|
| |
|
Слаботочка Книги кая разнородность и не все требуемые области спектра могут быть одинаково обеспечены высококачественными приемниками. Наиболее универсальна третья группа полупроводников - тройные соединения, в которых изменение состава позволяет плавно менять ширину запрещенной зоны (и тем самым смещать красную границу фоточувствительности) в очень широких пределах. Самым перспективным представителем этой группы материалов является соединение кадмий - ртуть - теллур CdHgTe (KPT), применяется также свинец - олово - теллур PbSnTe (СОТ). К середине 1980-х гг. созданы КРТ-мишени с числом элементов разложения 32x32, 64x64, 128x128, работоспособные в диапазонах длин волн 7i=l ... 4 мкм; Х=3 ... 5 мкм; К=8... 12 мкм соответственно. Разработаны удобные гибридные конструкции (рис. 6.21), позволяющие сочетать в одном миниатюрно.м приборе светочувствительный ИК-растр, ПЗС-регистры переноса, микропроцессорную схему обработки и микрохолодильник. Аналогичные приборы созданы и на основе ряда других полупроводников, в частности на основе InSb для диапазона Я=3... 5 мкм. Созданные фотомишени позволяют обнаруживать объекты на расстоянии до 200 км и уверенно их распознавать на расстоянии 20... ...30 км. 6.6. СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Вводные замечания. Солнечные фотопреобразователи представляют собой полупроводниковые фотодиоды, оптимиэироваиные для прямого преобразования излучения Солица в электрическую энергию. Используются также термины «солнечные элементы», «солнечные батареи». Солнечные элементы работают только в фотовентильном режиме, функционально выступая в качестве электрических батарей или других подобных источников питания. Основными параметрами солнечного элемента являются (рис. 6.22): максимальная отдаваемая в нагрузку электрическая мощность Рэ.мак«; коэффициент полезного действия Рэ.макс с; Рс=РсА, где Рс - интегральная мощность солнечного излучения на элементе; рс - плотность интегральной мощности солнечного излучения; А - площадь фоточувствителньой поверхности; электродвижущая сила холостого хода (или ЭДС разомкнутой цепи) f/xx; ток короткого замыкания (максимальный фототок) /кз; последовательное сопротивление ?посл; коэффициент формы А = Рэ.малс IUxJk3, характеризующий отклонение вида функции U=}{I) от идеального прямоугольника; максимальная степень концентрации излучения, при которой элемент сохраняет эффективность преобразования <с.макс=Рск/рс> где рск- плотность мощности сконцентрированного солнеч-светки ного излучения. з.макс  Рис. 6.22. Нагрузочная вольт-амперная характеристика солнечного элемента при различных уровнях за- в процессе эксплуатации для значений рабочего напряжения и тока справедливы неравенства f/pa6<[/xx и /раб</кз. Экономические аспекты применения солнечных элементов характеризуются такими важнейшими комбинированными показателями, как отношение стоимости, площади активной поверхности, массы элемента к вырабатываемой этим элементом мощности. Отметим, что важнейшие параметры «обычных» фотодиодов, такие как уровень шумов, емкость, постоянная времени релаксации и другие, для солнечных элементов несущественны. При оптимизации фотопреобразователей определяющим моментом является учет особенностей солнечного спектра (рис. 6.23), лежащего в широком диапазоне 0,22... 3 мкм (или от 0,4 до 1,7 мкм по уровням 10... 907о пол-ой мощ-иости) и имеющего максимум вблизи Я,»0,55 мкм. В космосе кривая спектральной плотности солнечного излучения удовлетворительно аппроксимируется функцией Планка для абсолютно черного тела, нагретого до 7=5800... 5900 К; при прохождении через атмосферу кроме некоторого общего ослабления интенсивности возникают эффекты, связанные с резонансным избирательным поглощением света углекислым газом, кислородом и главным образом парами воды, - яа кривой появляются «зазубрины». В гелиоэнергетике приняты следующие условные обозначения различных солнечных воздействий: АМО -- в космосе, AMI-на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените, АМ2, АМ1.5 - на поверхности Земли, когда Солнце находится под углом 30 и 45° к горизонту. Цифры 1 и 2 означают, что солнечное излучение проходит одинарную и двойную толщу земной атмосферы. Принято, что AMI характеризуется потоком 0,1 Вт/см, это приблизительно соответствует тому, что реально имеет место вблизи экватора. При АМ2 поток излучения близок к 0.075... 0,08 Вт/см. Типичной, «классической» структурой солнечного фотопреобразователя является кремниевый монокристаллический п+-р-фотодиод (рис. 6.24). Его конст- С,22мкм  2,8 3,2 Рис. 6.23. Спектральная плотность солнечного излучения: в космосе (АМО)- 2-на поверхности Земли (ЛМ2): 3 - излучение абсолютно черного тела с Г-БВОО К; 4-доля полной мощности коротковолновой части излучения т, 2.0 и 0,8 0,6 Л, тп  Рис. 6.24. Структура кремниевого фотопреобразователя: / -Р+-СЛОЙ; 2 -база (я-типа); 3 - нижний контакт; 4-антиотражающее покрытие; 5 - защитные пленки; б - гребенчатый электрод  2,0 Ед,эВ Рис. 6.25. Расчетная зависимость предельного КПД солнечных элементов от ширины запрещенной зоны используемых полупроводников: □ - монокристаллические элементы; О - пленочные элементы руктивные особенности: максимально возможная площадь фоточувствительной поверхности; оптимальные значения толщины и удельного электрического сопротивления базовой области, обеспечивающие наилучшие условия одновременно для поглощения падающего света и собирания генерируемых носителей к+-р-переходом; высокое время жизни электронов т„ в базовой области для снижения рекомбинационных потерь; наличие антиотражающих покрытий, малая толщина контактных слоев для уменьшения паразитного поглощения коротковолновой составляющей спектра; использование гребенчатой или сетчатой конфигурации токосъемных электродов, обеспечивающей минимизацию последовательного сопротивления. Основы теории. При проведении расчетов в целях удобства сопоставления с формулами § 2.2 и 6.2 рассмотрим р+-к-структуру (неосновные носители в базе - дырки); при переходе на реальные к+-р-структуры необходимо заменить р на п; Тр, [Хр на Тп, [Хп и т. п. В целях упрощения будем считать, что все падающее излучение достигает базовой области. При этом предположении для максимального значения фототока можно записать: /кз = Л(? \ Nc(k)r\(k)Q(K)d-k, (6.55) где ?1,1 = 0,22 МКМ; ?i,2=3 мкм; Nc{}.) - спектральная плотность потока фотонов солнечного излучения, см--мкм-, а коэффициент собирания Q и квантовый выход т] в отличие от (6.3) являются функциями Я. Если положить, что время жизни дырок Тр велико, так что Q(A.) = 1 для всех значений "к, а описы- вается ступенчатой функцией: т1 = 1 при ?1,<Ягр и Т1 = 0 при кЖту. то после преобразований плотность тока короткого замыкания V......„ (6.56) 3 = 8.10-f\d>.. где Я, мкм; дрс/дХ, мВт-см--мкм-; /„з, А/см. 212 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 [69] 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |