Исследование спектральных характеристик кремниевых фотоэлектрических преобразователей

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана
С.Д. Кузнецов, А.А. Шевченко
Исследование спектральных характеристик 
кремниевых фотоэлектрических преобразователей
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Бортовые энергетические установки»
Под редакцией В.В. Онуфриева

УДК 621.31
ББК 22.31
       К89
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/101/book1450.html
Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Плазменные энергетические установки»
Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний
К89
Кузнецов, С. Д.
Исследование спектральных характеристик кремниевых 
фотоэлектрических преобразователей : методические указания 
к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Бортовые 
энергетические установки» / С. Д. Кузнецов, А. А. Шевченко ; под 
ред. В. В. Онуфриева. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 15, [5] с.: ил.
ISBN 978-5-7038-4446-5
Рассмотрены наиболее часто используемые в настоящее время 
источники энергии для космических аппаратов — фотоэлектрические 
преобразователи. Их популярность обусловлена хорошими техническими и массогабаритными характеристиками. Исследованы особенности работы фотоэлектрических преобразователей, в частности понятие спектральной чувствительности. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Электроракетные 
двигатели и энергетические установки».
УДК 621.31
ББК 22.31
ISBN 978-5-7038-4446-5
©	 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016
©	 Оформление. Издательство 
	
МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ
Лабораторная работа по дисциплине «Бортовые энергетические 
установки» знакомит студентов с понятиями спектральной чувствительности, спектральной характеристики фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), методом получения относительной спектральной 
характеристики ФЭП, а также с характерными видами спектральных 
характеристик для различных материалов ФЭП.
Цель работы — изучение влияния узкополосного излучения на 
генерацию тока кремниевыми ФЭП; получение экспериментальных 
спектральных характеристик фотоэлементов.
Целями изучения дисциплины «Бортовые энергетические установки» являются: 
• ознакомление студентов с современными представлениями 
 
о бортовых энергетических установках, в том числе с прямым преобразованием энергии в электрическую; 
• рассмотрение основы теории различных энергетических установок: фотоэлектрических, термоэлектрических, термоэмиссионных, 
в том числе с ядерным источником энергии, в которых реализуются 
различные механизмы преобразования и передачи энергии; 
• анализ особенности рабочих процессов и элементов конструкций различных энергетических установок. 
Изучение данной дисциплины включает в себя: 
• рассмотрение теоретических представлений о механизмах, протекающих в фотоэлектрических преобразователях; 
• построение системного анализа энергетических и электрических 
характеристик различных энергоустановок космических аппаратов 
(КА), предназначенных для осуществления межорбитальных и околоземных космических перелетов; 
• создание математического аппарата для описания физических 
процессов в преобразователях различного типа; 
	
3

• решение конкретных задач, связанных с разработкой бортовых 
энергетических установок (БЭУ) и алгоритмами управления характеристиками энергетических и энергодвигательных установок.
Данные методические указания демонстрируют один из способов 
измерения спектральной энергетической эффективности ФЭП, развивают навыки студентов по выбору средств измерений и обработки 
результатов измерений. Теоретическая часть знакомит студентов с 
физическими принципами работы ФЭП, с их спектральными характеристиками и спектром солнечного излучения. В экспериментальной 
части приведена методика измерения относительной спектральной 
чувствительности ФЭП. В конце даны контрольные вопросы и список 
литературы.

ВВЕДЕНИЕ
Одной из главных целей государственной политики Российской 
Федерации в области космической деятельности является поддержание 
необходимого состава орбитальных группировок космических средств. 
Наибольшее практическое применение получают автоматические 
непилотируемые космические аппараты (КА), использующиеся для 
формирования глобальной системы связи, телевидения, навигации, 
геодезии, изучения погодных явлений и природных ресурсов Земли. 
К ориентации в космосе и коррекции параметров орбиты таких КА 
предъявляются высокие требования, что нуждается в больших энергетических затратах.
Система электроснабжения является важнейшей бортовой системой КА. Именно БЭУ определяют тактико-технические характеристики КА, его надежность, срок службы и экономическую эффективность. 
В настоящее время большинство бортовых энергоустановок КА основано на прямом преобразовании солнечной энергии в электрическую.
ФЭП — устройство, предназначенное для прямого преобразования 
световой энергии (солнечного излучения) в электрическую.
Солнечная батарея (СБ) — устройство, включающее в себя несколько электрически объединенных ФЭП и элементы коммутации 
для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.
ФЭП классифицируют:
• по материалу подложки (кремниевые, германиевые, арсенидгаллиевые);
• типу легирования (элементы III и V главных групп Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева);
• типу фотоэффекта (внутренний, внешний);
• числу p–n-переходов (одно- и многопереходные);
• рабочему диапазону спектра поглощаемого солнечного излучения (СИ);
• области применения (космические [1], наземные и т. д.).
 
