Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках

 

Рисунок 2.20. Типичная абсолютная спектральная чувствительность исследуемых ФЭП на основе AlGaAs.

 

На  рис. 2.21 показана измеренная вольтамперная характеристика ФЭП на основе AlGaAs, полученная при кратности солнечного излучения равной – 1 [31]. Фотоэлектрические преобразователи на основе AlGaAs имеют большее напряжение холостого хода Uхх по сравнению с ФЭП на основе GaAs. Это обусловлено тем, что AlGaAs является  более широкозонным материалом чем арсенид галлия. Но в тоже время они имеют несколько меньший ток короткого замыкания Iкз, чем солнечные элементы на основе GaAs.

Исследуемые структуры ФЭП AlGaAs имели площадь фоточувствительной поверхности S=0.1225 см². Оптимальное сопротивление нагрузки было выбрано 10 Ом. Условия освещенности AM 1.5 Low D.

Полученный  КПД ФЭП AlGaAs оказался меньше КПД ФЭП GaAs из-за разных фотоактивных площадей структур. В данном случае площадь арсенид галлиевого солнечного элемента оказалась больше. На практике при одинаковых условиях эксперимента солнечные элементы AlGaAs-GaAs имеют больший КПД чем ФЭП GaAs без широкозонного окна.

Рисунок 2.21. Измеренная ВАХ ФЭП на основе AlGaAs

 

Результаты  измерения фотоэлектрических параметров ФЭП AlGaAs представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Измеренные фотоэлектрические параметры исследуемых ФЭП AlGaAs

 

Осв-ть	Iкз, мА	Uхх, В	Iопт, мА	Uопт, В	Pмакс, мВт	FF,%	КПД, %
1.294	2.996	1.049	2.649	0.8344	2.210	70.3	16.41

 

На  рисунке 2.21 представлено семейство ВАХ для ФЭП на основе AlGaAs. Кривые ВАХ были получены путем варьирования расстояния между осветительной импульсной лампой и исследуемой структурой. С увеличение кратности излучения прямо пропорционально возрастает ток короткого замыкания I_кз как это показано на рис.2.22 а, б, однако, напряжение холостого хода при этом изменяется незначительно. При возрастании концентрации излучения уменьшается фактор заполнения ВАХ, так как кривая ВАХ становится более пологой. 

а)

б)

Рисунок.2.22. Семейство ВАХ структуры ФЭП на основе AlGaAs

 

Фотоэлектрические параметры исследуемых ФЭП AlGaAs при измерении семейства ВАХ отображены в табл. 2.2.

 

Таблица 2.2. Результаты измерения семейства ВАХ ФЭП AlGaAs.

 

Осв-ть	Iкз, мА	Uхх, В	Iопт, мА	Uопт, В	Pмакс, мВт	FF,%	КПД, %
5.6492	14.744	1.4310	11.972	1.1914	14.263	67.60	20.62
12.4807	32.524	1.4745	27.663	1.2654	35.005	72.99	22.9
16.663	43.075	1.4855	38.148	1.2617	48.132	75.22	23.58
26.2983	68.74	1.5013	59.392	1.3154	78.122	75.70	24.26
52.2296	136.166	1.5189	120.198	1.3024	156.546	75.69	24.47
93.839	245.028	1.5364	217.985	1.2340	268.982	71.45	23.41
124.9961	326.48	1.5438	289.808	1.1766	340.988	67.65	22.27

 

3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПОДЗОНОЙ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР  
   С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМ
1. Физическая модель функционирования фотоэлектрических преобразователей с промежуточной подзоной

В солнечных элементах с промежуточной  подзоной фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны используются для генерации тока, являющегося дополнительным к основному току, создаваемому в результате поглощения фотонов с энергией больше ширины запрещенной зоны.

