Для наземного солнечного излучения уменьшается (по сравнению с внеатмосферными условиями) оптимальное значение ширины запрещенной зоны полупроводника, позволяющего получить наибольшее значение КПД. Важным для достижения максимального КПД фотоэлектрического преобразования энергии является механизм протекания обратного тока через p-n– переход, определяющий коэффициент А и значение I0 (см. с. 55). Совершенствование этих параметров p-n– перехода солнечных элементов может привести к более существенному росту эффективности (см. рис. 2.13), чем расширение спектральной области фотоактивного поглощения солнечного излучения полупроводниковым материалом.

В солнечном элементе с p-n– переходом в гомогенном полупроводниковом материале p-n– переход собирает и разделяет созданные светом по обе его стороны (как в n-, так и в p-области) избыточные неосновные носители. То же самое происходит и в большинстве других, более сложных моделей солнечных элементов, за исключением, вероятно, лишь тех случаев, когда носители заряда разделяются на контакте металл — полупроводник (барьер Шоттки) и только одна из областей является фотоактивной или полностью поглощающей все солнечное излучение (это в значительной степени реализуется в тонкопленочных солнечных элементах на основе гетероструктуры сульфид меди — сульфид кадмия, где в силу высокого поглощения света в сульфиде меди в нем поглощается практически все солнечное излучение, хотя толщина слоя сульфида меди обычно невелика — от 0,05 до 0,2 мкм).

Выше было показано, что в основной полосе поглощения полупроводника, определяющей область спектральной чувствительности солнечных элементов, изготовленных из этого материала, квантовый выход фотоионизации ?=1. Следовательно, эффективный квантовый выход солнечного элемента Qэф и коэффициент собирания носителей ? представляют собой практически одно и то же, поэтому обе эти величины будем теперь обозначать одинаково — коэффициент собирания Q.

Рис. 2.15. Относительное число фотонов, доходящих до слоя глубиной l в кремнии (а) и арсениде галлия (б), для различных длин волн:

1–0,5 мкм; 2–0,7; 3–0,8; 4–0,9; 5–0,95; 6–1,0; 7–1,05; 8–1,1;

1? — 0,5; 2? — 0,5; 3? — 0,7; 4? — 0,8; 5? — 0,9 мкм

Коэффициент собирания (по определению, отношение числа избыточных носителей заряда, разделенных p-n– переходом, к числу созданных светом электронно-дырочных пар), так же как и токи через p-n– переход представляет собой сумму коэффициентов собирания носителей из р- и тг-областей по обе стороны р-n– перехода

Q?=Qn+Qp=I?.3 /(1-r) qN1

где I?.3 определяется суммой электронного и дырочного токов из р- и n– областей, а распределение фотонов Ni солнечного света по глубине полупроводника l должно быть рассчитано, исходя из известной для данного полупроводника зависимости ? (?) (зависимости коэффициента поглощения ? от длины волны ?).

Результаты таких расчетов, выполненные с использованием зависимости ?(?) для кремния и арсенида галлия, представлены на рис. 2.15.

Для качественной оценки собирания носителей заряда из разных областей солнечного элемента или полупроводникового фотоприемника полезны также следующие данные о глубине проникновения в кремний оптического излучения различной длины волны ? (мкм), определяемой величиной 1/а (мкм):

Примечание. Два последних значения 1/? вычислены по данным рис. 2.1 и 2.15.

В ряде работ получены наглядные формулы расчета I?.3(?) и Q (?), позволяющие затем сделать некоторые обоснованные упрощения при определении отдельных оптических и электрофизических параметров полупроводникового материала, как правило сильно изменившихся в готовом солнечном элементе (по сравнению с исходными значениями) в ходе многочисленных термообработок во время длительного процесса изготовления элементов. Исходным моментом при выводе этих формул служат уравнения непрерывности, записываемые без учета поля[5] и с учетом его: в уравнения включаются члены, описывающие возрастание концентрации неосновных носителей заряда в единице, объема полупроводника при диффузии из окружающих областей материала, а также определяющие количество неосновных носителей, теряемых за счет рекомбинации, выражающие процесс генерации избыточных неосновных носителей светом или отражающие влияние электростатического поля и его градиента.

Составляющая I?.3, обусловленная диффузионным током электронов через p-n– переход (считается, что распределение примесей в базе солнечного элемента равномерно и тянущее поле отсутствует), определяется при базовом слое p-типа выражением

I?.3б=qaLnN0 exp(-alп)/(1+aLn).

При базовом слое n– типа Ln в данном уравнении заменяется на Lp.