Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках

Рисунок 2.12. Темновая ВАХ и ВАХ при освещении СЭ с последовательным сопротивлением

Введенные выше параметры вольт-амперной характеристики ФЭПП позволяют построить эквивалентную схему СЭ (рис.2.13). Параметры идеального источника тока I_Ф определяются преимущественно характеристиками светового потока и оптическими параметрами материала, наличие прямовключенного идеального диода необходимо для учета тока через p-n переход, возникающего под действием прямого смещения из-за наличия избыточных концентраций электронов в n-области прибора и избыточной концентрации дырок в его p-области.

Рисунок 2.13. Эквивалентная схема ФЭП, где R_П – последовательное сопротивление, а R_Ш – шунтирующее сопротивление.

Появление в эквивалентной схеме шунтирующего сопротивления обусловлено наличием различного рода токов утечки в приборе, а последовательное сопротивление учитывает наличие контактных сопротивлений между полупроводниковым материалом и металлизированными внешними контактами прибора, сопротивление p- и n-областей СЭ.

 

6. Основные характеристики солнечных элементов (ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, фактор заполнения, КПД)

Для описания солнечных элементов применяется  набор специальных параметров и характеристик, позволяющий производить сравнительную оценку солнечных элементов различного типа. К специальным параметрам солнечного элемента относятся КПД (эффективность), ff (фактор заполнения), U_OC (напряжение холостого хода), I_SC (ток короткого замыкания) или J_SC (плотность тока короткого замыкания).

Эффективность (КПД) СЭ показывает, какую часть  (в процентном отношении) солнечной энергии падающего на него света он может превратить в электричество. Различают КПД по активной площади поверхности (η_акт) и КПД по общей площади поверхности (η_общ):

(2.39)

(2.40)

где P_эл – электрическая мощность, вырабатываемая солнечным элементом при облучении Ф₀ – плотность потока падающего на солнечный элемент света S_акт и S_общ – площади активной (доступной свету) и общей (включающей как поверхность, доступную свету, так и участки поверхности, затенѐнные электродной сеткой или скрайбированные от поглощающего слоя) поверхности солнечного элемента.

Если  не указан тип КПД солнечного элемента, то, как правило, речь идет об КПД  по общей поверхности.

Напряжение  холостого хода (U_OC) – это максимальное напряжение, возникающее на разомкнутых выводах солнечного элемента при его  облучении солнечным светом. Измеряется в [В] вольт или [мВ] милливольт. Может быть найдено как при прямом измерении, так и определено из вольтамперной характеристики.

Ток короткого замыкания (I_SC ) – это максимальный ток, протекающий через выводы солнечного элемента при их коротком замыкании. Измеряется в мА миллиамперы. Плотность тока короткого замыкания определяется как отношение тока короткого замыкания к площади поверхности солнечного элемента:

(2.41)

однако  в силу сложности определения S_акт чаще используют S_общ (общую плотность поверхности солнечного элемента).

Фактор  заполнения (ff) показывает, какая часть мощности, вырабатываемой солнечным элементом, используется в нагрузке. Значение фактора заполнения определяется выбором режима работы солнечного элемента, то есть значениями I_W и U_W. Значение ff может быть найдено как отношение мощности на нагрузке, подключенной к выводам солнечного элемента, к полной электрической мощности, вырабатываемой солнечным элементом:

(2.42)

где I_W – ток, протекающий через нагрузку в рабочем режиме U_W – рабочее напряжение солнечного элемента I(U) – вольтамперная характеристика солнечного элемента.

Фактор  заполнения измеряется в % и варьируется от 50 до 85 % для различных типов солнечных элементов.

Как правило, в обзорах указывается  также площадь поверхности солнечного элемента. Общая площадь иногда задается в виде S=a*b, где а – длина b – ширина солнечного элемента или в см². Для концентраторных элементов в обязательном порядке задается коэффициент собирания света (от нескольких до 100 и более солнц).

Модули  характеризуются тем же набором  параметров и характеристик, что  и солнечные элементы. Однако у  них, как правило, U_OC и I_SC  на порядок больше, чем для солнечных элементов, и задаются соответственно в [В] вольтах и [А] амперах. Площадь солнечных модулей составляет от 50 до 10000 см² (у элементов в большинстве случаев S ≈ 1см²). Для солнечных модулей часто указывается номинальная выходная мощность в [Вт] ваттах и число элементов в модуле.

 

7. Кремниевый солнечный элемент
1. Структура кремниевого фотоэлектрического преобразователя

Структура Si солнечного элемента представлена на рис. 2.14 [25]. Схематически показан поперечный разрез солнечного элемента на основе n-р-гомоперехода в Si. Основой элемента является пластина толщиной 200-500 мкм из монокристалла.

