p n -переход pn -переход в состоянии термодинамического равновесия

объемного заряда;
- градиентов концентрации носителей.
Плотность дрейфового тока электронов:
Плотность

диффузионного тока электронов:

Уравнение для равновесной концентрации носителей:

Концентрация электронов, способных преодолеть барьер qUk:

- соотношение Эйнштейна

Область объемного заряда приводит к наклону зон и потенциальному барьеру

и равна

а потери или размножение электронов и дырок в области рп‑перехода

отсутствуют

Внешнее поле целиком приложено к области объемного заряда и частично его компенсирует

Число электронов, пересекающих p-n – переход (n→p) в ед. времени:

Число электронов, движущихся в направлении p→n :

для обратного включения источника питания. При этом надо считать U

ток - при прямом смещении обусловлен присутствием неконтролируемых примесей, создающих

разрешенные уровни энергии в глубине запрещенной зоны

Диффузионный ток

масштабе (1) и ВАХ при смешанном (рескомбинационном и диффузионном) механизме

протекания тока (2):

Интерполяция реальной ВАХ:

Избыточный ток при малых смещениях обусловлен объемными и поверхностными утечками (омическое сопротивление, шунтирующее рп-переход). Природа: микро- и макровключения; интенсивная рекомбинация на поверхности p-n перехода.

С ростом напряжения смещения диффузионный ток быстро возрастает, остальные механизмы проводимости насыщаются либо возрастают медленно .

электронно-дырочные пары возникают только в р-области на расстоянии < диффузионной

длины электронов от рп-перехода.

То же, что в термодинамическом равновесии

Рекомбинация с фотогенерированными дырками

Фотоэлектроны заряжают n-область отрицательно., р‑область заряжается избыточными дырками положительно. Возникает разность потенциалов - Ux.х. (прямое смещение рп-перехода).

Ux.х < Uк

холостого хода
Фототок уравновешивается «темновым» током Im — прямым током

через рп-переход

Темновой ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока. Потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется в виде фотонов с hv ≈ Egap, либо расходуется на нагревание.

Режим х.х. СЭ эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении

из темнового тока рп-перехода, а при отрицательном — суммируется с

ним.

Направление тока через рп-переход противоположно полярности приложенного напряжения: освещенный рп-переход сам является источником энергии

Темновая ВАХ рп-перехода в GaAs
при двух уровнях освещенности.

Іф,
а сам ток нагрузки Ін равен результирующему току через

рп-переход

Uн — напряжение на нагрузке, равное напряжению на рп-переходе

Нагрузочная ВАХ освещенного рп-перехода:

Нагрузочная ВАХ рп-перехода в GaAs и характеристики Rн при значениях 0.1 (1), 1.026 (2) и 10 Ом (3) (а);
эквивалентная схема освещенного рп-перехода с сопротивлением нагрузки (б)

рп-перехода,
диод - представляет собой неосвещенный рп-переход.
При варьировании сопротивления

Rн фототок перераспределяется между нагрузкой и рп-переходом.

Условие максимума мощности:

Uн = Uопт – напряжение на оптимальной нагрузке

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке:

- нелинейное уравнение относительно Uопт

чем ближе ее форма к прямоугольной
Фактор заполнения ВАХ :
Максимальная мощность

(ММ):

- энергия, которая выделяется в нагрузке в расчете на 1 фотон в режиме ММ

потока фотонов солнечного излучения:.
Энергия фотонов в излучении с длиной волны



Граничная длина волны , начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале СЭ

Суммарный поток фотонов Iф = площади под кривыми

Максимальный коэффициент полезного действия СЭ:

- Кс=1; 2, 2' — Кс = 1000; 1, 2

- для спектра Солнца AM 1 5;
1' 2' — для спектра Солнца AM 0.

кремний и арсенид галлия — как раз попадают в область наибольших значений КПД

Значения КПД идеализированного СЭ с одним р—и-переходом лимитированы величинами 31 % для Кс=1 и 37 % для Кс = 1000 (AM 1.5).

Увеличение КПД преобразования солнечного излучения может быть достигнуто при использовании каскадных СЭ.

(T):

излучения от поверхности преобразователя,
- затенение контактной сеткой;
-

прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
- рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
- рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП,
- внутренним сопротивлением преобразователя,
- и некоторыми другими физическими процессами.

Оптические и рекомбинационные потери

% для непросветленной поверхности до lO % (однослойные покрытия);
Создание

текстурированной фронтальной поверхности;
Использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
Направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
Переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
Оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
Применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
Разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
Создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.
Создание преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны);
Применения люминесцентно переизлучающих структур;
Предварительное разложение солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП

Меры по уменьшению всех видов потерь энергии в ФЭП :

входящего пучка
a-1=la – длина абсорбции
Спектральная зависимость показателя поглощения
для кремния

(1) и арсенида галлия (2), Т=300 К

 ni = 1.01 x 1010 см -3  и  kT/q = 25.852

мВ При 25 °C (298 K)  ni = 8.6 x 109 cм-3  и  kT/q = 25.693 мВ
При -40 °C (233 K)  ni = ?  и  kT/q = 20.078 мВ