Происхождение вентильной фото-ЭДС.
В солнечных батареях используется такое свойство полупроводникового диода с p - n -переходом: при облучении светом, попадающим в его полосу оптического поглощения, он создаёт электродвижущую силу, способную поддерживать ток в замкнутой цепи, элементом которой этот диод является. При этом ток в цепи течёт в направлении, которое для диода является обратным: посторонние свободные электроны входят в p -область и выходят из n -области.
Мы вновь говорим «посторонние свободные электроны», потому что генерируемый фотодиодом ток в замкнутой цепи определяется только ими. Фототок течёт не потому, что фотодиод, поглощая свет, продуцирует всё новых и новых свободных носителей электричества. В этом случае их количество в цепи возрастало бы, и режим стационарного тока, с одинаковыми его значениями в каждом поперечном сечении цепи, был бы невозможен. Гораздо разумнее выглядит допущение о том, что фотодиод играет роль насоса, который «втягивает» посторонние свободные электроны из цепи в свою p -область и выталкивает их в цепь из своей n -области.
Надо сказать, что так и полагали первые исследователи твердотельных фотоэлементов, и это подчёркивается введённым ими термином «вентильная фото-ЭДС». Вентильный фотоэлемент всего лишь перекачивает электроны – о «дырках» нет и речи, поскольку если в металлических подводящих проводах ток имеет чисто электронную природу, то и в фотоэлементе его природа такая же. Так, читаем: «можно с полной уверенностью сказать, что… в перечисленных вентильных элементах, процессы являются чисто электронными» [26]. Саму же вентильную фото-ЭДС объясняли неодинаковостью величин работ выхода электронов во внешнюю цепь из n -области и из p -области: первая, очевидно, меньше – что, якобы, и создаёт вентильный эффект. Но при таком подходе приходится игнорировать происходящее в области p - n -перехода – ведь для электронов из n -области работа выхода в p -область ещё меньше, чем работа выхода во внешнюю цепь. В рамках современного подхода считается, что электроны из n -области диффундируют в p -область, а дырки из p-области – в n-область, и в результате в областиp - n -перехода образуется т.н. «запирающий слой» [4,8,27,28] (или, что то же самое, «потенциальный барьер» [3]). Но, так или иначе, стационарное равновесное распределение зарядов в фотоэлементе не может обеспечить ЭДС, способную поддерживать постоянный фототок в замкнутой цепи.
|
|
|
В необходимой для этого динамике зарядов ключевую роль, на наш взгляд, играют зарядовые разбалансы. В самом деле, при поглощении света, в n -области фотодиода продуцируются, преимущественно, отрицательные зарядовые разбалансы, а в p -области – преимущественно, положительные. Поскольку те и другие способны мигрировать по химическим связям, в фотоэлементе возникает встречная миграция эффективных зарядов противоположного знака – к p - n -переходу. Здесь важно отметить, что энергия зарядовых разбалансов может превращаться в другие формы энергии, а сами зарядовые разбалансы имеют характерное время жизни – за которое они могут сместиться на характерную диффузионную длину. Поэтому, в довольно широком диапазоне освещённостей, встречные миграции эффективных зарядов в фотоэлементе – менее или более интенсивные – будут продолжаться, пока будет происходить поглощение света. Как эти потоки электричества скажутся на поведении свободных электронов? Известно, что свободные заряды реагируют на электрические токи своим движением – таким, которое компенсировало бы эти токи хотя бы частично. Что же мы видим в вентильном фотоэлементе? В его p -области положительные эффективные заряды движутся к p - n -переходу, значит, свободные электроны вp -области, компенсируя этот ток, должны двигаться в том же направлении. В n -области отрицательные эффективные заряды тоже движутся к p - n -переходу, значит, свободные электроны в n -области, компенсируя этот ток, должны двигаться в противоположном направлении – т.е. в том же, в каком движутся свободные электроны в p -области. Таким образом, пока будет продолжаться поглощение света в вентильном фотодиоде, в нём будет происходить сквозное движение свободных электронов в направлении p -область-n -область – а, значит, будет поддерживаться фототок во всей замкнутой цепи, в которую включён этот фотодиод.
|
|
|
|
|
|
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 169; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!