• Начало
• Поддръжка
• За нас
• Купи

Принцип на действие

Основа на фотоелектричното преобразуване е директното въздействие на слънчевото лъчение върху електроните на твърдите тела. Всяко твърдо тяло притежава определен брой носители на електричен заряд под формата на свободни електрони и положителни дупки. Концентрацията им е различна според вида на материала: при изолаторите е приблизително 1016 – 1018 в м-3, при класическите полупроводници е от 1021 до 1022, при проводниците превишава 1028.

Полупроводниците представляват кристали с правилна структура. Примерно кристалната решетка на силиция Si образува пространствена фигура тетраедър. Атомите са разположени в центъра и върховете тетраедъра. Централния атом се намира на еднакво разстояние от другите четири атома. Всеки атом на върховете на тетраедъра служи от своя страна като централен за други четири най-близо разположени атоми. Няколко тетраедъра образуват монокристал, представен на Фиг.1. На Фиг.2 е показан външния вид на силициев монокристал добит по метод Сzochralski.

Идеалния монокристал е твърдо тяло, което има правилна периодична структура, разпростираща се в целия обем. Такива монокристали не съществуват, те винаги имат примеси, размествания или липса на атоми. На Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.5 е показан принципът на р и n полупроводник. Полупроводниците, които притежават тясна забранена зона между валентната и проводимата зона, се наричат истински полупроводници.

В полупроводниците има 3 зони – проводима, валентна и забранена. За един полупроводник е важна забранената зона. Тя се намира между валентната и проводимата зона. Разстоянието между двете, изразено в енергия, се нарича широчина на забранената зона.

Широчината на забранената зона се измерва в електроволти (eV). Тя е равна на около 2 eV при полупроводниците. Преминаването на електрони от валентната в свободната зона може да стане под влиянието на всякакъв вид енергия – топлинна, светлинна или друга. Създаването на токоносители в полупроводника под действието на светлинната енергия се нарича вътрешен фотоволтаичен ефект, а проводимостта - фотопроводимост.

Светлинният поток, който въздейства върху полуороводника, се състои от кванти светлинна енергия. Вътрешният фотоефект е възможен само тогава, когато енергията, падаща на повърхността на полупроводника, е толкова голяма, че е съизмерима с широчината на забранената зона W. Ако тя е по-малка от W, нито един електрон не може да премине в зоната на проводимостта и не се наблюдава фотоефект.

За различните полупроводници вътрешният фотоефект се проявява под действие на лъчение с различен спектрален състав. При едни полупроводници той се наблюдава, когато облъчващата светлина е в ултравиолетовата част на спектъра, при други – във видимата, а при трети – в инфрачервената. Ето защо всеки фоточувствителен полупроводник има своя спектрална характеристика на вътрешния фотоефект.

Съединявайки заедно двата полупроводника от p и n тип, те образуват р-n връзка помежду си (показана на Фиг. 6), по този начин се създава електрическото поле между тях. Приборите, създадени на основата на този тип кристални полупроводници, се наричат още фотоелементи и служат за преобразуване на светлинната енергия в електрическа. Слънчевите елементи се явяват разновидност на фотоелементите и се използват пряко за преобразуване на енергията на слънчевите лъчи в електрическа енергия.

Опитът показва, че ако полупроводникова пластинка със създаден в нея РN преход се освети с лъчист поток Ф, чиито фотони имат енергия по-голяма от енергията на забранената зона на полупроводника (h > W), то на изводите от Р и N областите ще се получи фотоелектродвижеща сила. Една от областите (Р или N), върху която пада поток Ф, трябва да бъде достатъчно тънка, за да могат фотоните да достигнат до обемния заряд на РN прехода. Основните причини за появата на фотоелектродвижещото напрежение са: фотогенерацията на двойката токоносители (електрони и дупки) и разделянето им под действието на вътрешното контактно електрическо поле Ео на прехода, което ги натрупва в Р и N областите, извън обемния заряд. В N областта се натрупват електрони и тя се зарежда отрицателно, а в Р областта се натрупват дупки и тя се зарежда положително. Движението на токоносители под действието на полето Ео, обуславя електрически ток IФ, който се нарича фототок. Зарядите в двете области създават напрежение U между тях, което поляризира РN прехода в права посока. Това напрежение от своя страна формира ток Id и тогава за тока I във веригата извън РN прехода може да се напише:
I=IФ- Id

Всички тези процеси, както и външния вид на p/n прехода и на фотоелемента са дадени на Фиг.7

Фотоволтаичният ефект намира приложение за направата на фотоелектрически полупроводникови прибори, в които под въздействието на светлинен поток Ф, върху областта на p-n прехода се генерира електродвижеща сила. На Фиг.8 е показан видът на такъв фотоелемент. Както се забелязва, устройството на фотоелементите, наричани още фотоволтаици, не се различава от това на фотодиодите.

На Фиг.9 е показан механизмът на фотоволтаичния ефект в един фотоелемент. Една част от слънчевата радиация се отразява от повърхността на фотоелемента, а другата преминава през полупроводника. Фотоните с енергия по-малка от тази на забранената зона (h > W) достигат до задния контакт и го прегряват. Фотоните с по-малка енергия се поглъщат от полупроводника и само част тяхната енергия, която е h = W спомага за появяването на ефекта, а другата се преобразува в кинетична енергия на свободния електрон и накрая в топлина. Това е показано най-добре на Фиг.7.