P-n ауысуының фотоэлектрлік қасиеттері

Монокристалдық кремний негізіндегі қарапайым күн элементі келесідегідей құрылымға ие болады: р-типті кремнилі пластинадан кіші тереңдікте жіңішке металдық байланысы бар p–n ауысуы орналасқан, пластинаның артқы жағында біркелкі металдық байланыс орналасқан [12]. p–n ауысуы жартылай өткізгіштің жарықтандыру бетіне жақын орналасады. Күн элементін электрэнергиясы ретінде қолданғанда оның соңына кедергі күші жалғану керек. Бастапқыда екі жағдайды қараймыз: қысқа тұйықталу режимі және (бірлік жүріс режимі).

Осы режимдерге арналған зоналық диаграмма 9.4 а, б-суретте көрсетілген [12, 22, 28].

Бірінші жағдайда жарықтандырудың зоналық диаграммасының p–n ауысуы термодинамикалық жарықтандыру зонасынан айырмашылығы жоқ. Бірақ p–n ауысуы арқылы және сыртқы өткізгіш арқылы ток жүреді, р облысында элекронды-тесік жұптары шартында фоторегенерацияланады.

Фотоэлектрондар, көлемдік заряд ауданына жақын орналасып, p–n ауысуының электр өрісі аймағында айналып, n-аумағына түседі [12,50,52].

Қалған электрондар шығындардың орнын толтыру үшін p–n ауысуына диффундалады, нәтижесінде олар да n-аумағына түседі. n-аумағында электрондардың шептік металдық байланысқа қарай, ішкі тізбектің ағысы және р-аумағындағы байланысқа бағытталған қозғалысы туындайды.

9.4-сурет. Жарықтандыру кезіндегі p–n-ауысуының энергетикалық зоналарының диаграммалары: а – қысқа тұйықталу; б – бірлік жүріс; в – кедергілік күштің қосылуы .

Байланыс шекарасында р облысы жанында фоторегенерацияланған тесіктермен электрондар жақындағанда рекомбинацияланады.

Ашық сыртқы тізбекте p–n ауысуындағы фотоэлектрондар n облысына түскенде осы облыста жиналады және n облысын кері зарядтайды. Р облысында қалған тесіктер р облысын оң зарядтайды.

Осы кезде пайда болған патенциалдар айырмасы кернеудің бірлік жүрісі болып табылады . Полярлық p–n- ауысуының тік араласуына сәйкес келеді.

Генерацияланған жарық ағынымен тасымалдағыш фототокты құрайды. өлшемі фотогенерацияланған p–n ауысуындағы бірлік уақытта өткен тасымалдығыш санына тең.

, (9.3)

мұндағы, – электрон зарядының өлшемі; – монохроматты сәулелену жұтылуының қуаты.

Жартылай өткізгіште энергиямен әрбір жұтылған фотон бір электрондық-тесік жұбын құрайды [12, 22, 17, 52].

Бұл шарт Si және GaAs негізіндегі күн элементтеріне орындалады p–n ауысуы кезінде омдық нөлдік ішкі шығындар күн элементінің қысқа тұйықталу режимі p–n ауысудың ауытқуының нөлдік кернеуіне эквивалентті, сондықтан қысқа тұйықталу тогы фототокқа тең. (9.4 а-сурет)

. (9.4)

Бос жүріс тәртібінде p–n ауысуы жылжудың кернеуі . арқылы туатын тікелей ток - қаралық токпен теңестіріледі. «Қаралық» токтың абсолюттік мәні:

, (9.5)

Бұл жерде

, (9.6)

мұндағы, – Больцман тұрақтысы, 1,38·10^-23 Дж/К=0,86·10^-4 эВ/К; – абсолюттік температура, К; – қаныққан ток.