Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
см/с). Следует отметить сильное уменьшение спектрального отклика при
увеличении Sp. Из выражения (30) следует, что при заданной величине Sp
спектральный отклик улучшается при увеличении диффузионной длины Lp. В
общем случае для увеличения спектрального отклика в диапазоне
используемых длин волн следует уменьшать Sn и Sp и увеличивать Ln и Lp.
Если спектральный отклик известен, полная плотность фототока,
протекающего при облучении элемента солнечным светом со спектральным
распределением F (X) (рис. 1), равна
^т
JL = CI \ F(X)U-~R(X)]SR(X)dX, (31)
б
где Хт-красная граница поглощения, определяемая шириной запрещенной зоны
полупроводника. Для получения максимального значения JL следует уменьшить
R (Я) и увеличивать SR во всем диапазоне длин волн 0 < X < Хт. Идеальная
плотность фототока JL, показанная на рис. 6, получена при R (X) = 0 и SR
(А,) = 1.
14.3.2. Вольт-амперные характеристики
Для реальных солнечных элементов следует изменить идеальную эквивалентную
схему, приведенную на рис. 4, б, включив в нее последовательное
сопротивление, обусловленное омическим падением напряжения на лицевом
контакте, и шунтирующее параллельное сопротивление, обусловленное токами
утечки (рис. 12^
406
Глава 14
¦о,в -0,6 -0,4 -0,2 О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
V. в
Рис. 12. Теоретические вольт-амперные характеристики солнечного элемента
при различных значениях последовательного и параллельного сопротивлений.
На вставке показана эквивалентная схема. Параметры элемента те же, что
использовались на рис. 5 [12].
вставка). Если ток диода определяется формулой (2), то вольт-амперная
характеристика удовлетворяет уравнению [12]
1п (-4^ - -Iжг + 1) = - '*•>¦ <32>
Решения этого уравнения при различных комбинациях параметров Rs и Rsh
приведены на рис. 12. Значения /5, IL и Т здесь те же, что на рис. 5.
Видно, что шунтирующее сопротивление, даже такое малое, как 100 Ом, не
влияет заметно на выходную мощность прибора, тогда как даже весьма
небольшое последовательное сопротивление 5 Ом снижает выходную мощность
более чем на 30 % по сравнению с оптимальной величиной, достигаемой при
R? = 0. Поэтому в дальнейшем мы будем пренебрегать вли-
Солнечные батареи
407
янием Rsh. Тогда ток во внешней цепи и выходная мощность определяются
соответственно выражениями
q(V-IRs) kT
I = Is Jexp
1
' L>
(33)
P = \IV\ = I
kT
In
(-Чг^+*)+"•]
(34)
Относительный максимум выходной мощности составляет 1; 0,77; 0,57; 0,27 и
0,14 при Rs, равном соответственно 0; 1; 2; 5 и 10 Ом. Последовательное
сопротивление солнечного элемента зависит от глубины залегания перехода,
концентраций примесей в п- и /7-областях и от конструкции лицевого
омического контакта. Для типичного кремниевого солнечного элемента с
геометрией, показанной на рис. 9, последовательное сопротивление
составляет~0,70м для элементов с /7-базой и~0,4 Ом для элементов с п-
базой [15]. Это различие в величинах сопротивления обусловлено в основном
относительно низким сопротивлением подложек я-типа.
С помощью рис. 5 и 12 можно определить фактор заполнения FF:
ImVm (35)
FF =
IlV
XX
Эффективность преобразования (к. п. д.) элемента равна
^тгУтп PF'Il'Vxx
л
гп
гп
(36)
Для получения максимального к. п. д. следует максимизировать все три
сомножителя в числителе в правой части выражения (36).
В реальных солнечных элементах прямой ток может определяться
рекомбинацией носителей в обедненном слое. При этом эффективность
преобразования, вообще говоря, ниже, чем в идеальном диоде (разд.
14.2.2). В случае одноуровневых рекомбинационных центров рекомбинационный
ток можно записать в виде [16, 17]
/rec = /s ехр (-^г
где
г
L
1
(37)
qntW
V"
(37а)
И в этом случае выражение для эффективности преобразования легко получить
с помощью простых уравнений, аналогичных формулам (4)-(9), в которых
величину /8 следует заменить на Г5, а показатель экспоненты разделить на
2. Эффективность преобразования в том случае, когда прямой ток
определяется реком-
408
Глава 14
0 Z 4 6 д 1012 ft 16 W 2022 &262830.32
КЗ
Рис. 13. Вольт-амперные характеристики солнечной батареи и кривые
постоянной мощности [5J.
бинацией в обедненном слое, оказывается значительно меньше, чем в
идеальном диоде, что обусловлено уменьшением как Vxx, так и фактора
заполнения. В кремниевых солнечных элементах при 300 К рекомбинационный
ток приводит к снижению эффективности преобразования на 25 % [18].
В солнечных элементах, в которых диффузионный и рекомбинационный токи
сравнимы по величине или содержится много дефектов, экспоненциальная
зависимость прямого тока от смещения перехода может иметь вид exp
(qVtnkT), где величина п называется фактором идеальности. Обычно
эффективность преобразования уменьшается с увеличением п.
Хотя отдельный кремниевый солнечный элемент площадью
2 см2 имеет напряжение холостого хода лишь 0,5-0,6 В и ток короткого
замыкания от 30 до 60 мА, последовательно-параллель-
Солнечные батареи
409
ное соединение таких элементов в большую батарею позволяет подводить к
