Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой воздушной массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC = 1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле

AM(x) =!, x0 sin#

где x – атмосферное давление, Па;
x0 – нормальное атмосферное давление (1,013-105 Па);
в – угол высоты Солнца над горизонтом. Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ 1,5 (в ~ 42 °). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения EC = 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны ? определяется из соотношения

hv=h^2A

X Л
где h – постоянная Планка, 6,626196(50)-10″34 Дж-с; с – скорость света, 2,9979250(10)-108 м/с; X – длина волны, мкм. Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,6-10-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Eg

1,24 ?г = Eg

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона – характеризуется отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.

2.2. Фотоэлектрические свойства p–n перехода

Рассмотрим простейшую конструкцию солнечного элемента на основе монокристаллического кремния. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки Rн . Рассмотрим вначале два крайних случая: Rн =0 (режим короткого замыкания) и Rн = ? (режим холостого хода).

В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p–n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p–n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p–n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода (рис. 3.2.2., б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Uх.х. . Полярность Uх.х. соответствует прямому смещению p–n-перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок Iф . Величина Iф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-переход в единицу времени

Iф = ч*Pu/hv

где q – величина заряда электрона;
Рu – мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hv > Eg создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе ражим короткого замыкания (рис. 3.2.2, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания 1кз равен фототоку

Iкз =Iф.

В режиме холостого хода фототок уравновешивается «темновым» током 1т – прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uх х.

«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае – электронов в р-области). При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов с hv « Е либо расходуется на нагревание кристаллической решетки. Т.о., режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.