Наружные солнечные световые фотоэлектрические эффекты и параметры характеристики

Открытый солнечный свет фотоэлектрический эффект

В зависимости от проводимости объекты можно условно разделить на проводники, полупроводники и изоляторы. Влияние луча солнечного света на полупроводники сильно отличается от воздействия на другие объекты. В металлах много свободных электронов, и изменение электропроводности, вызванное солнечным светом, можно полностью игнорировать; Изолятор не может побудить больше электронов участвовать в проводимости при очень высокой температуре; Сила связывания полупроводника с проводимостью между металлом и изолятором на электронах в теле намного меньше, чем у изолятора. Фотонная энергия видимого солнечного света может возбуждать его от связывания к свободному проводящему состоянию, что является фотоэлектрическим эффектом полупроводника. Когда в локальной области полупроводника есть электрическое поле, фотогенерированные носители будут накапливаться, что сильно отличается от поля без электрического. Фотоэлектрическое напряжение будет генерироваться с обеих сторон электрического поля из-за накопления заряда, который представляет собой эффект фотогенерированного вольта, называемый фотоэлектрическим эффектом. Давайте поговорим о полупроводниках подробно.

Чистые полупроводниковые материалы называются внутренними полупроводниками. Когда примесные элементы v-группы (фосфор, мышьяк и т. Д.) Встраиваются в собственный полупроводниковый материал, а примесь обеспечивает электроны, так что концентрация электронов больше, чем концентрация дырок, образуется полупроводниковый материал n-типа, и примесь называется донором; В это время, Концентрация электронов больше, чем концентрация дырки, которая является основным носителем, в то время как концентрация дырки ниже, которая является миноритарным носителем. Точно так же примесные элементы группы III (бор и т. Д.) Внедрены в полупроводниковый материал, так что концентрация дырок больше, чем концентрация электронов, и кристаллический кремний становится полупроводником p-типа. Например, если взять в качестве примера кремний, добавление небольшого количества бора, алюминия, галлия и других примесей в кремний высокой чистоты представляет собой полупроводник p-типа; Добавление немного фосфора, мышьяка, сурьмы и других примесей является полупроводником n-типа. В полупроводниках n-типа неравновесные электроны называются неравновесными мажоритарными носителями, а неравновесные дырки называются неравновесными миноритарными носителями. Обратное верно для полупроводников p-типа. В полупроводниковых устройствах неравновесные миноритарные носители часто играют важную роль.

Как полупроводниковые материалы n-типа, так и полупроводниковые материалы p-типа электрически нейтральны, когда они существуют независимо. Заряд ионизированных примесей равен общему заряду носителей. Когда два вида полупроводниковых материалов соединены вместе, для полупроводниковых материалов n-типа электроны являются большинством носителей с высокой концентрацией; В полупроводниках p-типа электроны являются миноритарными носителями с низкой концентрацией. Из-за существования градиента концентрации неизбежно происходит электрическая диффузия, то есть электроны диффундируют от полупроводникового материала n-типа с высокой концентрацией к полупроводниковому материалу p-типа с низкой концентрацией, а на границе раздела между полупроводником n-типа и полупроводником p-типа образуется PN-переход. Около границы раздела PN-перехода концентрация электронов в полупроводнике n-типа постепенно уменьшается, в то время как электроны диффундировали в полупроводниковое соединение p-типа с большинством несущих отверстий и исчезают. Следовательно, вблизи границы раздела полупроводника n-типа из-за снижения большей части концентрации электронов-носителей количество положительных зарядов ионизированных примесей выше, чем оставшаяся концентрация электронов, и появляется область положительного заряда. Аналогичным образом, в полупроводниках p-типа из-за диффузии отверстий от полупроводников p-типа к полупроводникам n-типа количество отрицательных зарядов ионизированных примесей вблизи границы раздела выше, чем оставшаяся концентрация отверстий,И появляется область отрицательного заряда. Эта область положительного и отрицательного заряда называется областью пространственного заряда PN-перехода, образуя электрическое поле от полупроводника n-типа до полупроводника p-типа, которое называется встроенным электрическим полем, также известным как барьерное электрическое поле. Поскольку сопротивление здесь особенно высокое, его также называют барьерным слоем. Это электрическое поле сопротивляется диффузии мультимпонов в двух областях и помогает дрейфу миноритарных электронов до тех пор, пока диффузионный ток не достигнет равновесия, когда он равен дрейфовому току, и стабильное встроенное электрическое поле не будет установлено по обе стороны границы раздела.. Так называемая диффузия означает, что под воздействием внешнего электрического поля беспорядочно движущийся свободный электрон имеет ускоренное движение в направлении, противоположном электрическому полю, и его скорость непрерывно увеличивается со временем. Помимо дрейфового движения, носители в полупроводниках также могут течь из-за диффузии. Когда какие-либо частицы, такие как молекулы газа, слишком концентрированы, они рассеиваются сами, если они не ограничены. Основной причиной этого явления является нерегулярное тепловое движение этих частиц. С прогрессом диффузии область пространственного заряда расширяется, а внутреннее электрическое поле усиливается. Поскольку роль внутреннего электрического поля состоит в том, чтобы препятствовать диффузии нескольких сыновей и способствовать дрейфу сына меньшинства, когда диффузионное движение и дрейфовое движение достигают динамического баланса, будет сформирован стабильный PN-переход. PN переход очень тонкий, с небольшим количеством электронов и дырок,Но есть положительно заряженные ионы около стороны n-типа и отрицательно заряженные ионы около стороны p-типа. Из-за отсутствия носителей в области пространственной зарядки PN-переход также называется областью обедненного слоя.

