света, энергия которого больше ширины запрещенной зоны Eg. В валентной зоне, после потери электрона, образуется дырка. Минимальное значение ширины запрещенной зоны в кристалле кремния составляет 1,12 эВ. Под воздействием кванта света с энергией E ≥ 1,12 эВ переход электрона возможен только в случае поглощения фонона (кванта колебания решетки), что обеспечивает сохранения закона импульса. Такой переход с поглощением фонона называется непрямым. При поглощении кванта с энергией E ≥ 2,6 эВ происходит прямой переход, без участия фонона [12].

Преобразование солнечной энергии в ФЭП происходит следующим образом. Поглощение фотонов с энергией больше ширины запрещенной зоны вызывает генерацию неравновесных электрон-дырочных пар. Эти генерированные избыточные носители диффундируют в направлении p-n перехода; в то же время имеет место потеря таких носителей заряда в результате поверхностной или объемной рекомбинации. Процесс объемной рекомбинации характеризуется временем жизни избыточных носителей в соответствующем материале. Избыточные неосновные носители могут диффундировать в область пространственного заряда (ОПЗ) и, проходя через переход, создавать фототок (I_ф), который существует до тех пор пока полупроводниковая структура облучается светом. Возникновение I_ф приводит к накоплению избыточных носителей заряда противоположного знака на электродах ФЭП, в связи с чем при подключении ФЭП к внешней резистивной нагрузке электроны начнут перетекать с отрицательно поляризованного электрода через нагрузку к положительно поляризованному электроду, то есть во внешней цепи начинает протекать ток, именуемый как ток нагрузки I_н. При этом на сопротивлении нагрузки R_н возникает падение напряжения U_н=I_н∙R_ни выделяется мощность P_н=I_н∙U_н.

Согласно [11], ток нагрузки можно выразить следующим образом:

I_н= I_ф – I_д – I_ш(3.1)

где I_д– диодный ток;

I_ш– ток шунта.

При протекании фототока через сопротивление нагрузки на токосъемных электродах возникает потенциал, который воздействует на n-p переход в прямом направлении, вследствие чего через n-p переход течет диодный ток, рассчитываемый по формуле:

                                                              (3.2)

где U_д – падение напряжения на диоде;

I0 – диодный ток насыщения;

A – коэффициент идеальности диода;

k – постоянная Больцмана, равная 1,38∙10-23 Дж/К;

e – заряд электрона, равный 1,6∙10-19 Кл;

T – температура ФЭП.

Как видно из 1.1, негативное влияние кроме диодного тока оказывает ток шунта, отражающий возможные поверхностные и объемные утечки тока по сопротивлению, параллельному p-n переходу.

Используя однодиодную модель ФЭП (рис. 3.2) и выражение (3.1) и (3.2), получаем:

                                    (3.3)

где Rn– последовательное сопротивление ФЭП при освещении;

Rш– шунтирующее сопротивление ФЭП при освещении;

Uн – падение напряжения на нагрузке.

Зависимость тока нагрузки Iн, протекающего через сопротивление внешней нагрузки Rн, подключенной к клеммам освещаемого ФЭП, от падения напряжения Uн на этом сопротивлении при монотонном изменении величины Rн от нуля до бесконечности называется нагрузочной световой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) фотопреобразователя. График ВАХ показан на рисунке 3.3. Из экспериментальной зависимости Iн = f (Uн) могут быть определены выходные параметры ФЭП: напряжение холостого хода UХХ, ток короткого замыкания IКЗ, фактор заполнения FF нагрузочной световой ВАХ, максимальная электрическая мощность Pнм, выделяемая в нагрузке, и коэффициент полезного действия (КПД).

В режиме короткого замыкания Iн = Iкз и выражение (3.3) приобретает вид 

                                                                (3.4)

Преобразовав (1.1), получаем напряжение холостого хода: 

                (3.5)

Согласно результатам теоретических исследований [13], полная мощность, вырабатываемая ФЭП, равна:

                                                                                     (3.6)

На рисунке 3.4 изображена зависимость Pн=IнUн, выделяющейся в сопротивлении нагрузки, от Iн, по которой определяется максимальная мощность Pнм, отдаваемая ФЭП в нагрузку. Фактор заполнения позволяет определить какая часть полной мощности ФЭП отдается в нагрузку:

                                                                                        (3.7)

Коэффициент полезного действия (КПД) является основным выходным параметром ФЭП, по которому судят об эффективности работы ФЭП. КПД рассчитывается по формуле:

                                                                                       (3.8)

где: Р_нм – максимальная электрическая мощность, выделяемая в нагрузке;

P_и – полная мощность солнечного излучения, падающего на фотоприемную поверхность ФЭП.

Учитывая (3.6) и (3.7) КПД фтопреобразователя рассчитывается следующим образом:

                                                            (3.9)

где P^*_и – удельная мощность излучения, поступающего на фронтальную поверхность ФЭП;

S – площадь фронтальной поверхности ФЭП.

Таким образом, анализируя зависимость выходных параметров I_кз , U_xx и FF от I_ф и диодных параметров I₀ , R_п и R_ш , можно установить степень влияния каждого из указанных параметров на КПД. Как видно из соотношений (3.4), (3.5), (3.7), (3.9):

I_КЗ ↑ при I_Ф ↑, I₀ ↓, R_п ↓

U_ХХ ↑ при I_Ф ↑, I₀ ↓, R_ш ↑

FF ↑ при I_Ф ↑, I₀ ↓, R_п ↓, R_ш ↑

и следовательно:

η ↑ при I_Ф ↑, I₀ ↓, R_п ↓, R_ш ↑                                             (3.10)

Поскольку фототок и диодные параметры зависят от особенностей конструктивно-технологического решения (КТР) ФЭП, то результаты такого анализа используют для корректировки реализуемого при изготовлении ФЭП КТР.