|
|
При наличии внешней цепи последняя
соединяется с полупроводниками в точках, называемых контактами. Обычно
внешняя цепь образована металлическими проводниками, и. в месте контактов
металл — полупроводник вследствие диффузии электронов образуются новые
обедненные слои (только в полупроводниках), подобные тем, которые возникают в
р — я-переходах. Такие «полупереходы» препятствуют возникновению при
равновесии в местах контактов разности потенциалов, о которой говорилось
выше. (Фактически для любой внешней цепи ориентировочно можно считать, что
изменения потенциала на каждом из таких зажимов вдвое меньше по сравнению с
его изменениями на стыке двух полупроводников.) Если бы это условие не
выполнялось, то при подключении внешней цепи под воздействием света,
падающего на генератор, равновесие зарядов должно было бы нару--<
шиться. Мы видели, что при переходе электронов в кристалл
д-типа, а дырок в кристалл р-типа первый как бы заряжается относительно
второго. В результате возникает новое состояние равновесия, которому
соответствует иное распределение потенциала, сопровождаемое появлением
разности потенциалов на контактах, называемой напряжением разомкнутой цепи.
При слабом освещении оно мало, поскольку количество образующихся пар электрон
— дырка значительно меньше количества основных носителей в легированном
полупроводнике. Однако с повышением интенсивности освещения напряжение У0
разомкнутой цепи возрастает до тех пор, пока оно не достигнет величины Е0,
когда преобладание этих новых носителей приведет к исчезновению скачка
потенциала в области перехода.
Другим (предельным) режимом работы генератора является
режим короткого замыкания. Если свободные концы кристаллов соединены
проводом, сопротивлением которого можно пренебречь, то уровень Ферми должен
быть одинаков в обоих кристаллах. В этом случае пары электрона — дырка,
возникающие при световом воздействии, должны интенсивно разделяться в области
перехода, поскольку этому способствует разность потенциалов, существующая на
переходе. Ток короткого замыкания /кз прямо пропорционален интенсивности
падающей на полупроводники радиации. Но поскольку сопротивление внешней цепи
близко к О, то работы в ней не совершается.
Очевидно, с практической точки зрения представляет интерес
некоторое промежуточное положение, когда во внешнюю цепь включена нагрузка,
падение напряжения на которой не равно 0 (в отличие от режима короткого
замыкания) и через которую проходит ток (в отличие от режима холостого хода).
Разность потенциалов V, обеспечивающая прохождение тока в нагрузке,
определяется разностью уровней Ферми в контактирующих кристаллах. Положения
этих уровней и границ энергетических зон схематически показаны на 73. В этом
случае скачок потенциала нд р — я-переходе, равный Е0—1/, меньше, чем в
режиме короткого замыкания Е0. Следовательно, разделение пар электрон —
дырка, генерируемых при освещении р — д-перехода, происходит менее
интенсивно, чем в режиме короткого замыкания. Тогда при одной и той же
интенсивности радиации Р с повышением напряжения V плотность тока / падает.
Это обусловлено тем, что если первоначально достаточно большой скачок
потенциала препятствовал перемещению части носителей, то при повышении V и,
следовательно, уменьшении потенциального барьера они получают возможность
«перескакивать» его. Такие кривые можно получить и расчетным путем на
основании анализа сложного поведения освещаемого р—п-перехода. Однако это не
входит в задачу книги, а для ориентировочной оценки реального к. п. д.
фотоэлектрического генератора вполне достаточно проведенного нами
рассмотрения основных особенностей его работы.
мы можем найти соотношение между током и падением
напряжения на нагрузке. Однако нас интересует произведение этих величин j-V,
поскольку оно характеризует получаемую в нагрузке мощность, приходящуюся на
единицу освещенной поверхности перехода. Из 74 мы видим, что произведение
j-V максимально в том случае, когда вписанный в эти кривые прямоугольник
имеет наибольшую площадь. Такому режиму работы генератора соответствует
отмеченная на графике точка А. В этом случае падение напряжения на нагрузке
можно принять равным 0,5 Е3 (где Е3 — ширина запрещенной зоны). Плотность
тока при этом мало отличается ог плотности тока в режиме короткого замыкания
/кз, когда ток, возникающий за счет образования при воздействии света пар
электрон — дырка, максимален. Величина этого тока зависит от того, насколько
эффективно происходит разделение пар (без учета их частичной рекомбинации,
которая в настоящее время пока еще не поддается точному расчету).
Экспериментальные данные показывают, что при правильном выборе материалов и
достаточно освещенной конструкции генераторов можно добиться того, чтобы в
процессе генерирования полезной мощности участвовало не менее 80% всех
возникающих под действием света пар электрон — дырка. В режиме,
соответствующем выбранной нами рабочей точке, используется около 70% таких
носителей. Следовательно, величина полезной мощности составляет около 0,5-0,7
= 0,35, то есть 35% от идеального значения определенной ранее выходной
мощности, которая соответствует максимальному к. п. д. преобразования энергии
фотонов. Там же было показано, что в процессе преобразования участвуют лишь
около 45% солнечной энергии. Согласно нашим оценкам, реально мы можем
рассчитывать лишь на 35% от этого значения, то есть не более 16% солнечной
энергии можно превратить в полезную мощность. К. п. д. многих реальных
фотоэлектрических генераторов составляет лишь около 15%, так что паши оценки
вполне верны.
Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой
фотоэлектрического генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем
судить по данным 75. Как следует из 74, при малой интенсивности солнечной
радиации к. п. д. ее преобразования заметно снижается, так как в этом случае
на нагрузке невозможно получить достаточно большой разности потенциалов.
Снова мы имеем прибор с низковольтным выходом: выходное напряжение кремниевых
генераторов составляет около 0,6 В. При интенсивности солнечной радиации Р =
800 Вт/м2 полезная мощность практически не превышает 130 Вт/м2. Куда же
расходуется оставшаяся неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы
эта энергия затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки,
поскольку в противном случае возбужденные носители могут преодолевать
потенциальный барьер различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность
колебаний решетки непосредственно связана с температурой, то в равной мере мы
можем говорить о необходимости поддерживать температуру на низком уровне.
Этого добиваются различными способами. Обычно при повышении рабочей
температуры с 20 до 100° С к. п. д. установки снижается на одну треть.
Очевидно, ту часть спектра солнечной радиации, которая расходуется
непроизводительно, можно устранить с помощью соответствующих отражающих
покрытий, но внутри генератора всегда происходят какие-нибудь тепловые
процессы, поэтому необходимо обеспечить по возможности наилучший отвод тепла
через теплопроводность или лучеиспускание.
В настоящее время в фотоэлектрических генераторах
(«солнечные батареи» космических кораблей и и других автономных объектов
«малой энергетики») обычно применяются полупроводники, полученные при
разрезании одного кристалла. Устройство такого типа схематически показано на
76. В заключение этой главы рассмотрим некоторые возможные пути
усовершенствования фотоэлектрических генераторов.
|