Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 182
Скачиваний: 3
§ 1. Фотовольтаический эффект в р — п-переходах |
ЗЗІ |
диффузионной длине), могут быстро рекомбинировать через по верхностные состояния, прежде чем они смогут достичь перехода и внести свой вклад в фото-э. д. с. Это приводит к уменьшению величины квантового выхода.
3. Элемент солнечной батареи *)
Наиболее важным приложением фотовольтаического эффекта является преобразование солнечной энергии в электрическую 16]. В этом случае к. и. д. преобразования и выходная мощность оказываются основными параметрами. Спектр Солнца определяет выбор материалов, которые можно использовать для фотоэлектри ческих преобразователей: чем меньше ширина запрещенной зоны полупроводника, тем большая часть солнечного спектра может ■быть использована, но тем меньше максимально достижимая вели чина фото-э. д. с. С другой стороны, большая ширина запрещен ной зоны позволяет получить более высокие значения фото-э. д. с. и меньшие утечки (или ток насыщения /„). Поэтому оптимизация •спектральной кривой солнечного элемента оказывается весьма важным фактором при его разработке. Для космических прило жений, когда атмосферное поглощение не играет роли, оптималь ная ширина запрещенной зоны составляет примерно 1,6 эВ. При учете атмосферного поглощения оптимальная ширина зоны сме щается в сторону меньших энергий. На фиг.. 14.7 показана зави симость рассчитанного к. п. д. от ширины запрещенной зоны для различных толщин атмосферы. Хотя CdTe должен обладать наи высшим к. п. д., наилучшие результаты пока получены на крем нии благодаря высокому качеству, которое было достигнуто в результате особенно интенсивных работ по технологии его приготовления. Для кремниевых солнечных элементов получен к. п. д. около 14% [8]. На материале с большей шириной запре
щенной зоны, GaAs, был достигнут к. п. д. 11% [9]. Для расширения области спектральной чувствительности солнечных элементов использовались гетеропереходы между полупроводни ками с различной шириной запрещенной зоны, при этом материал с большей шириной запрещенной зоны находился на освещенной стороне перехода [10].
Солнечный элемент можно изобразить в виде упрощенной
эквивалентной |
схемы, показанной на фиг. |
14.8. Здесь R L — |
сопротивление |
нагрузки, а R s — внутреннее |
последовательное |
сопротивление диода. Излучение, поглощаемое в пределах диф фузионной длины от перехода, генерирует ток / 5С. Этот ток разде ляется на две компоненты — часть его, I L, течет через нагрузку,
1)Далее будет использоваться термин «солнечный элемент», вошедший
вобиход в отечественной технической литературе.— Прим. ред.
332 |
Глава 14. Фотовольтаические эффеклш |
другая часть, / 0, инжектируется через переход. Из-за наличия внутреннего последовательного сопротивления R s напряженно
Ф и г . 14.7. Расчетные зависимости к.п. д. солнечных батарей от ширины запрещенной зоны Е„ полупроводника [7].
Учитывалось поглощение солнечного света атмосферой (т = 1/cos Ѳ, где Ѳ_угловое расстояние между Солнцем и зенитом).
на нагрузке VL меньше чем фото-э. д. с., возникающая на пере ходе,
Ѵь — Ѵ— I LRS * |
(14.5) |
Объединяя (14.5) и (14.3), где I = І ы получаем
Ѵт |
kT ln ( l |
(14,6) |
|
9 |
|
§ 1. Фотовольтаический аффект в р — п-переходах |
333 |
Фиг. 14.9 иллюстрирует влияние внутреннего последовательного сопротивления на работу солнечного элемента. Очевидно, что
потери на Rs |
уменьшают |
hv |
|
|
|
максимальную отдаваемую |
|
|
|||
р X—^---- *ЛЛЛ---- |
|||||
мощность и, |
следователь |
||||
но, к. п. д. |
|
||||
|
|
V п |
8J |
О |
|
|
|
|
1 |
|
Фи г. 14.8. Эквивалентная схе ма солнечного элемента.
На фиг. 14.10 сравниваются (при одинаковых условиях опы та) электрические характеристики солнечных элементов, изго товленных из веществ с различной шириной запрещенной зоны.
Ф.и г. 14.9. Вольт-амперные характеристики кремниевого солнечного эле мента площадью 1,7 см2 при ярком солнечном, освещении [И].