Существует  несколько механизмов перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости через промежуточную подзону. Независимо от механизмов, законы термодинамики [32] требуют, чтобы процесс перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости через промежуточную зону происходил при поглощении двух фотонов. Самый очевидный вариант требует последовательного поглощения двух фотонов с энергией меньше ширины запрещенной зоны, возбуждающих переход электрона из валентной зоны в промежуточную и с промежуточной в зону проводимости (процессы обозначены цифрами 1 и 2 на рисунке 3.1 к которым добавляется процесс 3, являющийся обычным переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости). Альтернативой указанным процессам является механизм ударной ионизации [33, 34] в котором энергия электрона, возвращающегося из промежуточной зоны в валентную зону используется для перехода другого электрона из промежуточной зоны в зону проводимости (процесс 4 на рисунке 3.1). Отметим, что для этого случая также требуется два фотона – один фотон, как и прежде, переводит электрон из валентной зоны в промежуточную зону, другой фотон переводит электрон из валентной зоны в промежуточную зону. Затем электрон из промежуточной зоны может вернуться обратно в валентную зону, передавая свою энергию посредством ударной ионизации другому электрону, который переходит из промежуточной зоны в зону проводимости. Как ожидалось, конечным результатом этих процессов для стационарного случая является одиночный электрон, перешедший из валентной зоны в зону проводимости.

Рисунок 3.1. Упрощенная зонная диаграмма материала, содержащего промежуточную подзону, отражает различные процессы генерации носителей заряда при межзонных переходах, также показано смещение квазиуровней Ферми.

Стоит помнить, что каждому из указанных  процессов можно сопоставить  обратный процесс (излучение люминесцентных фотонов и Оже-рекомбинация).

Для получения высокого выходного напряжения необходимо, чтобы в материале  существовали три различных уровня Ферми: по одному для валентной зоны и зоны проводимости (как в случае простого полупроводника), и один –  для промежуточной подзоны. Фотоэлектрический  элемент создают в виде «сэндвич-структуры»: между полупроводниками p- и n-типа помещают слой материала, образующего промежуточную подзону. Зонная диаграмма этого устройства представлена на рисунке 3.1, где имеется три квазиуровня Ферми с энергиями EX, обозначенными индексами FC, FI, FV, которые соответствуют соответственно зоне проводимости, промежуточной подзоне и валентной зоне. Выходное напряжение VCV связывают с разностью квазиуровней Ферми зоны проводимости и валентной зоны на p- и n-контактах:

,         (3.1)

где e – заряд электрона. Разность между квазиуровнями Ферми , являющиеся также химическими потенциалами фотонов (μ), испускаемых при электролюминесценции p-n-перехода, подключенного в обратном направлении.

Теоретический максимум КПД идеального солнечного элемента с промежуточной подзоной составляет 63.2%, что превышает на 40.7% КПД обычного однопереходного элемента.

 

2. Эквивалентная электрическая схема фотоэлектрического преобразователя с промежуточной подзоной

Идеальная модель солнечного элемента с промежуточной подзоной описана в работе [35]. Позже в модель были включены неидеальные элементы, учитывающие взаимосвязь коэффициентов поглощения [36-38] и эффекты ударной ионизации и Оже-рекомбинации [33, 34]. На рисунке 3.2 показана эквивалентная схема, учитывающая все эти эффекты. В частности, элементы цепи, обозначенные ‘Impact-Auger’ учитывают процессы ударной ионизации и Оже-рекомбинации. Все элементы цепи и формулы для их расчета описаны в Таблице 3.1.

Связь между математическими выражениями  и соответствующими им физическими  моделями на первый взгляд не очевидна. Результаты работы [36] немного модифицированы для их применения к солнечным элементам, функционирующим при комнатной температуре и включают обратные токи диодов, показанных в цепи.

 

Рисунок 3.2. Эквивалентная схема солнечного элемента с промежуточной подзоной

Необходимо дать несколько комментариев относительно элементов, представленных в таблице 3.1. Суффиксы (a,b,c) или XY могут принимать значения CV, CI и IV и описывают переходы между X зоной (зоной проводимости, промежуточной подзоной или валентной зоной) и Y зоной.

