89408

Фотоэлемент. Классификация, принцип работы, параметры, характеристики фотоэлементов

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость.

Русский

2015-05-12

140.77 KB

37 чел.

Классификация, принцип работы, параметры, характеристики фотоэлементов:

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Физический принцип работы фотоэлемента:

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Дадим схематическое изображение структуры фоторезистора (рис. 1.124,а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.124,6).          

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика.

Изобразим такую характеристику для фоторезистора типа ФСК-Г7, который работает в видимой части спектра

Часто используют следующие параметры фоторезисторов:

  1.  номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротивление равно 5 МОм);
  2.  интегральную чувствительность (чувствительность называют интегральной, так как ее определяют при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава).

Интегральная чувствительность (токовая чувствительность к световому потоку) S определяется выражением

где iф — так называемый фототок (это разность между током при освещении и током при отсутствии освещения);

Ф — световой поток.

Для фоторезистора ФСК-Г7 S = 0,7 А/лм.

Рассмотрим устройства, основные физические процессы, характеристики и параметры фотодиода.

Устройство и основные физические процессы. Изобразим упрощенную структуру фотодиода (рис. 1.126, а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.126, б).

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения иак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделанным замечанием о разделении электронов и дырок иак > 0 (дырки переходят к аноду, а электроны — к катоду).

Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещен-ностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 1.127). Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет

ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители электрода движутся к электродам (дырки — к электроду слоя р, электроны — к электроду слоя п). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при и > 0 и i< 0 (четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию во внешнюю цепь (иi < 0). В этом режиме работают солнечные элементы. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям и < 0 и i < 0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию (и • i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 1.128). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 1.129).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107—1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Изобразим соответствующие току светодиода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в опто-пару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).При этом ток i и напряжение и фотодиода соответствуют обычным для диодов условно-положительным направлениям (рис. 1.130,6).

Фототранзистор и фототиристор: Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но теперь положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока).Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса.

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO2), также известного под именем "кварцит". Другая область применения кремния - электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Структура солнечного элемента: Прежде всего , в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.

Типы солнечных элементов :СЭ может быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза.

Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47489. Java TM. Эффективное программирование 2.01 MB
  Создание и уничтожение объектов Рассмотрите возможность замены конструкторов статическими методами генерации.16 Остерегайтесь методов finlize. Методы общие для всех объектов Переопределяя метод euls соблюдайте общие соглашения.24 Переопределяя метод equls Всегда переопределяйте hshCode.
47490. Профессия: Режиссер 3.35 MB
  Недавно мне попалась книга — со времени репетиций и съемок «Гамлета» я не доставал ее с полки: трагедии Шекспира, испещренный пометками текст «Гамлета». Держал книгу в руках и думал о том, что все эти тексты с пометками вложены в меня, словно определенная программа в компьютер.
47491. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ И СИСТЕМЫ. УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 4.06 MB
  НЕЛЮБОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ И СИСТЕМЫ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ Оренбург 2006. Н 30 Электрические сети и системы: Учебное пособие к курсовому проектированию. Учебное пособие предназначено для студентов обучающихся по программам высшего профессионального образования по направлению Электроэнергетика при изучении дисциплины Электрические сети и...
47493. Язык программирования Java 2.28 MB
  Программы на языке Java строятся на основе классов. Руководствуясь определением класса, разработчик создает произвольное количество объектов, или экземпляров, данного класса. Класс и его объекты можно сравнить, соответственно, с чертежом и деталями — имея чертеж, не составляет труда произвести необходимое количество деталей
47495. дискретно-событийного моделирования систем и технология имитационного моделирования 3.66 MB
  МОДЕЛИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ. Основы дискретнособытийного моделирования СМО. ВЕРОЯТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. Моделирование дискретных случайных величин.
47496. Начинаем программировать на языке Java 150.5 KB
  Элементарные строительные блоки в Jаvа называются классами как и в C. При этом необходимо набрать имя запускаемого класса точно так как оно написано в исходном тексте программы т. Вся программа состоит из одного класса с именем JаvаTest. У этого класса имеется единственный метод min аналогичный функции min в языках программирования C и C и определяющий место с которого программа начинает выполняться так называемая точка входа.
47497. Программирование на Java 1.15 MB
  Процесс инкапсуляции значения в объект называется упаковкой (boxing). До появления Java 2 версии 5.0 вся упаковка выполнялась программистом вручную, с помощью создания экземпляра оболочки с нужным значением. В приведенной далее строке кода значение 100 упаковывается вручную в объект типа Integer: