Кратко — принцип работы и основные ограничения.
Физические принципы:
- Поглощение фотонов и генерация носителей: при попадании фотона с энергией $E\ge E_g$ в полупроводник генерируется электрон–дырочная пара (энергия запрещённой зоны $E_g$).
- Разделение и отвод носителей: в p–n-переходе (или гетеропереходе) встроенное электрическое поле разделяет фото-носители и создаёт фототок.
- Электрическая характеристика: при освещении ток-плотность описывается как сумма фототока и тока диода:
$$J(V)=J_{ph}-J_0\left(e^{\frac{qV}{kT}}-1\right),$$ где $J_{ph}$ — фототок, $J_0$ — тёмный ток, $q$ — заряд электрона, $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — температура.
- КПД: максимальная полезная мощность $P_{mp}=J_{mp}{V}_{mp}$. Общая эффективность
$$\eta =\frac{J_{sc}{V}_{oc}FF}{P_{in}},$$ где $J_{sc}$ — ток короткого замыкания, $V_{oc}$ — напряжение холостого хода, $FF$ — fill factor, $P_{in}$ — падающая солнечная мощность.
Формулы для ключевых величин:
- Фототок (приближённо)
$$J_{sc}=q{\int }_{E_g}^{\infty }{\Phi }_{ph}(E)dE,$$ где ${\Phi }_{ph}(E)$ — спектральный поток фотонов.
- Открытое напряжение (приближённо)
$$V_{oc}\approx \frac{kT}{q}\ln \left(\frac{J_{sc}}{J_0}+1\right).$$
Факторы, ограничивающие КПД в реальных условиях:
- Спектральные потери:
- Теперизация (thermalization): фотоны с $E\gg E_g$ теряют лишнюю энергию в виде тепла — основная потеря.
- Пропускание (transmission): фотоны с $E<E_g$ не поглощаются.
- Рекомбинация носителей:
- Радиативная и нердиативная (дефектная, через ловушки) уменьшают $J_{ph}$ и увеличивают $J_0$, снижают $V_{oc}$.
- Оптические потери: отражение от поверхности, неполное поглощение (толщина, поглощение), неидеальные антиотражающие покрытия.
- Электрические потери: серииное сопротивление $R_s$ снижает $FF$ и мощность; параллельные (shunt) токи уменьшают выход при низких напряжениях.
- Температурный эффект: с ростом $T$ $V_{oc}$ падает (приблизительно $\partial V_{oc}/\partial T<0$), что уменьшает $\eta$.
- Неоднородность освещения, деградация материалов (UV, влага), контактные потери и пассивация поверхности.
- Термическое и пространственное распределение спектра (атмосферные условия, углы падения) — реальный спектр отличается от эталонного AM1.5.
Теоретические пределы и пути их преодоления:
- Для однозонного (single-junction) при стандартном солнечном спектре предел детального равновесия (Shockley–Queisser) около ${\eta }_{\max }\approx 33.7\%$ (оптимальный $E_g\sim 1.3\mathrm{eV}$).
- Превышают этот предел многоступенчатые (tandem) элементы, концентраторы и методы нарушения детального баланса (термо- или многопереходные схемы).
Резюме: основа — поглощение фотонов, генерация и разделение носителей в p–n-переходе; ограничения — спектральные потери (теперизация и пропускание), рекомбинация, оптические/электрические потери и температурные/экологические факторы.