Экспериментальные данные |
обозначены кружками, сплошные линии соответствуют |
ч |
формуле (1.4.6). |
Очевидно, что вещество с большей шириной запрещенной зоны дает наибольшее напряжение холостого хода, тогда как вещество с меньшей шириной запрещенной зоны, которое поглощает боль шую часть спектра падающего излучения, генерирует наиболь ший ток короткого замыкания. Кроме того, в Si, в котором длина диффузии носителей больше, чем в GaAs, собирается больше фотовозбуждениых -носителей. Точка, отвечающая максимальной
334 Глава 14. Фотовольтаические эффекты
выходной мощности и максимальному к. п. д., находится на изги бе кривой. Чем ближе кривая по форме к прямоугольнику, тем (при данных значениях Ѵос и / 8С) выше к. п. д.
Чтобы собрать носители, генерируемые на освещенной поверхности сильно поглощаемым излучением (hv Е g), переход располагают очень близко от поверхности (в пределах диффузион ной длины). Малая толщина диффузионного слоя приводит к боль
шим значениям Rs . |
Поэтому при |
разработке солнечных |
элемен- |
|||||
|
1 |
1 |
I |
|
|
|
|
|
|
______ ; |
! |
GoAs |
|
|
|
|
- |
|
■ |
--■ L |
/ і |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
______ 1 |
! |
|
|
|
|
|
|
|
- |
1 |
--------j— Точии |
м а к с е і м а л ь н о и |
|
|||
|
|
\ |
; |
эфі ф е к т и о мости |
|
|||
|
|
|
j |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
- |
|
|
|
□ |
|
кремний |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
' |
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
\ |
|
О |
8 |
16 |
24 |
32 |
40 |
48 |
56 |
64 |
|
|
|
Гол, мА |
|
|
|
|
Ф и г . 14.10. Вольт-амперные характеристики солнечных элементов на GaAs и Si [6].
тов важной проблемой является нахождение компромисса между высокой эффективностью собирания и низким значением последо вательного сопротивления.
Потери излучения, связанные с отражением, удается обычно значительно уменьшить, нанося на поверхность просветляющее покрытие.
Когда солнечные элементы используются в космосе, они под вергаются бомбардировке быстрыми частицами, которые вызы вают их деградацию, называемую «радиационным повреждением». Повреждение заключается в основном в возникновении дефектов Френкеля. (Атомы смещаются со своих мест в кристаллической решетке и попадают в междоузлия, на их месте остаются вакан сии; внедренный атом может мигрировать до тех пор, пока он не займет стабильное положение, например на поверхности, тогда как вакансия в ходе миграции может образовать комплекс с ка ким-либо дефектом или примесью — например «А»-центр в Si, представляющей собой комбинацию вакансии и атома кислорода.}
§ 2. Фотовольтаические эффекты на барьерах Шоттки |
335 |
В результате радиационных повреждений образуются эффектив ные центры безызлучательной рекомбинации. Следовательно* повреждения приводят к уменьшению времени жизни неосновных
іб------ 1----1— 1 |
ггтп -------1----1---1 1 1111 |
1 |
1 1 1 1И 1-------1----1—1 I 11и |
||
|
X |
|
|
|
|
|
ч |
|
|
|
- |
|
Х\ |
ч |
GaAs |
|
|
14 |
|
|
|||
Si |
|
V |
|
|
|
Б |
|
|
|
||
Д " < д |
|
|
|
||
|
\ |
|
|
||
1 12 |
„ |
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
- |
|
|
|
\ |
■ |
1,8 см 2 |
|
|
|
||
|
|
|
\ |
- |
|
- Энергия пропіонов 17,6МэВ |
|
|
|||
|
____ 1__ 1_111 1J-L____ 1 |
1 1 1 м м |
1 |
1 f 1 11Т1 |
|
|
ю" |
|
|
|
іо14 |
ф, число протонов / см
Ф п г. 14.11. Сравнение деградации солнечных элементов на GaAs и Si [12].
Исходный к. п. д. элемептов — 9%. Измерения проводились при естественном солнеч ном освещении.
носителей. Это по существу означает уменьшение диффузионной длины и, следовательно, объема материала, реагирующего на оптическое возбуждение.
Чувствительность к радиационным повреждениям различна у разных полупроводников. Порог повреждения для GaAs вдвое больше, чем для Si. Это различие в чувствительности иллюстри руется на фиг. 14.11.
Радиационные дефекты можно отжечь, нагревая образец, при этом внедренные атомы будут мигрировать обратно к вакансиям. Их можно также уменьшить, легируя кремний литием [13]. Литий при комнатной температуре обладает большим коэффициентом диффузии в кремнии. Он может восстанавливать фоточувстви тельность солнечного элемента (механизм этого процесса пока еще не выяснен).
§2. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ НА БАРЬЕРАХ ШОТТКИ
1.Барьер Шоттки
Если привести металл в контакт с полупроводником, то обычно происходит перераспределение зарядов, в результате чего в полу проводнике возникает обедненный слой. Соответствующее искрив