Выходная мощность и к. п. д. фотоэлектрических генераторов

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 p-n-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 нарушиться. Мы видели, что при переходе электронов в кристалл n-типа, а дырок в кристалл p-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 V₀ разомкнутой цепи возрастает до тех пор, пока оно не достигнет величины E₀, 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 I_кз прямо пропорционален интенсивности падающей на полупроводники радиации. Но поскольку сопротивление внешней цепи близко к 0, то работы в ней не совершается.

Рис. 73. Энергетические уровни освещенного p-n-перехода при наличии внешней нагрузки

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 рис. 73. В этом случае скачок потенциала на p-n-переходе, равный E₀-V, меньше, чем в режиме короткого замыкания E₀. Следовательно, разделение пар электрон - дырка, генерируемых при освещении p-n-перехода, происходит менее интенсивно,чем в режиме короткого замыкания. Тогда при одной и той же интенсивности радиации P с повышением напряжения V плотность тока I 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. Типичные характеристики фотоэлектрического генератора, определяющие соотношения между P, j и V, приведены на рис. 74. Такие кривые можно получить и расчетным путем на основании анализа сложного поведения освещаемого p-n-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.

Рис. 74. Характеристики фотоэлектрического генератора

С помощью рис. 74 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 рис. 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 A. В этом случае падение напряжения на нагрузке можно принять равным 0,5 E₃ (где E₃ - ширина запрещенной зоны). Плотность тока при этом мало отличается от плотности тока в режиме короткого замыкания I_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 наши оценки вполне верны.

Рис. 75. Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора от интенсивности солнечного излучения

Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным рис. 75. Как следует из рис. 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 P = 800 ^Вт/_м² полезная мощность практически 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.

Рис. 76. Типы фотоэлектрических генераторов: а - однокаскадный; б - многокаскадный

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 рис. 76. В заключение этой главы рассмотрим некоторые возможные пути усовершенствования фотоэлектрических генераторов.