Ток через диоды можно представить  в виде:

,       (3.2)

где V_YX – напряжение между узлами цепи, к которым подключен диод. Экспоненциальная зависимость, представленная в выражении (3.2), показывает, что можно использовать приближение Больцмана для описания статистики электронов и фотонов, что эквивалентно пренебрежением процессов излучения фотонов.

H/A вью-фактор (полилинейный инвариант Лагранжа) на единицу площади [39]. Дифференциал , где n коэффициент преломления среды через которую распространяется свет, – пространственный угол в котором находятся падающие на солнечный элемент лучи, dA – элементарная поверхность солнечного элемента, and – угол, ограничивающий лучи, падающие на элемент. Этот элемент может быть проинтегрирован по всему угловому пространству. Следовательно, для примера, солнечные лучи, заключенные в конусе, ограниченном углом , падающие перпендикулярно к поверхности солнечного элемента, имеют вью-фактор фактор  . Для света, распространяющегося изотропно, вью-фактор на передней части фотоэлемента (где лучи распространяются в воздухе), и на задней части фотоэлемента (где лучи распространяются в полупроводнике с коэффициентом преломления n). В экспериментальном солнечном элементе вью-фактор равен .

 

Таблица 3.1.

Описание элементов, входящих в  состав эквивалентной схемы IB СЭ

Совокупный вклад в фототок   от переходов из ВЗ в ЗП	JL,CV = eGEP + eGEN + GCVext, где eGEN вклад в фототок переднего эмиттера; eGEP вклад заднего эмиттера; GCVext вклад средней области ПЗ.
Ток фотогенерации из IB в ЗП:	JL,CI = eGCIext
Ток фотогенерации из ВЗ в IB	JL,IV = eGIVext
Обратный ток насыщения диодов DXY	J0,CV = JCV,CVext + J0,N + J0,P , J0,CI = JCV,CIext + JCI,CIext + JJV,CIint + eneqW/τC , J0,IV = JCV,IVext + JCI,IVint + JIV,IVext + epeqW/τV , где J0,N ,вклад в ток от рекомбинации на лицевом эмиттере; J0,P ,вклад в ток от рекомбинации на тыльном эмиттере; eneqW/τC , вклад в ток других безызлучательных механизмов рекомбинации между ЗП и ПЗ; epeqW/τV , вклад в ток других безызлучательных механизмов рекомбинации между ПЗ и ВЗ.
Ток обратного насыщения для диодов DK	J0,K = ecApeqmeq2 U/A.
Коэффициенты усиления тока	βa,b± = (Ja,bint ± Jc,bext)/J0,b , с a, b, c взятыми из величин CI, IV, или CV
Вспомогательные функции	GXYext = ∫αXYaNphl /(αCV +αIV +αCI)dϵ , Ja,bint = Zint ∫αaαb exp(-ϵ/kT)ϵ2/(αCV + αIV + αCI)dϵ, Ja,bext = Zext ∫((Hf + Hr)aαaαb/(αCV + αIV + αCI)2)exp(-ϵ/kT)ϵ2dϵ.
Определения	Zint = 8eπnr2W/(h3c2). Zext = 2e/(Ah3c2). αXY - коэффициент абсорции связанный с оптическими переходами между зонами X и Y. a = 1 – exp[-(αCV + αCI + aIV)ζ]; абсорция материала ПЗ. Nphl ,спектральная интенсивность излучения фотона в избытке теплового излучения. W, толщина материала ПЗ. nr ,индекс преломления для материала ПЗ. e, энергия фотона. A, область ячейки. Hf (r) , напряжение излучаемых фотонов с фронтовой(тыльной) поверхности. meq - равновесная концентрация электронов в ПЗ. τC , время жизни связанное с другими безызлучательными механизмами рекомбинации между ЗП и ПЗ. τV , время жизни связанное с другими безызлучательными механизмами рекомбинации между ПЗ и ВЗ. cA , компоненты эффектов Оже и ударной ионизации. U, Объем ячейки.