5

СБ с кремниевыми ФЭП по удельно-массовым характеристикам 
достигли своего физического предела. Дальнейший прогресс в разработке солнечных энергоустановок возможен при использовании 
ФЭП на основе новых материалов. Сейчас активно ведутся разработки многопереходных ФЭП, состоящих из нескольких слоев полупроводниковых материалов, причем каждый слой оптимизирован на 
преобразование падающего на него излучения в определенном диапазоне длин волн. Трехкаскадные ФЭП из арсенида галлия уже применяются на платформе США HS-702, на европейской Spasebus-400 
и др., что позволяет более чем вдвое увеличить мощность СБ.
В наземных установках СБ используют в качестве автономного 
источника питания небольшой мощности, например, на крышах 
зданий, автономных метеостанциях, в качестве портативных зарядных 
устройств для мобильной техники. В космических аппаратах СБ обеспечивают электроэнергией бортовую аппаратуру, системы связи, 
электроракетные двигатели и другое оборудование. ФЭП является 
устройством прямого преобразования энергии, что обусловливает их 
применение в космической отрасли. Из недостатков следует выделить 
низкую ЭДС единичного элемента, деградацию элементов в процессе работы и под воздействием внешних разрушающих факторов, 
большие площади СБ для получения значительных мощностей, 
а также невозможность применения СБ при низкой освещенности 
и интенсивности солнечного излучения.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Физический принцип работы ФЭП
Принцип работы ФЭП основан на внутреннем фотоэффекте [2]. 
Квант света падает на n-слой полупроводниковой пластины, проходя 
сквозь него, и поглощается p-слоем, выбивая электрон со дна запрещенной зоны и переводя его в зону проводимости (рис. 1). Одновременно с этим образуется «дырка» — основной носитель p-кристалла. 
Далее выбитые электроны посредством диффузии транспортируются 
к p–n-переходу (скин-слой), вблизи которого действует электрическое 
поле, направленное от n-кристалла к p-кристаллу. Выбитые электроны, подходя вплотную к скин-слою, захватываются электрическим 
Рис. 1. Схема внутреннего фотоэффекта:
1 — зона проводимости; 2 — валентная зона
	
7

полем и перемещаются в объем n-полупроводника. Аналогичный 
процесс происходит и в n-кристалле, но в этом случае уже «дырки» 
перемещаются в объем p-полупроводника. Отметим, что при темновом 
режиме (т. е. при отсутствии потока излучения) концентрация неосновных носителей довольно мала в обоих кристаллах, а при попадании света начинает резко расти.
При подключении нагрузки или замыкании контактов p- и n-слоя 
электроны устремляются от n-слоя через внешнюю сеть к p-слою, совершая при этом полезную работу
, и возвращаются в p-полупроводник. 
В кристалле p-типа электроны рекомбинируют с «дырками», и процесс 
начинается заново (фотон поглощается p-слоем и т. д.) [3].
Генерация происходит при условии, что энергия кванта больше 
ширины запрещенной зоны 
:
g
E
λ >
,
g
hc
E
где h — постоянная Планка, h = 6,63·10–34 Дж·с; с — скорость света, 
с = 3·108 м/с; λ  — длина волны излучения, м.
Контактная разность потенциалов [4]:
=
к
ln
,
p
n
kT
U
e
n
n
где k — постоянная Больцмана, k = 1,38·10–23 Дж/K; Т — температура полупроводника, K; e — заряд электрона, e = 1,6·10–19 Кл; 
p
n  — 
концентрация «дырок» в n-кристалле, м–3; 
n
n  — концентрация 
электронов в p-кристалле, м–3.
Спектральная характеристика кремниевого ФЭП
Кремний — наиболее изученный полупроводниковый материал, 
а изготовленные из него солнечные элементы на основе гомогенного 
p–n-перехода являются, по-видимому, простейшими ФЭП. Кремниевый ФЭП был изобретен в 1953 г. научными сотрудниками Bell 
Laboratories. В 1954 г. было опубликовано описание стабильного 
кремниевого ФЭП с КПД 6 %. В настоящее время КПД ФЭП на 
основе монокристаллического кремния составляет 18–20 %, трехпереходных арсенид-галлиевых ФЭП — до 44 % [5].
Каждый тип фотоэлементов характеризуется рядом параметров 
 
