Основные характеристики фотоэлементов

Каждый фотоэлемент характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применимости в технике. К основным из них относятся: вольт-амперная, световая, частотная и спектральная чувствительность, КПД.

Нагрузочные вольтамперные характеристики выражают зависимость тока нагрузки от напряжения на фотоэлементе при включении его в различные нагрузочные сопротивления и постоянной освещенности . Эта зависимость согласно рассмотренной теории имеет вид

При точка, лежащая на оси токов, соответствует , т.к. при , , т.е. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью токов дает значение _..

При точка, лежащая на оси напряжений, соответствует фото-ЭДС, т.к. при , , т.е. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжений дает значение фото-ЭДС.

Рисунок. 1

Если освещенный фотоэлемент замкнут на сопротивление , то в цепи установится ток , величина которого определяется качеством фотоэлемента, интенсивностью освещения и величиной этого сопротивления. Вольтамперные характеристики для нескольких значений освещенностей представляют собой ряд кривых, подобных кривой рис. 1, смещенных друг относительно друга.

Световые (интегральные) характеристики выражают зависимости фото-ЭДС, тока короткого замыкания I_кз и тока нагрузки от освещённости или светового потока: 1) U_к.з=f(E), 2)I_к.з.=f(E), 3)I_н=f(E). Зависимость тока I_кз(I_кз=I_ф) от освещённости в широких пределах освещённости линейна, а характеристики, выражающие зависимость тока нагрузки от освещённости, не линейны. Не линейность между током во внешней цепи и освещённостью будет тем больше, чем больше нагрузочное сопротивление, что ограничивает применение фотоэлементов для некоторых фотометрических измерений.

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение мощности, выделяемой фотоэлементом на нагрузке, к падающему световому потоку

(1)

Значение КПД фотоэлемента определяется потерями энергии, зависящими от применяемых материалов и конструкции фотоэлемента, а также выбором режима работы фотоэлемента (сопротивлением нагрузки, освещенностью и температурой).

Потери энергии при преобразовании энергии излучения в электрическую энергию, выделяющуюся на нагрузке фотоэлемента, могут быть подразделены на световые и энергетические потери.

Световые потери – это, прежде всего, потери на отражение светового потока от поверхностного фотоэлемента, и зависящие от длины волны падающего света. Они определяются также фотоэлектрическим неактивным поглощением света: экситонным поглощением, образованием фотонов, поглощением с возбуждением внутризонных переходов, поглощением доли светового потока, прошедшего на большую глубину, вдоль до нижнего металлического электрода.

Энергетические потери – потери количества возбужденных пар электронов и дырок или переносимой им энергии. Эти потери обусловлены рекомбинацией носителей, не прошедших до p-n – перехода, и зависят от конструкции фотоэлемента, толщины наружного слоя полупроводника и состояния его поверхности. Кроме того, если энергия квантов света значительно превышает ширину запрещенной зоны, то избыточная часть поглощенной энергии растрачивается на нагревание фотоэлемента.

Расчет показывает, что оптимальный КПД при использовании солнечного излучения можно получить, если применять полупроводник с шириной запрещенной зоны ΔΕ=1.5 эВ. При этом можно достичь теоретического КПД в 25%. Теоретический предел КПД для кремниевого фотоэлемента (ΔΕ=1.12 эВ) составляет 22-23%. Реальные кремниевые солнечные батареи имеют КПД около 13%. Энергия теряется на отражение от поверхности (20%), фотоэлектрически неактивное поглощение (10-20%), рекомбинацию созданных светом пар носителей (до 25%) и т.д.