5.3.1.  Принцип действия

Полупроводниковый фотоэлемент – это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую.

Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии.

Рассмотрим принцип действия фотоэлемента с p-n-переходом в качестве выпрямляющего перехода. При освещении фотоэле­мента из-за поглощения квантов света в р-п-переходе и областях полупроводника, приле­гающих к p-n-переходу, происходит генерация новых носителей заряда. Диффузионное элек­трическое поле, существующее в p-n-переходе, производит разделение неравновесных носите­лей заряда.

Другими словами, если рассматривать энергетическую диаграмму p-n-перехода (см. рис. 5.7), то неравновесные электроны скатываются с потен­циального барьера и попадают в п-область, дырки, наоборот, попадают в р-область. В результате накопления электронов в n-области и дырок в р-области между этими областями возни­кает дополнительная разность потенциалов – фото-ЭДС.

Накопление неравновесных носителей в со­ответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с накоплением дырок в р-области и элек­тронов в n-области происходит понижение высоты потенциаль­ного барьера на значение возникшей фото-ЭДС. Уменьшение высоты потенциального барьера или уменьшение суммарной на­пряженности электрического поля в р-n-переходе ухудшает «разделительные свойства» перехода. Полярность фото-ЭДС соответствует "прямому" смещению р-п-перехода, ко­торое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и элек­тронов из n-области в p-область.

В результате дей­ствия этих двух противоположных механизмов (накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера) при разной интенсивности света уста­навливаются разные значения фото-ЭДС. При этом значение фото-ЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интен­сивности света, когда потенциальный барьер ока­зывается практически нулевым, значение фото-ЭДС выходит на «насыщение» и становится равным высоте барьера на неосвещенном р-п-переходе. При засветке же прямым, а также сконцентриро­ванным до 100 – 1000 крат солнечным излучением, значение фото-ЭДС составляет 50 – 85 % от значения контактной разности потенциала р-п-перехода.

Кроме составляющей фото-ЭДС, которая возникает из-за разделения носителей заряда электрическим полем p-n-перехода или другого потенциального барьера и которая является основ­ной в фотоэлементах, могут быть и другие составляющие. При освещении полупроводника появляется градиент концентрации электронов и дырок, которые диффундируют от освещаемой поверхности в глубь полупроводника. Но коэффициенты диффу­зии электронов и дырок различны. Поэтому возникает вторая составляющая фото-ЭДС. Кроме того, при наличии на освещаемой поверхности полупроводника ловушек захвата носителей одного знака возникает третья составляющая фото-ЭДС в результате диффузии в глубь полупроводника носителей заряда другого знака.