ий внесок у розуміння механізму дії фотоефекту в напівпровідниках вніс засновник Фізико-технічного інституту (ФТІ) Російської Академії наук академік А.Ф. Іоффе. Він мріяв про застосування напівпровідникових фотоелементів в сонячній енергетиці вже в тридцяті роки, коли Б.Т. Коломієць і Ю.П. Маслаковец створили в ФТІ сірчистої-талліевого фотоелементи з рекордним для того часу ККД=1%.
Широке практичне використання для енергетичних цілей сонячних батарей почалося з запуском в 1958 році штучних супутників Землі - радянського Супутник - 3 і американського Авангард - 1. З цього часу ось вже більше 35 років напівпровідникові сонячні батареї є основним і майже єдиним джерелом енергопостачання космічних апаратів і великих орбітальних станцій типу Салют і Світ raquo ;. Великий заділ, напрацьований вченими в області сонячних батарей космічного призначення, дозволив розгорнути також роботи по наземній фотоелектричної енергетиці.
Основу фотоелементів становить напівпровідникова структура з pn переходом, що виникають на кордоні двох напівпровідників з різними механізмами провідності. Зауважимо, що ця термінологія бере початок від англійських слів positive (позитивний) і negative (негативний). Отримують різні типи провідності шляхом зміни типу введених в напівпровідник домішок. Так, наприклад, атоми III групи Періодичної системи Д.І. Менделєєва, введені в кристалічну решітку кремнію, надають останньому діркову (позитивну) провідність, а домішки V групи - електронну (негативну). Контакт p- або n-напівпровідників приводить до утворення між ними контактного електричного поля, що грає надзвичайно важливу роль у роботі сонячного фотоелемента. Пояснимо причину виникнення контактної різниці потенціалів. При з'єднанні в одному монокристалі напівпровідників p- і n-типу виникає дифузійний потік електронів з напівпровідника n-типу в напівпровідник p-типу і, навпаки, потік дірок з p- в n-напівпровідник. У результаті такого процесу прилегла до pn переходу частина напівпровідника p-типу буде заряджатися негативно, а прилегла до pn переходу частина напівпровідника n-типу, навпаки, придбає позитивний заряд. Таким чином, поблизу pn переходу утворюється подвійний заряджений шар, який протидіє процесу дифузії електронів і дірок. Дійсно, дифузія прагне створити потік електронів з n-області в p-область, а поле зарядженого шару, навпаки, - повернути електрони в n-область. Аналогічним чином поле в pn переході протидіє дифузії дірок з p- в n-область. В результаті двох процесів, що діють в протилежні сторони (дифузії і руху носіїв струму в електричному полі), встановлюється стаціонарний, рівноважний стан: на кордоні виникає заряджений шар, що перешкоджає проникненню електронів з n-напівпровідника, а дірок з p-напівпровідника. Іншими словами, в області pn переходу виникає енергетичний (потенційний) бар'єр, для подолання якого електрони з n-напівпровідника і дірки з p-напівпровідника повинні затратити певну енергію. Не зупиняючись на описі електричних характеристик pn переходу, який широко використовується в випрямлячах, транзисторах і інших напівпровідникових приладах, розглянемо роботу pn переходу в фотоелементах.
При поглинанні світла в напівпровіднику збуджуються електронно-діркові пари. В однорідному напівпровіднику ФОТОЗБУДЖЕНОГО збільшує тільки енергію електронів і дірок, не розділяючи їх у просторі, тобто електрони і дірки розділяються в просторі енергій raquo ;, але залишаються поруч в геометричному просторі. Для поділу носіїв струму і появи фотоелектродвіжущей сили (фотоЕДС) повинна існувати додаткова сила. Найбільш ефективне розділення нерівноважних носіїв має місце саме в області pn переходу. Генеровані поблизу pn переходу неосновні носії (дірки в n-напівпровіднику і електрони в p-напівпровіднику) дифундують до pn переходу, підхоплюються полем pn переходу і викидаються в напівпровідник, в якому вони стають основними носіями: електрони будуть локалізуватися в напівпровіднику n-типу, а дірки - в напівпровіднику p-типу. У результаті напівпровідник p-типу отримує надлишковий позитивний заряд, а напівпровідник n-типу - негативний. Між n- і p-областями фотоелемента виникає різниця потенціалів - фотоЕДС. Полярність фотоЕДС відповідає прямому зміщення pn переходу, яке знижує висоту бар'єру і сприяє інжекції дірок з p-області в n-область і електронів з n-області в p-область. У результаті дії цих двох протилежних механізмів - накопичення носіїв струму під дією світла і їх відтоку через пониження висоти потенційного бар'єру - при різній інтенсивності світла встановлюється різна величина фотоЕДС. При цьому величина фотоЕДС в широкому діапазоні освітленостей зростає пропорційно логарифму інтенсивності світла. При дуже великої інтенсивності світла, коли потенційний бар'єр виявляється практично нульовим, величина фотоЕДС виходить на насичення і стає рівній висоті бар'єру на неосвітленій pn переході. При засветке ж прямим, а т...