и характеристик, определяющих не только его свойства, но и преде8

лы применения в той или иной области. К важнейшим характеристикам фотоэлемента следует отнести его спектральную чувствительность, 
отражающую тот факт, что фотоэлемент неодинаково реагирует на 
излучения с различными длинами волн [6]. 
Спектральная чувствительность iλ характеризует фототок, возникший под действием единицы светового потока определенной 
длины волны, и определяется как отношение тока короткого замыкания Iк.з к падающему на фотопреобразователь потоку монохроматического излучения Фλ [7]:
λ
λ
=
к.з .
Ф
I
i
Знания спектральной чувствительности для конкретной длины 
волны в большинстве случаев бывает недостаточно. Для получения 
полного представления о спектральных свойствах фотопреобразователя необходимо также знать распределение чувствительности по 
спектру, т. е. спектральную характеристику, которая отражает характер 
зависимости значения фототока короткого замыкания от воздействия 
на него световых потоков различных длин волн. Спектральную характеристику фотопреобразователя обычно изображают в виде графика 
( )
λ
λ
=
.
i
f
 Максимум спектральной чувствительности кремниевого ФЭП лежит в интервале длин волн 0,7…0,8 мкм и довольно 
близко подходит к максимуму распределения фотонов как функции 
длины волны в солнечном спектре.
Спектральную чувствительность измеряют в амперах на ватт 
 
(А/Вт) или люмен (А/лм). Если спектральная характеристика известна, это значит, что известны все необходимые для работы оптические 
данные. Зная распределение спектральной чувствительности, можно 
рассчитать то значение тока, которое возникнет во внешней цепи при 
падении на него светового потока от любого источника с известным 
законом распределения энергии последнего по спектру.
Спектральные характеристики световых источников
Солнечное излучение, как известно, не является монохроматическим. Это обусловливает необходимость оптического согласования 
параметров ФЭП со спектром солнечного излучения для получения 
наибольшего КПД. 
Плотность потока солнечного излучения в свободном пространстве на расстоянии, равном среднему расстоянию между Землей и 
	
9

Солнцем, достаточно постоянна и составляет Ec = 1360 Вт/м2 [6]. При 
прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном 
из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения молекулами 
газов и находящимися в воздухе частицами пыли. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный 
состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, 
является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой 
воздушной массе АМ 0 интенсивность излучения равна 1360 Вт/м2. 
АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении 
Солнца. Воздушная масса любого уровня земной поверхности в любой 
момент дня определяется по формуле [6]:
1
АМ
,
sin
x
x
x
( ) =
θ
0
где x — атмосферное давление; x0 — нормальное атмосферное давление, х0 = 1,013·105 Па; θ  — угол высоты Солнца над горизонтом. 
Весьма характерной в земных условиях является величина АМ 1,5 
θ ≈
°
(
42 ). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения Ec = 835 Вт/м2, что необходимо 
для обеспечения сравнимости результатов исследований различных 
ФЭП.
На рис. 2 приведено спектральное распределение потока фотонов 
внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизированного (АМ 1,5) 
солнечного излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку. Энергия фотонов в излучении с длиной волны λ 
определяется из соотношения, эВ:
1,24.
hc
hν =
≈
λ
λ
Граничная длина волны λг,  начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной 
зоны Eg:
 λг  = 1,24/Eg. 
Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.
На рис. 3 показаны графики спектральной чувствительности для 
различных типов кремниевых ФЭП.
10