Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках

 

4. ФЭП на органических материалах

Технологии  производства солнечных батарей  на основе органических материалов появились  относительно недавно [12]. И тем более любопытно, что изготовление таких батарей уже поставлено на промышленную основу. В основе данной технологии лежат фоточувствительные полимерные материалы. Этот фоточувствительный материал может быть напечатан или нанесен достаточно просто на гибкую полимерную подложку. Если такой подложкой служит лента, то процесс может быть непрерывным и автоматическим, без участия человека. В результате, такие батареи оказываются очень дешевыми.

Конструкция такой солнечной батареи упрощённо  представлена на рис.1.12.

Рисунок 1.12. Схема органического фотопреобразователя

Как видно из рисунка, на нижний электрод наносится активный фотоматериал, который  сверху покрыт прозрачным верхним электродом. Вся эта пачка ламинируется с  двух сторон прозрачным пластиком.

Однако, КПД такой батареи получается относительно низким 2-3%, но дешевизна процесса окупает этот недостаток.

Также, одним  из положительных качеств органических фотопреобразователей, является то, что выработка электричества может производиться как при естественном, так и при искусственном свете.

Другим "коньком" этих батарей является возможность работать как при  прямом освещении, так и в случае, если солнце находится под большим  углом к поверхности батареи, до 70 градусов. Правда, конкретных цифр, насколько всё же снижается выработка энергии в зависимости от угла наклона батареи к солнцу ученые не приводят. Да, и известные типы солнечных батарей также обладают такой способностью. Поэтому, насколько существенно органическая солнечная батарея превосходит существующие, неясно.

На  основе данной технологии выпускаются  готовые солнечные батареи. На данный момент лидером в исследовании и изготовлении таких солнечных элементов является компания Konarka. Характеристики фотопреобразователей, полученные учеными из Konarka, представлены в таблице 1.9.

Таблица 1.9. Основные характеристики ФЭП на органических материалах

Модель ФЭП	Соотношение сторон панели	Uoc, B	Jsc, мА/см2	Максимальная мощность, Вт	Рабочее напряжение, В	Рабочий ток, мА
Konarka Power Plastic 320	700мм:340мм	11,1	508	3.3	8	405
Konarka Power Plastic 620	1340мм:340мм	11,1	1190	7,7	8	950

 

Таким образом, можно сделать вывод, что  органические фотопреобразователи  в будущем будут конкурировать  с полупроводниковыми только благодаря более низким ценам.

 

5. ФЭП с квантовыми точками

Фотопреобразователи с квантовыми точками являются очень  перспективными в сфере солнечной  энергетики. Введение квантовых точек (КТ) узкозонного полупроводникового материала (например, InAs) в солнечный элемент, изготовленный из широкозонного полупроводникового материала (например, GaAs), позволяет достигнуть эффективности более 70% за счет суммирования энергии 2-х длинноволновых квантов света, которые не поглощаются в материале широкозонного полупроводника, а поглощаются материалом КТ (рис.1.13) [13].

Рисунок 1.13. Схема ФЭП с квантовыми точками

Технология  изготовления наногетероструктур включает выращивание массива КТ из узкозонного  материала с поверхностной плотностью до 10¹² см^-2 на монокристаллической подложке широкозонного матричного материала. Затем массив КТ заращивается наноразмерным слоем матричного материала (спейсерным слоем). Многократное последовательное повторение стадий выращивание массива КТ, заращенного спейсерным слоем, позволяет сформировать активную часть наногетероструктур.

Характеристики  фотопреобразователей с массивом квантовых  точек будут рассчитаны в главе 3.

