Плотность тока через фотодиод
Санкт-Петербургский государственный горный институт
(технический университет)
Кафедра общей и технической физики
Лаборатория физики твердого тела и квантовой физики
Лабораторная работа 6
Исследование солнечных генераторов электроэнергии
Санкт-Петербург
2008
Цель работы - получить зависимость характеристик солнечных батарей от освещенности, оценить эффективность преобразования солнечного света в электрический ток.
I. Общие сведения
Фотоэлемент является источником электропитания, который генерирует электрическое напряжение за счет поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечной ячейкой.
 |
Рис. 1. Устройство кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом.
Принцип действия солнечной ячейки.
Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом. Структура ячейки представлена на рис. 1. При освещении фотоэлемента из-за поглощения квантов света в p-n переходе и в областях полупроводника, прилегающих к р-n переходу, происходит поглощение квантов света и генерация электронно-дырочных пар – новых, неравновесных носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в р-n переходе, производит разделение зарядов: электроны уходят в n-область, а дырки – в р-область. В результате накопления электронов в n-области и дырок в p-области между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.
|
|
|
Основные физические процессы в солнечной ячейке.
Энергетическая диаграмма р-n перехода представлена на рис.2.
При попадании света на фотоэлемент возможны следующие виды фотоактивного поглощения:
1) Электрон переходит из валентной зоны на уровень ионизированного акцептора EА, при этом в валентной зоне появляется дырка. Она суть основной носитель в p-области и она не может преодолеть потенциальный барьер. Поэтому дырка останется в p-области и не создает обратного тока. Электрон на акцепторном уровне не может перемещаться и также не дает вклада в фототок.
2) Электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, возникают два носителя – дырка в валентной зоне и электрон в зоне проводимости. Дырка в валентной зоне p-области является основным носителем и не участвует в образовании обратного тока из-за потенциального барьера. Электрон в зоне проводимости p-области является неосновным носителем, для него не существует барьера, поэтому он двигается к p-n переходу и скатывается с него, создавая обратный ток.
|
|
|
 |
Рис. 2. Энергетическая диаграмма p-n-перехода, EF - уровень Ферми, ED – энергетический уровень донора, EA – энергетический уровень акцептора.
3) Если электронно-дырочная пара возникла в p-n переходе, то поле объемного заряда растаскивает их в разные стороны – дырки в p-область, электроны в n-область.
Таким образом, второй и третий процессы приводят к накоплению дырок в p-области и, аналогично, электронов в n-области, что создает дополнительную разность потенциалов.
Накопление неравновесных носителей заряда в соответствующих областях не может продолжаться бесконечно, так как разделенные электроны и дырки продолжают притягиваться друг к другу (обратный ток). Они создают электрическое поле, которое понижает высоту потенциального барьера между n- и p-областями на величину возникающей фото-ЭДС. Это понижение барьера уменьшает величину разделяющего поля в p-n переходе и аналогично прямому включению p-n перехода.
Плотность тока через фотодиод.
Вдали от p-n перехода электрическое поле очень слабое, поэтому основным механизмом движения носителей там является диффузия. Не все фотоэлектроны, возникающие при поглощении света, дойдут до p-n перехода, так как на этом пути возможна рекомбинация носителей заряда. Дойдут лишь те носители заряда, у которых время пути до перехода меньше времени жизни электрона в зоне проводимости (или расстояние до перехода больше длинны диффузионного пробега).
|
|
|
Плотность тока через фотодиод складывается из тока электронов в р-области, дырок в n-области и электронно-дырочных пар, появившихся в p-n переходе:
где g – количество электронно-дырочных пар, родившихся в единицу времени с единицы площади p-n перехода.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 485; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!