Цель работы: получить зависимость характеристик солнечных батарей от освещенности; оценить эффективность преобразования солнечного света в электрический ток.
Общие сведения
Фотоэлемент является источником электропитания, который генерирует электрическое напряжение за счет поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечной ячейкой.
Рис. 1. Устройство кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом.
Принцип действия солнечной ячейки.
Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом. Структура ячейки представлена на рис. 1. При освещении фотоэлемента, в области p-n перехода происходит поглощение квантов света и генерация электрон-дырочных пар – новых, неравновесных носителей заряда.
Особенностью p-n перехода является наличие в нем постоянного электрического поля, которое производит разделение попадающих в область перехода носителей заряда: электроны уходят в n-слой, а дырки - в p-слой. В результате накопления электронов в n-слое и дырок в p-слое между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.
Допирование кремния и потенциальный барьер.
Наличие потенциального барьера (разделяющего поля) в переходе обусловлено различным допированием p и n слоев. При добавлении в чистый четырехвалентный кремний (Si - IV группа) атомов с большей валентностью (например, пятивалентный As - V группа) образуется новое вещество n-Si (n-слой). В запрещенной зоне этого вещества присутствуют донорные электронные уровни, которые отдают свои электроны и смещают этим уровень Ферми вниз относительно краев запрещенной зоны чистого кремния (см. рис. 2).
Для создания p-Si (p-слоя) чистый кремний допируют атомами меньшей валентности (например, трехвалентный Ge - III группа), которые создают в запрещенной зоне акцепторные уровни. Акцепторы ловят свободные электроны и поднимают этим уровень Ферми кремния.
Рис. 2. Энергетическая диаграмма p-n-перехода: – акцепторы, + доноры, UD – диффузионный потенциал, EF - уровень Ферми, e - элементарный заряд электрона.
При контакте полупроводников n и p типа их уровни Ферми (EF) должны совпадать, так как уровень Ферми отделяет полностью заполненные уровни от полностью незаполненных в веществе при температуре 0 К. За счет этого выравнивания уровней EF и образуется показанный на рис. 2 изгиб зон.
Поглощение света p и n слоями.
При попадании света на p-область ФЭ возможны следующие виды фотоактивного поглощения:
1) Электрон переходит из валентной зоны на уровень ионизированного акцептора Ea, 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 создает обратного тока. Электрон на акцепторном уровне не может перемещаться и также не дает 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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.