Когда полупроводник с PN переходом освещается, количество электронов и дырок увеличивается. Под действием локального электрического поля перехода электроны в области P перемещаются в область n, а дырки в области N перемещаются в область p. Таким образом, на обоих концах перехода происходит накопление заряда, и образуется разность потенциалов.

Ячейка, которая непосредственно преобразует световую энергию в электрическую энергию с помощью фотоэлектрического эффекта, называется солнечным элементом (сокращенно солнечным элементом). Так называемый фотоэлектрический эффект-это явление, когда электродвижущая сила генерируется на обоих концах после того, как система поглощает световую энергию, когда свет соответствующей длины волны облучается на полупроводнике.

Когда PN-переход освещается, как внутреннее, так и внешнее поглощение фотонов будет производить фотогенерированные носители, но только несколько носителей, возбужденных внутренним поглощением, могут вызвать фотоэлектрический эффект. Поскольку фотогенерированные дырки в области p и фотогенерированные электроны в области N принадлежат к мультимпонам, они блокируются потенциальным барьером и не могут пересекать соединение. Только фотогенерированные электроны в области p и фотогенерированные дырки в области N и пара электронных дырок (меньшинство) в области перехода могут дрейфовать через соединение под действием встроенного электрического поля, когда они диффундируют вблизи электрического поля перехода.. Фотогенерированные электроны тянут в n область, а фотогенерированные дырки тянут в p-область, то есть пары отверстий электронов разделены встроенным электрическим полем. Это приводит к накоплению фотогенерированных электронов вблизи границы N-области и фотогенерированных дырок вблизи границы P-области. Они генерируют фотогенерированное электрическое поле, противоположное встроенному электрическому полю теплового равновесного PN-перехода, и его направление от P-области к n-области. Это электрическое поле уменьшает потенциальный барьер, то есть фотогенерированную разность потенциалов, положительную p-клемму и отрицательную N-клемму. Следовательно, переходный ток течет из P-области в n-область, и его направление противоположно фотогенеррованию тока.

Фактически, не все генерируемые фотогенерированные носители вносят вклад в фотогенерированный ток. Установите полое отверстие n-зоны в срок службы   & Tau; P Расстояние диффузии по времени P составляет L _P , И срок службы электронов в области P составляет   & Tau; P Расстояние диффузии по времени n составляет L _N .  L _N L _P = L намного больше, чем ширина самого PN-перехода, поэтому можно считать, что фотогенерированные носители, генерируемые в пределах среднего расстояния диффузии l около перехода, вносят вклад в фотогенерированный ток, В то время как электронные дырочные пары, положение которых находится на расстоянии более l от области соединения, будут все соединены в процессе диффузии и не будут вносить вклад в фотоэлектрический эффект PN-перехода.

Чтобы понять вышеописанный процесс, ниже кратко представлены концепции срока службы потока загрузки, мобильности и длины распространения.

Время жизни носителя относится к среднему времени жизни неравновесных носителей до рекомбинации, что является аббревиатурой неравновесного времени жизни носителя. В случае теплового равновесия скорость генерации электронов и дырок равна скорости рекомбинации, а их концентрации поддерживают равновесие. Под действием внешних условий (таких как солнечный свет) будут генерироваться дополнительные неравновесные носители, а именно электронные дырочные пары; После отмены внешних условий, поскольку скорость рекомбинации больше, чем скорость генерации, неравновесные носители постепенно исчезнут и вернутся в состояние теплового равновесия. Закон распада неравновесной концентрации носителей со временем обычно подчиняется экспоненциальной зависимости. В полупроводниковых устройствах неравновесное время жизни миноритарной несущей для краткости называется временем жизни миноритарной несущей.