Толщина пластин выбирается скорее исходя из структурных критериев, чем из требований полного поглощения света. Слой n-типа толщиной 0,4–0,5 мкм создают диффузионным способом, затем наносят электрические контакты и просветляющее покрытие.

Переход формируется при диффузии атомов Р или As из газообразных диффузантов PH₃, POCl или AsH₃, содержащихся в газе-носителе. Для подавления образования мертвого слоя поверхностную концентрацию примеси ограничивают. С этой целью иногда добавляют кислород, образующий «диффузионное стекло» на основе SiO₂, которое затем удаляют.

Рисунок 2.14. Типичная геометрия солнечного Si элемента: 1 – лицевой сетчатый токосъемный контакт (многослойная система Ti-Pd-Ag-припой); 2 – просветляющее покрытие; 3 – легированный слой n-типа толщиной 0,2 мкм; 4 – слой объемного заряда толщиной 0,5 мкм; 5 – база p-типа толщиной 200 мкм; 6 – p⁺-слой толщиной 0,5 мкм; 7 – тыльный контакт; 8 – токосъемная шина.

Зонная диаграмма солнечного элемента приведена на рис. 2.15.

Рисунок 2.15. Энергетическая зонная диаграмма типичного кремниевого солнечного элемента; 1 – электрическое поле вблизи тыльного контакта

В качестве тыльного контакта обычно используют слой Аl, осажденный методом термического испарения в высоком вакууме. Для инициирования диффузии части слоя Аl проводят термический отжиг (например, при температурах 500-800° С в течение 15 мин). Образующийся при этом р⁺-слой снижает контактное сопротивление. Для создания достаточно толстого р⁺-слоя толщиной 0,2 мкм требуется отжиг при 700-800°С в течение 4 ч, и одновременно образуется электрическое поле, снижающее влияние поверхностной рекомбинации на тыльной поверхности [25].

Лицевая контактная сетка имеет  сложный состав. Наилучшим материалом для контакта могло бы стать серебро, однако оно имеет плохую адгезию к чистой поверхности Si. Для ее улучшения используют промежуточный слой Ti толщиной 40 нм. Однако во влажной среде между Ti и Ag происходит электрохимическая реакция, поэтому между ними для предотвращения коррозии часто вводят слой Pd толщиной 20 нм. Лицевой контакт отжигают при 500-600°С в течение 5-30 мин. Для уменьшения сопротивления собираемому току толщина слоя Ag должна быть достаточно большой (около 5 мкм). Для уменьшения последовательного сопротивления R, солнечного элемента дополнительно наносят припой Pb-Sn, окуная его в расплав, тем самым увеличивая поперечное сечение токосъемной дорожки. Лицевой контакт имеет форму сетки, контактные полоски которой в зависимости от удельного сопротивления и толщины n-слоя разделены зазором от 0,03 (в случае фиолетовых элементов) до 0,3 см и соединены общим токосъемом. Контактная сетка и общий токосъем занимают от 5 до 10% общей площади элемента. Многослойный Ti-Pd-Ag-контакт иногда наносят и на тыльную поверхность, в частности при создании туннельного контакта к р⁺-слою, легированному алюминием.

Поскольку в используемом спектральном диапазоне (от 0,35 до 1,1 мкм) коэффициент отражения чистого кремния принимает значение 33–54% (Runyan, 1965), на его поверхность необходимо наносить просветляющие покрытия. Оптимальное однослойное покрытие снижает коэффициент отражения в этом интервале примерно до 10, а двухслойное – до 3%. В качестве просветляющих покрытий используют слои SiO, SiO, Si₃N₄. А1₃0, TiO₂ и Та₂0₄, причем последний из них особенно эффективен для солнечных элементов с расширенной областью спектральной чувствительности ввиду его высокого пропускания в УФ-диапазоне.

 

2. Вольтамперные и спектральные характеристики кремниевых фотоэлектрических преобразователей

Каждый  тип фотоэлемента характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применения в той или иной области. К важнейшим характеристикам фотоэлемента следует отнести его вольт-амперную и спектральную характеристику.

На  рис.2.16 показана типичная вольт-амперная характеристика кремниевого СЭ измеренная при условиях освещения АМ0 (1, сплошная линия) и темновая (измеренная в отсутствии освещения) вольт-амперная характеристика этого же прибора (2, пунктирная линия) [26].

