Семінарське заняття 3

План

1. Електронно-діркові переходи, гетеропереходи та їх застосування в СЕЖ

2. Напівпровідникові сонячні елементи живлення

3. СЕЖ на барвниках

4. Методи визначення ККД сонячного елемента живлення.

5. Кремнієві сонячні елементи.

6. Перспективи використання сонячної енергії в Україні та світі.

1. Електронно-діркові переходи, гетеропереходи та їх застосування в сеж

В напівпровіднику p-типу концентрація дірок набагато перевищує концентрацію електронів. В напівпровіднику n-типу концентрація електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Якщо між двома такими напівпровідниками встановити контакт, то виникне дифузійний струм — носії заряду, хаотично рухаючись перетікатимуть із тієї області, де їх більше у ту область, де їх менше. При такійдифузії електрони та дірки переносять із собою заряд. Як наслідок, область на границі стане зарядженою. Та область у напівпровіднику p-типу, яка примикає до границі розділу, отримає додатковий негативний заряд, принесений електронами, а погранична область в напівпровіднику n-типу отримає позитивний заряд, принесений дірками. Таким чином, границя розділу буде оточена двомаобластями просторового заряду протилежного знаку.

Електричне поле, яке виникає внаслідок утворення областей просторового заряду, спричиняєдрейфовий струм у напрямку протилежному дифузійному струму. Врешті-решт, між дифузійним і дрейфовим струмами встановлюється динамічна рівновага і перетікання зарядів припиняється.

Якщо прикласти зовнішню напругу таким чином, щоб створене нею електричне поле було направленим в протилежному напрямку до напрямку електричного поля між областями просторорового заряду, то динамічна рівновага порушується, і дифузійний струм переважатиме дрейфовий струм, швидко наростаючи з підвищенням напруги. Таке під'єднання напруги до p-n переходу називається прямим зміщенням.

Якщо ж зовнішня напруга прикладена так, що створене нею поле є такого ж напрямку що і поле між областями просторового заряду, то це призводить лише до збільшення областей просторового заряду, й струм через p-n перехід не проходитиме. Таке під'єднання напруги до p-n переходу називається зворотним зміщенням.

На властивостях p-n переходів ґрунтується робота численних напівпровідникових приладів: діодів,транзисторів, сонячних елементів, світлодіодів тощо.

На відміну від р-n переходу, утвореного в результаті контакту напівпровідників з однаковою шириною забороненої зони (гомо – перехід), гетеропереходом називають перехід, утворений у результаті контакту напівпровідників з різною шириною забороненої зони. Прикладами гетеропереходів можуть служити переходи германія — кремнія, германія — арсеніду галію і інші.

Напівпровідники, які використовуються для створення гетероперехода, повинні мати ідентичні кристалічні структури, тобто кристалічна решітка одного напівпровідника повинна з мінімальними порушеннями переходити в кристалічну решітку іншого.

Найбільший практичний інтерес представляють гетеропереходи, утворені напівпровідниками з різною шириною забороненої зони, причому цікавими властивостями володіють не тільки гетеропереходи між напівпровідниками n - і р - типа, але і гетеропереходи з одним типом провідності: пп чи рр.

Розглянемо особливості фізичних процесів у гетеропереходах. На рисунку 9 приведена енергетична діаграма р-n гетеропереходу, у якому ширина забороненої зони діркового напівпровідника менше, ніж в електронного напівпровідника. Особливістю енергетичної діаграми гетероперехода є розрив енергетичних рівнів у валентній зоні ΔW_в і в зоні провідності ΔW_п. Величина розриву залежить від співвідношення ширини заборонених зон ΔW₁ і ΔW₂.

В зоні провідності величина розриву обумовлена різницею дійсних робіт виходу електронів з р- і n– напівпровідників, а у валентній зоні, крім цього, ще і нерівністю енергій WB₁ і WВ₂. Тому потенційні бар'єри для електронів і дірок будуть різними: потенційний бар'єр для електронів у зоні провідності менше, ніж для дірок у валентній зоні. При подачі на перехід напруги в прямому напрямку потенційний бар'єр для електронів зменшується і електрони з n– напівпровідника будуть інжектуватись в р– напівпровідник. Потенційний бар'єр для дірок в р- області також зменшиться, але (при правильному виборі величини прямої напруги) усе-таки залишиться досить великим для того, щоб інжекції дірок з р- області в n- область практично не було. У такий спосіб можна досягнута інжекція носіїв струму тільки в одну з областей р-n переходу, що дуже важливо для високоякісної роботи багатьох напівпровідникових приладів (транзисторів, світлодіодів і т.д.).

Дуже важливо відзначити, що при використанні гетеропереходів типу пп в прямій провідності беруть участь тільки основні носії струму — електрони. Це означає, що при переключенні приладу з прямого включення в зворотне в ньому не буде відбуватися відносно повільного розсмоктування неосновних носіїв, як у звичайних р-n переходах. Отже, за допомогою подібних гетеропереходів може бути істотно зменшений час переключення напівпровідникових приладів (аж до 0,3 — 1 нс), що особливо важливо для створення швидкодіючих перемикаючих елементів і пристроїв.