Процесс рекомбинации можно условно разделить на два типа: прямой переход электронов между зоной проводимости и валентной зоной, что приводит к исчезновению пары электронных дырок, что называется прямой рекомбинацией; Пары электронных дырок также могут быть объединены через уровень энергии в запрещенной зоне. (В рекомбинации), которая называется косвенной рекомбинацией. Срок службы миноритарного носителя каждого полупроводника не является фиксированным значением, он будет сильно варьироваться в зависимости от химического состава и кристаллической структуры. Под мобильностью понимается средняя скорость дрейфа носителей (электронов и дырок) под действием единицы электрического поля, то есть мера скорости носителей под действием электрического поля. Чем быстрее они двигаются, тем выше подвижность; Медленное движение и низкая подвижность. В одном и том же полупроводниковом материале подвижность различных типов носителей также различна. Как правило, подвижность электронов выше, чем у дырок. Под действием постоянного электрического поля средняя скорость дрейфа носителей может принимать только определенное значение, что означает, что носители в полупроводниках не ускоряются без какого-либо сопротивления. Фактически в процессе его теплового движения носители постоянно сталкиваются с решеткой, примесями и дефектами, и нерегулярно меняют направление движения, то есть происходит рассеяние. Неорганические кристаллы не являются идеальными кристаллами, в то время как органические полупроводники по существу аморфны, поэтому есть решетчатое рассеяние и ионизированное примесное рассеяние, поэтому подвижность носителей может иметь только определенное значение.

Потому что у миноритарных перевозчиков есть определенный срок службы, то есть срок службы миноритарных перевозчиков. Следовательно, в процессе диффузии миноритарные носители будут диффузировать и соединять одновременно. После определенного расстояния миноритарные носители исчезнут, что является так называемой длиной диффузии.

Поглощение солнечного света полупроводников. Поглощение солнечного света полупроводниками в основном определяется запрещенной зоной полупроводниковых материалов. Для полупроводников с определенной полосовой зазором низкоэнергетические фотоны с низкой частотой имеют небольшую степень поглощения света, и большая часть света может проникать; По мере увеличения частоты способность поглощать свет резко возрастает. Фактически, поглощение света полупроводниками определяется различными факторами. Здесь рассматривается только переход между диапазонами электронной энергии, используемым в солнечных элементах. Как правило, чем шире запрещенная зона, тем меньше коэффициент поглощения определенной длины волны. Кроме того, поглощение света также зависит от плотности состояний зоны проводимости и валентной зоны.

Когда разные типы полупроводников находятся в контакте (образуя ПН-соединения) или полупроводники находятся в контакте с металлами, диффузия происходит из-за разности концентраций электронов (или дырок), и при контакте образуется потенциальный барьер. Поэтому этот вид контакта имеет одиночную проводимость. Используя однонаправленную проводимость PN-перехода, могут быть изготовлены полупроводниковые устройства с различными функциями, такими как диод, триод, тиристор и так далее. PN-переход также обладает многими другими важными основными свойствами, включая характеристики напряжения тока, эффект емкости, эффект туннеля, эффект лавины, характеристики переключения и фотоэлектрический эффект. Характеристики напряжения тока, также известные как характеристики выпрямителя или вольт-амперные характеристики, являются основными характеристиками PN-перехода, в то время как солнечное фотоэлектрическое преобразование-это фотоэлектрический эффект, создаваемый встроенным электрическим полем PN-перехода.

Параметры характеристики солнечных элементов

Принцип работы солнечных элементов основан на фотоэлектрическом эффекте. Когда свет облучает солнечный элемент, будет генерироваться фотогенерированный ток IPH из n области в p-область. В то же время, из-за характеристик N-переходного диода, существует прямой ток диода I _D , Что противоположно фотогенерарованной току от P области к n области. Поэтому фактически полученный ток I является

I = I _Ph   -Я _D  = I _Ph   -Я ₀  [Exp (qu _D /NK _B T)-1]

Где,   U _D  Является переходным напряжением;  Я ₀  Является обратным током насыщения диода;  Я _Ph   -Фотогенерированный ток, пропорциональный интенсивности падающего света, а его пропорциональный коэффициент определяется структурой и характеристиками материала солнечных элементов; N-идеальный коэффициент (значение n), который является параметром, представляющим характеристики перехода PN, обычно от 1 до 2; Q-заряд электронов;  К _B  Постоянна Больцмана; T-температура.

