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 ~J линейна, 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 зависимости I_кз(J).

Пропорциональность I_кз~g обусловлена 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-n перехода  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 в n-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_s и напряжение холостого хода U_о как 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 освещенности J такая 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.

Эффективность преобразования

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД фотоэлемента, относят: отражение от поверхности полупроводника, фотоэлектрически неактивное поглощение квантов света (поглощение без образования пар носителей электрон-дырка), рекомбинацию неравновесных носителей ещё до их разделения электрическим полем p-n перехода, а также потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате этих процессов КПД кремниевых фотоэлементов при преобразовании солнечного света в электрическую энергию не превышает 12%.