Санкт-Петербургский государственный горный институт

(технический университет)

Кафедра общей и технической физики

Лаборатория физики твердого тела и квантовой физики

Лабораторная работа 6

Исследование солнечных генераторов электроэнергии

Санкт-Петербург

2008

Цель работы - получить зависимость характеристик солнечных батарей от освещенности, оценить эффективность преобразования солнечного света в электрический ток.

I. 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.

p-nпереход

Рис. 1. Устройство кремниевой солнечной ячейки с p-nпереходом.

Принцип действия солнечной ячейки.

Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-nпереходом. Структура ячейки представлена на рис. 1. При освещении фотоэлемента из-за поглощения квантов света вp-nпереходе и в областях полупроводника, прилегающих к р-nпереходу, происходит поглощение квантов света и генерация электронно-дырочных пар – новых, неравновесных носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в р-nпереходе, производит разделение зарядов: электроны уходят вn-область, а дырки – в р-область. В результате накопления электронов вn-области и дырок вp-области между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.

Основные физические процессы в солнечной ячейке.

Энергетическая диаграмма р-nперехода представлена на рис.2.

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 вp-области и она не может преодолеть потенциальный барьер. Поэтому дырка останется вp-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 проводимостиp-области является неосновным носителем, для него не существует барьера, поэтому он двигается кp-nпереходу и скатывается с него, создавая обратный ток.

n

Рис. 2. Энергетическая диаграмма p-n-перехода, E_F- уровень Ферми, E_D– энергетический уровень донора, E_A– энергетический уровень акцептора.

3) Если электронно-дырочная пара возникла в p-nпереходе, то поле объемного заряда растаскивает их в разные стороны – дырки вp-область, электроны вn-область.

Таким образом, второй и третий процессы приводят к накоплению дырок в p-области и, аналогично, электронов вn-области, что создает дополнительную разность потенциалов.

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

Плотность тока через фотодиод.

Вдали от p-nперехода электрическое поле очень слабое, поэтому основным механизмом движения носителей там является диффузия. Не все фотоэлектроны, возникающие при поглощении света, дойдут доp-nперехода, так как на этом пути возможна рекомбинация носителей заряда. Дойдут лишь те носители заряда, у которых время пути до перехода меньше времени жизни электрона в зоне проводимости (или расстояние до перехода больше длинны диффузионного пробега).

Плотность тока через фотодиод складывается из тока электронов в р-области, дырок в n-области и электронно-дырочных пар, появившихся вp-nпереходе:

где g– количество электронно-дырочных пар, родившихся в единицу времени с единицы площадиp-nперехода.

Основные характеристики фотоэлемента.