3.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Поток генерированных светом носителей образует фототок

^I _ф ^{. Вели-}

чина

^I _ф ^{равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-}

переход в единицу времени

I _ф

_{где q – величина заряда электрона;}

_P

_{ q} ^и _{, (3.3.1)}

^hv

^P_и ^{– мощность поглощенного монохроматического излучения.}

_{Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фо-}

тон с энергией

^{hv  E} _g

создает одну электронно-дырочную пару. Это усло-

вие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs (в

_{кремнии внутренний фотоэффект имеет место для волн с длиной}

_{  1,1 мкм,}

т.е. для видимого, ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излуче-

_ний).

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе

_{режим короткого замыкания эквивалентен нулевому напряжению смещения}

p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания

^I _к.з

равен фототоку

^I _{к. з}

^{ I} _ф ^{. (3.3.2)}

В режиме холостого хода фототок уравновешивается «темновым» то-

ком

^I _т ^{– прямым током через p–n-переход, возникающим при напряжении}

^{смещения U  U} _{х. х} ^{. При этом через p-n-переход протекают следующие токи:}

неосновных носителей, основных носителей и первичный фототок. Абсо-

_{лютное значение «темнового» тока}

_⎛ ^qU

0

_{I  I} ^⎜ _e ^kT

^т _⎜

^⎝

_⎞

_{ 1}^⎟ _{ I , (3.3.3)}

_⎟ ^ф

^⎠

где k – постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Дж/К=0,86·10^-4 эВ/К;

_{T – абсолютная тмпература, К;}

^I ₀ ^{– ток насыщения (представляет сумму токов неосновных носителей);}

_{Полный ток через p-n-переход равен}

_⎛ ^qU _⎞

_{⎜ 1⎟}

_{. (3.3.4)}

^{I  I} ₀

_⎜ ^{e kT }

^⎝

_⎟ ^{ I ф}

^⎠

Эта формула описывает вольт-амперную характеристику освещенного p–n-

перехода.

Напряжение смещения

_{U } ^kT

_{⎛ I ф  I}

_⎜

_ln⎜

_⎞

_⎟

_{ 1⎟ , (3.3.5)}

^q _⎝ ^I _{0 ⎠}

откуда напряжение холостого хода

_{kT ⎛ I ⎞}

^U х. х ^

_ln⎜ ^ф

^⎜ _I

^q _⎝ 0

 1^⎟ . (3.3.6)

_⎟

_⎠

Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротивления

нагрузки. Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением

^I _ф ^,

а сам ток нагрузки

^I _н ^{равен результирующему току через p–n-переход}

(3.3.4). Принимая направление тока

_писать

^I _ф ^{за положительное, для}

^I _н ^{можно за-}

I _н  I _ф

_⎛

0

_{ I} ^⎜ _e

_⎜

^⎝

^qU _н

kT

_⎞

_{ 1}^⎟ _{, (3.3.7)}

_⎟

^⎠

^{здесь U} _н

– напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n-переходе.

Выражение (3.3.7) описывает нагрузочную вольт-амперную характери-

_{стику освещенного p–n-перехода. Нагрузочная вольт-амперная характери-}

стика арсенид-галлиевого p–n-перехода для значения фототока

_{бражена на рис. 3.3.1, а.}

^I _ф ^{ 1 А изо-}

Освещенный p–n-переход в соответствии с выражением (3.3.7) может

быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 3.3.1, б). Здесь источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напря- жения p–n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный p–n-переход.

При варьировании R_н

_{переходом.}

фототок перераспределяется между нагрузкой и p–n-

Рис. 3.3.1. Нагрузочная ВАХ p–n-перехода в GaAs и характеристики

^R_н ^при

значениях 0,1 (1), 1,026 (2) и 10 Ом (3) (а) и эквивалентная схема освещенно-

го p–n-перехода с сопротивлением нагрузки (б).

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле (пренебрегаем единицей в формуле (3.3.7))

P  I _нU _н

_⎛

н

_{ U} ^⎜ _I

_⎜ ^ф

^⎝

 I ₀

^{qU н} _⎞

_e ^{AkT ⎟} _{. (3.3.8)}

_⎟

^⎠

В режимах короткого замыкания и холостого хода

P  0 , поскольку

^{либо U} _н ^{, либо}

^I _н ^{равны нулю.}