1. Introducere
In lucrare se studiaza efectul fotovoltaic in jonctiuni p-n, precum si aplicatiile acestui fenomen in fotodetectori (fotodiode) sau ca celule de conversie directa a radiatiei luminoase in energie electrica (fotoelemente, celule solare).
Vom presupune o radiatie luminoasa din domeniul de absorbtie fundamentala a semiconductorului care cade perpendicular pe suprafata regiunii p, (planul x=0 din fig. 1a). Daca coeficientul de saturatie este foarte mare (dp>> ) putem presupune ca generarea purtatorilor de neechilibru are loc practic la planul x = 0. Ei difuzeaza spre interior concentratia lor scazand cu distanta datorita recombinarii, dupa legea:
(1)
unde este lungimea de difuzie adica drumul parcurs de purtatori in timpul de viata . Purtatorii care nu recombina si ajung in zona campului intern al jonctiunii, sunt separati de catre aceasta, electronii de concentratie n(dp) fiind antrenati in regiunea "n" a structurii, golurile de neechilibru fiind "blocate" de bariera in regiunea p, cele doua regiuni incarcandu-se negativ, respectiv pozitiv, pana la atingerea unui regim stationar datorita concurentei proceselor de generare si recombinare.
Aceasta incarcare conduce la aparitia unui camp electric stationar opus celui al jonctiunii, care se distribuie tot in zona stratului de baraj si care micsoreaza bariera de potential la fel ca la aplicarea unei tensiuni directe.
La circuit deschis curentul total este nul astfel incat curentii directi de difuzie si determinati de scaderea barierei de potential compenseaza total atat curentii de camp generati termic cat si pe cei determinati de sarcinile de neechilibru generate optic (curenti inversi):
(2)
(3)
In acest caz la bornele dispozitivului apare o diferenta de potential V=Vmax=VF, polaritatea acestei tensiuni fiind determinate de semnele sarcinilor acumulate: ("+" la p) si ("-" la n).
Daca dispozitivul este legat in serie cu o rezistenta de sarcina R (fig.1b) in circuit apare un fotocurent opus ca sens celui care ar trece prin R daca jonctiunea neiluminata ar fi polarizata de la o sursa externa, la aceiasi tensiune (directa), adica fotocurentul are acelasi sens ca si curentul invers de generare al jonctiunii neiluminate (curentul de saturatie). Prin urmare dispozitivul functioneaza ca generator de curent; in regim de scurtcircuit (R=0) fotocurentul este maxim si V=0.
In functie de rezistenta de sarcina R, multimea punctelor (I,V) determina o curba in cadrul patru al planului (I,V) numita caracteristica fotoelementului, fig.2. De fapt chiar pentru R=0, caderea de tensiune pe dioda nu este nula deoarece exista contributia rezistentei serie a dispozitivului, rs, determinata de rezistentele regiunilor neutre si ale contactelor.
Remarcam pentru acest mod de functionare ca produsul P=IV<0, in concordanta cu conventia termodinamica pentru dispozitive generatoare de putere, intersectand caracteristica din fig.2 cu dreapta de ecuatie V= -RLI obtinem punctul de functionare al dispozitivului, puterea debitata fiind egala cu aria dreptunghiului hasurat. Se observa cu usurinta ca exista o singura valoare a rezistentei de sarcina RLm pentru care puterea debitata este maxima.
Fotocurentul si tensiunea corespunzatoare puterii maxime se determina din conditia dar utilizarea acestei ecuatii necesita cunoasterea ecuatiei caracteristicii I = I(V).
Neglijand fenomenele de recombinare generate in stratul de baraj, presupunerea valabila pentru <
(4)
In aceasta expresie, IL, independent de V, este curentul determinat de actiunea luminii, proportional cu fluxul luminos iar IS este curentul de saturare a carei expresie, in teoria Shockley este:
(5)
Schema echivalenta a dispozitivului care justifica ecuatia (4) este prezentata in fig.3 si consta dintr-un generator de curent constant IL care reprezinta efectul iluminarii, in paralel cu o jonctiune p-n obisnuita.
Luarea in considerare in schema echivalenta a contributiei rezistentei seriei precum si a fenomenelor de generare-recombinare in stratul de baraj se face prin introducerea in schema echivalenta a unei rezistente paralele rsn montate ca in fig. 4. Pentru aceasta schema echivalenta caracteristica current-tensiune este:
(6)
Dupa cum a aratat Sze/2/ forma caracteristicii I,V, in cadrul patru, adica acolo unde dispozitivul functioneaza ca fotoelement (sau celula solara), este puternic influentata de rezistenta serie si mai putin de rezistenta paralel; aceasta influenta se traduce prin micsorarea ariei de sub curba din cadrul patru. Teoria si experienta au aratat ca influenta rezistentei serie poate fi neglijata pentru valori ale acesteia mai mici de 1 Ω iar cea a rezistentei paralel pentru valori de peste 100Ω. In astfel de cazuri se poate lucra cu expresia simplificata (4) si schema echivalenta din fig.3. In figura .5 se prezinta trei cartacteristici I-V pentru fluxurile luminoase Φ=0,Φ1<Φ2 pentru o jonctiune polarizata.
La polarizarea inversa a dispozitivului, curentul printr-o rezistenta de sarcina R, este puternic influentat de actiunea radiatiei luminoase. Astfel, presupunand ca sursa de polarizare dezvolta o forta electromotoare -E, punctul de functionare A0 al dispozitivului, in absenta izvorului de lumina, se gaseste la intersectia caracteristicii(Φ=0) cu drepta de sarcina de ecuatie E+V+RI= 0.
Dupa cum rezulta cu usurinta din analiza schemei din fig.3 in care este introdusa si o sursa de polarizare inversa, punctele de functionare ale dispozitivului pentru fluxurile Φ1 si Φ2, A1 si A2, sunt date de intersectiile aceleeasi drepte de sarcina (Δ) cu caracteristicile (Φ1) si (Φ2). Deci daca initial punctul de functionare al dispozitivului se gaseste in A0, acesta la iluminare, se muta in A1,A2, ., determinand o scadere puternica a tensiunii de pe dispozitiv si cresterea corespunzatoare a celei de pe rezistenta de sarcina, conform ecuatiei dreptei de sarcina (Δ). Acesta este domeniul in care dispozitivul functioneaza ca fotodioda.