Если сопротивление серии R _S  Солнечной батареи игнорируется, U _D  Является конечным напряжением U солнечной батареи, затем

I = I _Ph   -Я ₀  [Exp (qU/nk _B T)-1]

Когда выходной конец солнечного элемента коротко замкнут, U = 0 (U _D  & Asymp; 0), ток короткого замыкания можно получить из формулы

I _Sc = I _Ph

Короче говоря, ток короткого замыкания-это максимальный ток, измеряемый при коротком замыкании солнечной батареи снаружи, выраженный в I _Sc . Это максимальный ток, который фотоэлемент может получить во внешней цепи при определенной интенсивности света. Без учета других потерь ток короткого замыкания солнечного элемента равен фотогенерированной току I _Ph , Что прямо пропорционально интенсивности падающего света.

Когда выходной терминал солнечного элемента разомкнут, I = 0, и напряжение разомкнутой цепи может быть получено из формулы

U _ОК = NK _B T/q * в (I _Sc /I ₀ 1)

Проще говоря, напряжение разомкнутой цепи означает, что освещенный солнечный элемент находится в состоянии разомкнутой цепи, а фотогенерированные носители могут накапливаться только на обоих концах PN перехода для создания фотогенерированной электродвижущей силы. В это время разность потенциалов, измеренная на обоих концах солнечного элемента, представлена символом U. _ОК .

Когда солнечный элемент подключен к нагрузке R, нагрузка R может варьироваться от нуля до бесконечности. Когда нагрузка R _M  Максимизирует выходную мощность солнечного элемента, его соответствующая максимальная мощность P _M  Является

P _M = I _M U _M

Где я _M  И U _M  Являются оптимальным рабочим током и оптимальным рабочим напряжением соответственно.

Когда солнечный элемент подключен к нагрузке, через нагрузку течет ток, который называется рабочим током солнечного элемента, также известным как ток нагрузки или выходной ток. Напряжение на обоих концах нагрузки называется рабочим напряжением солнечного элемента. Рабочее напряжение и ток солнечного элемента изменяются с сопротивлением нагрузки. Характеристическую кривую вольт-ампер солнечного элемента можно получить, сделав кривую рабочего напряжения и тока, соответствующую различным значениям сопротивления.

Если выбранное значение сопротивления нагрузки может максимизировать произведение выходного напряжения и тока, получается максимальная выходная мощность, которая представлена символом P _{Максимум} . Рабочее напряжение и ток в это время называются оптимальным рабочим напряжением и оптимальным рабочим током, которые представлены символами U _mp  И я _mp  Соответственно.

Соотношение максимальной мощности P _M  К продукту U _OC   И я _SC   Определяется как коэффициент наполнения FF, затем

FF = P _M /U _OC I _SC = U _M I _M /U _OC I _SC

FF является важным параметром характеристики солнечного элемента. Чем больше FF, тем выше выходная мощность. FF зависит от интенсивности падающего света, ширины запрещенной зоны материала, идеального коэффициента, последовательной устойчивости и параллельного сопротивления.

Фактор заполнения FF является важным параметром для измерения выходных характеристик солнечных элементов. Это отношение максимальной выходной мощности к продукту напряжения разомкнутой цепи и тока короткого замыкания. Он представляет максимальную выходную мощность солнечного элемента с лучшей нагрузкой. Чем больше его значение, тем больше выходная мощность солнечного элемента. Значение FF всегда меньше 1, что может быть дано следующей эмпирической формулой

FF = U _OC -В (U _OC 0,72)/U _OC +1

Где U _OC   Является нормализованным напряжением разомкнутой цепи.

Эффективность фотоэлектрического преобразования солнечного элемента относится к максимальной эффективности преобразования энергии, когда оптимальное сопротивление нагрузки подключено к внешней цепи, что равно отношению выходной мощности солнечного элемента к энергии, падающей на поверхность солнечного элемента. Эффективность преобразования фотоэлемента для прямого преобразования световой энергии в полезную электрическую энергию является важным параметром для оценки качества батареи и eta; экспресс

& Eta; = P _{Максимум}/P _m = I _МП U _МП /P _m = I _МП U _МП /FFU _OC Я _SC

То есть отношение максимальной выходной мощности батареи к мощности падающего света.