Курс лекций Квантовая и оптическая электроника для направления подготовки

 
Практическое занятие №1 
Расчет электрических характеристик солнечного преобразователя на 
основе Si 
В связи с наметившееся в последние годы необходимостью в новых 
экологически чистых источников энергии, ведется большое количество 
исследований, связанных с разработкой источников дешевой энергии и 
преобразованием природных видов энергии в электрическую. К таким 
источникам относятся, в частности, фотодиоды. Фотодиоды имеют ряд 
особенностей, исследование которых является задачей данной лабораторной 
работы. 
Фотогальванический режим работы освещаемого р-n перехода 
Данный прибор представляет собой диод с р-n переходом большой 
площади, способный преобразовывать энергию падающего солнечного 
излучения в энергию электрического тока с КПД, достигающим 20%. 
p
n
+
-
U
x
а)
p
n
p
R
н
U
н
б)
0
1
2
U
U
x
I
нас0
I
нас
I
св
I
в)
E
n
E
фn
E
фp
E
B

E
3
I
н
e(

0
-U
н
)
X
Рисунок 1 – Фотодиод; а) конструкция прибора (сверху вниз - 
стеклянная пластина, через которую проходит солнечный свет, собирающий 
электрод, тонкая n-область, р-область, собирающий электрод); б) упрощенная 
диаграмма энергетических зон освещенного р-n перехода, нагруженного на 
СКФУ_ИЭЭиН_ТН

---

резистор R; в) вольт-амперная характеристика (кривая 1 – темновой режим, 2 
– режим освещения; IV квадрат соответствует фотовентильному режиму 
работы 
Если
солнечный свет с энергией кванта, равной или превышающей Е
g
, 
падает на n-слой р-n перехода, то в обедненной области образуются 
электронно-дырочные пары. Существующее в этой области внутреннее 
электрическое поле заставляет электроны двигаться по направлению к n-
области, а дырки к р-области. Если имеется цепь нагрузки, то в ней под 
действием света возникает некоторый ток J
св
. 
Будем считать, что при отсутствии освещения солнечный элемент 
имеет ВАХ идеального диода (
e
kT
Т


): 








1
*
т
U
s
e
J
J

(1) 
Если подать освещение, то: 
св
U
s
J
e
J
J
т









1
*

(2) 
Причем, знак тока J
св
взят отрицательно, так он создан неосновными 
носителями и направлен в противоположную сторону. На рис.la показана 
ВАХ солнечного преобразователя, полученная из характеристики в темновом 
режиме вычитанием величины J
св
. 
Из формулы (2) можно найти напряжение, которое возникает в 
разомкнутой цепи (режим холостого хода) при J= 0: 















s
св
т
s
св
т
Х
J
J
J
J
U
ln
1
ln


(3) 
и ток короткого замыкания при U= 0: 
св
кз
J
J


(4) 
СКФУ_ИЭЭиН_ТН

---

При подключении к освещенному переходу нагрузочного резистора в 
переходе возникает фото-ЭДС, значение которой меньше U
х
. Через переход 
протекает диффузионный ток: 
т
U
s
дф
e
J
J

*

, а 
дф
s
св
н
J
J
J
J



или 









s
н
св
т
н
J
J
J
U
1
ln
*

(5) 
Учитывая внутреннее сопротивление преобразователя r для 
напряжения на нагрузке, имеем: 










s
н
св
н
н
т
н
J
J
J
R
r
R
U
1
ln
*
*

(6) 
Мощность в нагрузке: 










s
н
св
н
н
н
т
н
н
J
J
J
R
r
J
R
U
J
P
ln
*
*
*

(7) 
Условие максимума мощности 
0

н
dU
dP
: 
м
св
м
s
м
св
J
J
J
J
J
J









ln
(8) 
где J
м
– ток, удовлетворяющий условию максимуму мощности. 
Задачи 
1. Построить зависимость P(Rн) и определить точку максимума и 
соответствующее значение Rн. 
2. Как определить значения Uх и Jкз (при использовании резистора с 
минимальным номиналом). 
3. Вычислить значения Jсв и Js в соответствии с формулами (3, 4). 
4. Рассчитать внутреннее сопротивление r. 
5. Решить графическим способом уравнения (8) для определения тока 
Jм. 
СКФУ_ИЭЭиН_ТН

---

6. Построить зависимость мощности выделяемой на нагрузки от 
величины сопротивления нагрузки Р(R
H
). 
7. Рассчитать площадь солнечной батареи для подключения нагрузки 
мощностью 1000 Вт расположенной на экваторе, если коэффициент 
преобразования равен 20%. 
8. Рассчитать площадь солнечной батареи для подключения нагрузки 
мощностью 200 Вт расположенной в космосе, если коэффициент 
преобразования равен 10%. 
9. Рассчитать площадь солнечной батареи для подключения нагрузки 
мощностью 2000 Вт расположенной в космосе, если коэффициент 
преобразования равен 50%. 
10. Рассчитать площадь солнечной батареи для подключения нагрузки 
мощностью 3000 Вт расположенной на экваторе, если коэффициент 
преобразования равен 25%.