Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
CdS [JI. 18], тонкопленочные батареи на основе GaAs и CdS [JI. 19, 20].
Солнечные батареи являются теперь наиболее важными источниками питания с
большим сроком службы на спутниках и космических кораблях.
Фотовольтаическое преобразование мощности лучше всего можно представить,
если рассматривать идеальный р-п переход как источник постоянного тока,
соединенный параллельно с переходом (рис. 12,6). Источник постоянного
тока создается в результате возбуждения избыточных носителей солнечным
излучением. Природа источника излучения не имеет значения
для.последующего анализа; это может быть источник фотонов (солнечная
энергия, у-излучение, лампа накаливания, рентгеновское излучение и т.
д.)\ источник частиц с высокой энергией (электронная пушка, P-излучение,
а-части-цы, протоны, нейтроны и т. п.) или любой другой источник,
создающий электронно-дырочиые пары, но не изменяющий заметно свойства
идеального перехода. Последующее рассмотрение касается только солнечных
батарей. Однако результаты применимы также (с небольшими изменениями) к
другим детекторам частиц.
I. Основные характеристики. Солнечная батарея, показанная на рис.
Г2,а, состоит из неглубокого р-п перехода, созданного, напри-
мер, диффузией, верхнего полоскового омического контакта и нижнего
омического контакта, который полностью покрывает всю нижнюю поверхность.
Простейшая эквивалентная схема солнечной батареи при ее освещении
показана на рис. 12,6, где /ь - ток источника постоянного тока,
создаваемый падающим излучением, а 1. - ток насыщения.
1см
Лицевой контахк гребенки
(Вид сверху
0,5мм
I
цДщ
р-п
ереход
1ол1-см р-тип Si
1МПЛ1
а)
о
б)
ма
80
00
О¦
-00
-80
420
и
Прямйугсяь-huhmgxc "-' лтльноа мсщнсит
_1_
и,
(Вид с торца)
Тыльный
контакт
I
-0,8-0,0 0 0,0 0,8 6 в)
Рис. 12. Солнечные батареи. -
а - схематическое изображение типичной солнечной батареи; б - идеализи-
рованная эквивалентная схема солнечной батареи; в - вольт-амгтерная
характеристика солнечной батареи при освещении (фототок равен 100 ма)\ г
- характеристика (в), повернутая относительно оси напряжений [Л. 21].
Вольт-амперная характеристика такого прибора может быть представлена в
виде
1 = 11 (eqUlkT - 1) - !l
2 Г 1 ( Dn N 1/2
Nr
Dv \ 1/2
Л-
(14)
(14a)
Графически (JI 21] уравнение (14) представлено на рис. 12,в для /ь=0,1 a.
Is-10-9 а и Г=300°К. Кривая проходит через четвертый квадрант, откуда
следует, что прибор может отдавать мощность во внешнюю цепь. При
соответствующем выборе сопротивления нагрузки эта мощность может
достигать 80% произведения IscUoc, где Is с-ток короткого замыкания и Uoc
- напряжение
холостого хода батареи, как показано на прямоугольнике максимальной
мощности. Вольт-амперная характеристика в более общепринятом виде
представлена на рис. 12,г, на котором рис. 12,в повернут относительно оси
напряжений. На рис. 12,г нанесены значения Imp и итр, которые
соответствуют максимальной отдаваемой МОЩНОСТИ Pmp(^ImpUmp).
Из уравнения '(14) получаем выражение для напряжения холостого хода
Uос Umax - р 1П ^ +1^' (15)
где $^q/(kT). Мощность на выходе равна:
Р = IU ~ ISU (е^и - 1) - IiP- (16)
Условия максимальной отдаваемой мощности могут быть получены при dP/dU=0
или
(1 + pf/mp) ехр (р{/шр) = ^1 + j^ ^ ' (17)
fmp=\Is(e^-i)-fL\^f^mpe{?Ump) . (18)
Коэффициент полезного действия солнечной батареи равен, таким образом,
отношению максимальной мощности на выходе к мощности на входе:
_ 1трРтр/СМ2 _ тр w
71 = Ргп/СМ* (1 + Pf/шр) А Л'-
Х(1 + ^Г) pilfc* ' (19)
где А - освещаемая площадь солнечной батареи и Р-щ/см2- плотность
мощности излучения солнца в атмосфере.
На рис. 13 изображена зависимость расчетного к. п. д. от ширины
запрещенной зоны полупроводника при различных температурах (Л. . 22].
Генерированный ток /ь определяется солнечным излучением в атмосфере, где
мощность излучения солнца равна 135 мвт/см2. Количество фотонов,
способных создавать электроннодырочные пары, взято из опубликованных
данных. Коэффициент
собирания принимается равным единице, и потери, обусловленные
отражением, утечками и последовательным сопротивлением, не принимаются во
внимание. При выполнении указанных идеализированных условий и при
идеальной вольт-амперной характеристике {уравнение (14)] материалом,
обеспечивающим получение оптимальной эффективности при комнатной
температуре, оказывается GaAs. При повышении температуры максимум
сдвигается в область материалов с большей шириной запрещенной зоны.
Предельный к. п. д. рассчитывался также методом детального равновесия
{JT. 23], и ре-
зультат получился практически тем же, что и при "полуэмпириче-ском
приближении", показанном на рис. 13.
К. п. д. практически применяющихся солнечных батарей, изготовленных из Si
и GaAs, оказывается примерно в 2 раза ниже предсказанных значений (10-15%
вместо 22-28%). Это объясняется в основном потерями на отражение,
утечками и влиянием последовательного сопротивления, которое будет
рассматриваться ниже.