Не  менее важной характеристикой любого СЭ является его спектральная чувствительность, отражающая тот факт, что фотоэлемент неодинаково реагирует на излучения с различными длинами волн. Спектральная чувствительность i_λ, характеризует величину фототока, возникшую под действием единицы лучистого потока определенной длины волны, и определяется как отношение фототока короткого замыкания I_кз к падающему на ячейку потоку монохроматического излучения Ф_λ [27]:

(3.1)

Спектральную  характеристику СЭ обычно изображают в виде графика i_λ=f(λ), представленного на рис.2.17. Максимум спектральной чувствительности кремниевого преобразователя лежит в интервале длин волн 0,7—0,8 мк [21] и довольно близко подходит к максимуму распределения числа фотонов как функции длины волны в солнечном спектре.

Рисунок 2.16. Типичная вольт-амперная характеристика СЭ на основе кристаллического  кремния при измерении на  имитаторе внеатмосферного Солнца, где U_н и J_н - напряжения и плотности тока в нагрузочной цепи при режиме работы СЭ, соответствующему максимальной  выделяемой мощности на  сопротивлении нагрузки; I_обр и U_обр – обратные ток и напряжение насыщения.

Рисунок 2.17. Спектральная характеристика кремниевого солнечного элемента

Спектральная  чувствительность СЭ измеряется в амперах  на ватт или люмен. Если спектральная характеристика известна, - это значит, что известны все необходимые  для работы оптические данные. Зная распределение спектральной чувствительности фотопреобразователя по спектру, можно  рассчитать ту величину тока, которая  возникнет во внешней цепи при  падении на него лучистого потока от любого источника излучения, если известен закон распределения лучистой энергии последнего по спектру.

 

8. Фотоэлектрические преобразователи на основе гетероструктур на основе A³B⁵
1. Структура фотоэлектрического преобразователя на основе гетероструктур А³В⁵

Современные солнечные элементы на основе соединений А³В⁵ изготавливаются в виде гетероструктуры, изображенной на рис.2.18 [28].

Рисунок 2.18. Схема гетероструктурного солнечного элемента с тыльным потенциальном барьером из n-AlGaAs: Te и призматическим фронтальным покрытием

На  подложке из n-GaAs выращивались последовательно  слои: n-AlGaAs (3мкм), n-GaAs (3мкм), p-GaAs (1–1.5мкм) и p-Al0.85Ga0.15As (0.05мкм). Для снижения омических потерь в данной структуре был существенно увеличен (до 10¹⁹ см⁻³) уровень легирования в части слоя p-GaAs, прилегающей к гетерогранице p-GaAs–p-Al_0.85Ga_0.15As. Для обеспечения высокого значения диффузионной длины электронов в этом слое было создано встроенное электрическое поле за счет плавного уменьшения концентрации акцепторов от гетерограницы к p-n–переходу.

Полосковый  фронтальный омический контакт изготавливался к сильно легированной части слоя p-GaAs, что обеспечило низкое контактное сопротивление. Антиотражающее покрытие выполнялось из ZnS. На фотоэлемент наклеивалось ”призматическое” покрытие обеспечивающее уменьшение оптических потерь на затенение контактными полосами благодаря тому, что лучи света отклоняются этим покрытием в фотоактивную часть фотоэлемента, свободную от контактных полос.

Рисунок 2.19. Зонная энергетическая диаграмма солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs с тыльным потенциальным барьером в n-области

В таких  структурах обеспечивается высокое  значение КПД, за счет уменьшения толщины  фронтального слоя Al_0.9Ga_0.1As до 30–50нм и созданию тыльного потенциального барьера, выполненного из Al_0.1Ga_0.9As, обеспечивающего увеличение эффективности собирания генерированных светом носителей тока.

Зонная  энергетическая диаграмма такого СЭ представлена на рис.2.19 [29].

 

2. Вольтамперные и спектральные характеристики фотоэлектрических преобразователей на основе гетероструктур A³B⁵

Сравнивая полученные спектры фотоотклика  ФПЭ на основе AlGaAs и GaAs можно отметить большую чувствительность ФЭП на основе твердого раствора AlGaAs d ультрафиолетовой части солнечного излучения.

На  представленном рис.2.20 в интервале длин волн от 340 до 400 нм внешний квантовый выход достигает значения 0.4 [30]. Пологий длинноволновый спад полосы фотолюминесценции может быть объяснен малой скоростью поверхностной рекомбинации. Большая чувствительность AlGaAs в ультрафиолетовой и синей частях солнечного спектра позволяет расширить спектральный диапазон поглощения ФЭП. Использование ФЭП GaAs c широкозонным окном AlGaAs позволяет добиться увеличения КПД солнечного элемента.