 

 

5. Постановка задач дипломной работы

Проведенный анализ литературы показал, что одним из наиболее перспективных путей развития фотоэнергетики является разработка солнечных элементов на гетероструктурах с квантовыми точками. Для обеспечения развития научно-технологических работ важнейшей задачей является разработка физико-математических моделей функционирования солнечных элементов с промежуточной подзоной. В связи с вышесказанным, целью дипломной работы является построение эквивалентной электрической схемы фотоэлектрического преобразователя с промежуточной подзоной на основе гетероструктур с квантовыми точками, учитывающую различные виды генерационно-рекомбинационные процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1) провести анализ научно-технической литературы, посвященной принципам фотоэлектрического преобразования энергии солнечными элементами различной конструкции;

2) описать физические принципы  функционирования солнечных элементов  с промежуточной энергетической  подзоной на основе гетероструктур  с квантовыми точками;

3) построить эквивалентную электрическую  схему солнечного элемента на  основе гетероструктур с квантовыми  точками, учитывающую различные  генерационно-рекомбинационные процессы;

4) на основе литературных данных  о функциональных характеристиках  солнечных элементов с промежуточной  подзоной провести расчет токов  на каждом из элементов эквивалентной  схемы.

 

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ФЭП С КТ
1. Спектр солнечного излучения

Спектр  солнечного излучения является практически  непрерывным в крайне широком  диапазоне частот — от низкочастотного  радиоволнового до сверхвысокочастотного  рентгеновского и гамма-излучения [14]. Безусловно, в технологии фотопреобразователей трудно одинаково эффективно улавливать столь разные виды излучения (пожалуй, это можно осуществить лишь теоретически с помощью «идеального абсолютно чёрного тела»). Но это и не надо — во-первых, само Солнце в разных частотных диапазонах излучает с различной силой, а во-вторых, не всё, что излучило Солнце, достигает поверхности Земли — отдельные участки спектра в значительной степени поглощаются разными компонентами атмосферы — преимущественно озоном, парами воды и углекислым газом. Поэтому достаточно определить те диапазоны частот, в которых наблюдается наибольший поток солнечной энергии у поверхности Земли, и использовать именно их.

Традиционно солнечное и космическое излучение  разделяется не по частоте, а по длине  волны (это связано со слишком  большими показателями степени для  частот этого излучения, что весьма неудобно — видимому свету в герцах соответствует 14-й порядок). Зависимость  распределения энергии от длины  волны для солнечного излучения  приведена на рис.2.1 [15].

Как видно из рис.2.1., излучение с длиной волны менее 400 нм соответствует ультрафиолетовой части спектра. Излучение с длиной волны в пределах от 400 до 750 нм приходится на видимый диапазон спектра, а излучение с длиной волны более 750 нм образует инфракрасную область спектра. Поток солнечного излучения представлен после того, как он претерпел изменения вследствие поглощения водяными парами (Н₂О) и озоном (О₃) [16].

Рисунок 2.1. Спектр солнечного излучения

Таким образом, с энергетической точки  зрения достаточно ограничиться улавливанием фотопреобразователями видимого и  инфракрасного частотного диапазона, а также ближнего ультрафиолета (где-то до 300 нм, более коротковолновый жёсткий ультрафиолет практически полностью поглощается озоновым слоем). Основная доля солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, сосредоточена в диапазоне длин волн от 300 до 1800 нм.

 

2. Краткая теория полупроводников

Рассмотрим  зонную теорию твердого тела, которая объясняет физические свойства полупроводников.

Как уже было установлено в методе сильной связи [17], энергетические уровни электронов в изолированном атоме расщепляются в энергетическую зону, пропорциональную обменному взаимодействию А (р) при образовании из этих атомов кристаллической решетки. Поскольку зоны образуются из соответствующих s-, р-, d- и т. д. уровней, то если они невырождены, т. е. не перекрываются друг другом, они также обозначаются как s-, р-, d-зоны. Если при этом энергетический уровень полностью заполнен, то образующаяся энергетическая зона также будет заполнена целиком. Поскольку по принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, каждая неперекрывающаяся (невырожденная) зона содержит 2N состояний и в ней не может быть более 2N электронов. Если имеется f-кратное вырождение уровней, то образующаяся зона будет f-кратно вырождена и может содержать не более 2Nf электронов.

