Фототүрлендіргіштің жұмыс істеу тәртібі

Фотоэлектрлік түрлендіргіште оған түсетін сәулелену энергиясы ішінара ток тасушыларының потенциалды энергиясына айналады. Дәл осы потенциалды энергия түрлендіргішке сыртқы жүктеме қосылған жағдайда ток шығаратын түрлендіргіштің э.қ.к.-і болып табылады. Құрылғының жетіспеушілігі салдарынан энергияның пайдалы өзгеруімен бір мезгілде энергияның кеңістікке жылу түрінде пайдасыз ыдырауына әкелетін үдерістер жүреді [5, 9, 12, 24].

Әрбір фотоэлектрлік түрлендіргіште энергия шығындарының келесідей түрлері орын алады (10.1-сурет):

1) жарықтық шығындар;

2) түрлендіргіш ішіндегі қозғалыс кезіндегі электрондар мен саңылаулардың энергия шығындары;

Жарықтық шығындар мына жағдайлардың салдарынан болады:

– түскен сәулеленудің түрлендіргіштің бетінен шағылуы;

– түрлендіргіштің жұмыстық затындағы фотондардың фотоэлектрлік белсенді емес жұтылуы, яғни фотондардың жартылай өткізгіште электрон-саңылау жұбына құрмастан жұтылуы;

– фотондардың біраз мөлшерінің артқы (сыртқы) электродқа дейін өтіп, сонда жұтылуы.

Түрлендіргіш ішіндегі қозғалыс кезіндегі электрондар мен саңылаулардың энергия шығындары келесідей үдерістердің есебінен болады:

– энергияның торкөзге берілуімен қатар жүретін жарықпен құрылған жұптардың рекомбинациялануы;

–фотоэлектрондар мен фотосаңылаулардың R_ш шунттаушы кедергі арқылы жылыстауы;

– фотоэлектрондар мен фотосаңылаулардың олардың торкөздің атомдарымен соқтығуы кезіндегі энергия шығындары (бір зонаның шегінде төмен орналасқан деңгейлерге өту);

– фотоэлектрондар мен фотосаңылаулардың R_п түрлендіргіштің тізбектік кедергісі арқылы өтуі.

Жарықпен құрылған жұптардың рекомбинациялануы және шунттаушы кедергі арқылы жылыстау ток бойынша шығындарды құрайды және жарықпен құрылған тасушылардың қай бөлігі жүктеменің кедергісі арқылы ток түзе отырып, р-п -өткелге дейін жететінін анықтайды.

Фотоэлектрондардың (немесе фотосаңылаулардың) торкөздің атомдарымен соқтығуы кезіндегі және олардың тізбектік кедергі арқылы өтуі кезіндегі энергия шығындары кернеу бойынша шығындарды береді. Кернеу бойынша шығындар фотоннан электронға (саңылауға) берілген энергияның қай (орташа) бөлігі пайдасыз жоғалатынын көрсетеді. 10.1-суретінде қолайлы жағдайларда жұмыс істейтін кремнийлі фотоэлементке арналған шығындардың таралуы көрсетілген.

Жоғарыда аталған шығындардың әрқайсысына тоқталып өтелік.

Жарықтық шығында – кремнийдің шағылу коэффициенті әжептәуір жоғары және ол шамамен 30%-ға жуық. Шағылуға кететін шығындарды фотоаппараттардың объективіндегі қабаттар тәріздес әртекті жарықтандыратын қабаттар қолдана отырып азайтуға болады. Бұл спектрдің көрнекті бөлігіндегі шағылуды 6-9%-ға дейін азайтуға мүмкіндік береді.

Фототүрлендіргішке түсетін сәулелену энергиясының бір бөлігі ток тасушылары жұбының құрылуына байланысы жоқ жартылай өткізгіш денесінде жұтылу есебінен жоғалады, яғни жылуға айналады. 1,12 эв -дан кем энергиялы кванттарға сәйкес келетін күн спектрінің бүкіл ұзынтолқынды (белсенді емес) бөлігінің энергиясы күнмен сәулелену спектрінің 12-20%-ын құрайды. Спектрдің белсенді бөлігінің шағылуға кететін шығындарын ескергенде, жарықтық шығындар түсетін энегрияның 26-30%-дан астамын құрайды.

10.1-сурет. Кремний фототүрлендіргішінің энергия шығындарының таралу сұлбасы

 

Сыртқы электродта жұтылу есебінен жоғалатын энергия мөлшері жұмыстық заттың қабатының қалыңдығымен анықталады. Әдетте сыртқы электродқа дейін спектрдің белсенді бөлігінің ұзын толқынды облысының сәулеленуінің шамалы үлесі ғана жетеді.

Рекомбинациялық шығындар – жартылай өткізгіш қабатында жарықпен құрылған негізгі емес ток тасушыларының барлығы бірдей жүктемедегі ток түзілуіне қатыспайды. Олардың бір бөлігі негізгі тасушылармен бірге көлемде немесе бетте рекомбинацияланады. Бұл жағдай жұптарды бөлу тиімділігін сипаттайтын α коэффициентін енгізер кезде ескеріледі. α шамасы тәжірибелік өлшенген қысқа тұйықталу тогының (яғни, сыртқы тізбекке өтетін ток тасушыларының жалпы санының) жартылай өткізгіште уақыт бірлігінде генерацияланатын ток тасушыларының толық санына қатынасын білдіреді.

Жұптарды бөлу тиімділігі келесідей бірқатар факторларға тәуелді:

1) жартылай өткізгіштегі жарықтың жұтылу коэффициенті;

2) р-п өткелдің орналасу тереңдігі мен жұптардың құрылуы жүретін облыстың көлемі арасындағы арақатынас;

3) р-п -өткелдің ені;

4) ток тасушыларының диффузиялық ығысу ұзындығы;

5) жұмыстық беттің жағдайына тәуелді беттік рекомбинацияның жылдамдығы.

Рекомбинацияға кететін шығындарды азайту үшін өткел жұптар құрылатын облыстан диффузиялық ығысудың ұзындығынан кем арақашықтықта тұруы қажет. Оған қоса, фотоэлементтің п.ә.к.-ін едәуір төмендететін беттік рекомбинацияның жылдамдығын минимумға жеткізу қажет.

Тізбектік кедергі және ол себепші болған фототүрлендіргіштің құрылмасы туатын шығын – фототүрлендіргіштің тізбектік кедергісі R_n айтарлықтай дәрежеде оның сапасын анықтайтын фактор болып табылады.

Шунттаушы кедергі – R_ш түрлендіргіштің жұмысына R_n қарағанда едәуір аз әсер етеді. Әдетте R_ш шамасы 1000 Омнан асады. Бірақ тіпті R_m=100 Ом болған кезде де бұл кедергі себепкер болған ток шығындары генерацияланатын токтың 1%-ын құрайды және де алынатын қуаттың шығыны мардымсыз. R_ш шамасының азаю себебі болып әдетте белгілі бір себептермен өндіріс үдерісі кезінде фотоэлементтің бетінде р-п -өткелдің сыртқа шығатын жерлерінде қалып қойған әрқилы бөгде қосылулар табылады.