1. Вах.

Основной характеристикой фотоэлемента является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), при различных освещенностях или световых потоках (рис.3а). При отсутствии освещения (J=0) ВАХ имеет вид характерный для обычного р-nперехода. При увеличении освещенности (J₁и J₂) появляется обратный ток неосновных носителей и вся кривая смещается вниз.

I

J=0

J₁

J₂

U

Рис.3. Общий вид (а) и рабочая область (б) вольт-амперной характеристики фотоэлемента.

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС (или напряжению холостого хода U_хх) при разных освещенностях (для кремниевого фотоэлемента фото-ЭДС имеет порядок ~0,5–0,55 В). Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыканияI_кз. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом имеет порядок ~20-25 мА/см².

По ВАХ при различных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлементов соответствует наибольшая площадь вписанного прямоугольника с вершиной на ВАХ при заданной освещенности (рис.3б). Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение нагрузки составляет ~0,35-0,4 В, плотность тока 15-20 мА/см².

Так как рабочей областью является область прямого смещения р-nперехода и обратного тока, то обычно ВАХ фотоэлемента переворачивают и она имеет вид, приведенный на рис.4.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика ФЭ при разных интенсивностях света J и линия оптимальной нагрузки.

2. Световые характеристики фотоэлемента.

Световые характеристики фотоэлемента -это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания фотоэлемента от освещенности фотоэлемента.

а) При малой освещенности зависимость I_кз~Jлинейна, т.к. ток прямо пропорционален количеству родившихся электронно-дырочных пар:

,

а количество появившихся электронно-дырочных пар, в свою очередь, прямо пропорционально количеству поглощенных квантов света:

,

где α – показатель поглощения, J– интенсивность света, η – внутренний квантовый выход. Для кремниевых фотодиодов η ~ 100%. Квантовый выход можно определить по экспериментальной зависимостиI_кз(J).

Пропорциональность I_кз~gобусловлена тем, что р-область конструктивно изготовлена так, чтобы ее толщина была значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Поэтому практически все неосновные носители, возникшие в р-области в результате световой генерации, доходят до р-nперехода и принимают участие в образовании фототока. Во всяком случае потери неосновных носителей на рекомбинацию в р-области и на поверхности практически не зависят от освещенности, т.к. исходный полупроводник содержит малое количество неконтролируемых примесей, которые могли бы выполнять роль рекомбинационных ловушек и ловушек захвата. Отклонение световых характеристик от линейной зависимости связано с уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов вn-области и дырок в р-области.

б) По мере увеличения освещенности возрастает накопление зарядов, и дополнительная разность потенциалов все сильнее понижает потенциальный барьер. За счет этого увеличивается вклад прямого тока, и зависимость становится сублинейной.

Рис. 5. Ток короткого замыкания I_sи напряжение холостого хода U_окак функция интенсивности света J.

В данной работе солнечная батарея состоит из четырех ячеек, соединенных последовательно, и имеет максимальное напряжение холостого хода не более 2 В. При слабых освещенностях зависимость напряжения холостого хода (U_хх) от освещенностиJтакая же, как у тока короткого замыкания. При возрастании освещенности потенциальный барьер понижается так сильно, что прямая составляющая тока уравновешивает обратный фототок вне зависимости от степени освещенности.