Для полупроводников характерно, что, если ширина запрещенной зоны невелика (ΔE=2–3 эВ) по сравнению со средней энергией теплового движения, то возможны перебросы электронов из полностью заполненной зоны в следующую разрешенную свободную зону. При этом возникает электропроводность как по не полностью заполненной зоне, так и по следующей частично заполненной зоне.

Таким образом, для полупроводников характерны полностью заполненные нижние энергетические зоны, называемые валентными, и полностью пустые вышележащие энергетические зоны, которые называют зонами проводимости (рис.2.2.).

Рисунок 2.2. Схема энергетических зон полупроводников

В результате перекрытия и расщепления р- и s-зон (3р и 3s для кремния) электроны перераспределяются по зонам так, что верхняя образовавшаяся зона (зона проводимости) будет иметь 4N состояний и будет свободна от электронов, а у нижней — валентной — зоны будет 4N заполненных электронами состояний.

На рис.2.3. дан пример расщепления энергетических зон в кремнии.

Рисунок 2.3. Образование энергетических зон в кремнии

Далее рассмотрим распределение электронов и дырок по энергетическим состояниям. Равновесные концентрации свободных электронов и дырок в полупроводниках определяют с помощью функции Ферми аналогично концентрации свободного электронного газа в металлах (рис.2.4.). Положение уровня Ферми определяется типом полупроводника [18].

Функцию распределения Ферми для электронов запишем в виде

(2.1)

Функцию Ферми для дырок можно определить как разность между единицей и :

(2.2)

Рисунок 2.4. Функция распределения Ферми f_Фn для электронов в зонной схеме

Величина  дает вероятность заполнения уровня Е дыркой, E_Ф — уровень Ферми, для которого = = ¹/₂.

Теперь  рассмотрим как рассчитывается плотность состояний для электронов и дырок.

Плотность состояний для свободного электронного газа можно определить по формуле:

(2.3)

Поскольку зонные электроны можно рассматривать как свободные электроны, имеющие эффективную массу плотности состояний, то и здесь можно применять формулу (2.3). Но отсчет энергии следует вести от дна зоны проводимости для электронов и от потолка валентной зоны для дырок. При этом не обязательно выполнение Е_с=0 и Е_v=0.

Следовательно, при Е_с≠0 плотность состояний для электронов в зоне проводимости имеет вид:

(2.4)

Аналогично плотность состояний для дырок в валентной зоне:

(2.5)

На рис.2.5. приведены указанные зависимости [19].

Рисунок 2.5. Плотность состояний в зоне проводимости для электронов в валентной зоне для дырок

Концентрация  электронов в зоне проводимости в  невырожденном полупроводнике рассчитывается по формуле [17]:

(2.6)

где N_c=2(2πm^*_nkT/h²)^3/2.

Концентрация  дырок в валентной зоне в невырожденном  полупроводнике выглядит:

(2.7)

где N_v=2(2πm^*_pkT/h²)^3/2.

В собственном полупроводнике справедливо  соотношение n = р = . Подставляя выражение для n по формуле (2.6) и выражение для р по формуле (2.7), имеем:

(2.8)

Значит, для собственной концентрации n_i в невырожденном полупроводнике справедлива формула:

(2.9)

Концентрация  электронов и дырок в собственном полупроводнике оказывается независимой от положения уровня Ферми и растет с температурой по экспоненциальному закону с энергией активации δE_акт = ΔE/2.

 

3. Процессы поглощения и рекомбинации

Поглощение  света. При поглощении света твердыми телами энергия фотонов превращается в другие виды энергии [20]. Она может идти на изменение энергетического состояния свободных или связанных с атомами электронов, а также на изменение колебательной энергии атомов. Поглощение обусловлено, в основном, действием следующих механизмов:

1) межзонных электронных переходов из валентной зоны в зону проводимости. Связанное с этим механизмом поглощение получило название собственного, или фундаментального;

2) переходов, связанных с участием экситонных состояний (экситонное поглощение);

3) переходов электронов или дырок внутри соответствующих разрешенных зон, т. е. переходов, связанных с наличием свободных носителей заряда. Данное поглощение называют поглощением свободными носителями заряда;