Device Design – Minority Carrier Collection
la fabricarea joncțiunii pn sau a celulelor solare heterojuncționale de orice configurație, regiunea în vrac sau substrat a dispozitivului semiconductor este dopată ușor sau moderat cu impurități, în timp ce a doua regiune (stratul superior sau „stratul frontal” sau regiunea iluminată într-o celulă de configurație standard, regiunea inferioară sau Neiluminată într-o celulă solară inversată și o regiune subțire, iluminată lateral într-o celulă solară verticală) este puternic dopat. Această concentrație mare de impurități este necesară pentru a reduce rezistența în serie a celulei solare și pentru a permite contactul ohmic cu această regiune. Rețineți că concentrația mare de impurități reduce durata de viață a purtătorului și creează un „strat mort”. Acest „strat mort” nu este o problemă în configurația inversă sau verticală a celulelor solare, dar este o preocupare majoră pentru configurația standard celule solare. Prin urmare, din motive de cost (cu cât o regiune a unei celule solare este mai groasă, cu atât este mai mare cheltuiala fabricării) și, în celulele solare standard, pentru a minimiza lățimea „stratului mort”, este de dorit să menținem această a doua regiune la grosimea minimă.
din capitolul III avem următoarele expresii pentru întinderea câmpului electric de joncțiune în regiunile p și n ale unei celule solare de joncțiune pas pn.
unde xn este Distanța de expansiune a regiunii de încărcare spațială în regiunea n de la joncțiune (luată ca x = 0), xp, este expansiunea în regiunea p, XV este permitivitatea semiconductorului, nd este concentrația de impuritate în regiunea n și NA este concentrația de impuritate în regiunea P. Cantitatea, VD, este tensiunea netă peste joncțiune și este dată de:
unde Vp este fotovoltajul și VB este tensiunea încorporată peste joncțiunea pasului și este determinată din:
unde k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura absolută a joncțiunii și ni este concentrația intrinsecă a purtătorului*.
luați în considerare o joncțiune pas pn cu nl ns#. În această situație, valoarea XL’, lățimea de încărcare spațială (sau câmp electric) în „stratul frontal” va fi zero (vezi ecuația VI.1). Într-o celulă solară heterojuncțională, acest lucru este, de asemenea, eficient, deoarece diferența de lățime a decalajului energetic pentru cele două materiale forțează câmpul electric să se extindă numai în semiconductor cu decalajul energetic mai mic. În joncțiunile metal/semiconductor sau metal-oxid/semiconductor câmpul electric se extinde, de asemenea, în principal în stratul de substrat semiconductor. Valoarea lui Xs, lățimea de încărcare a spațiului în substrat, este, cel mult, Xs’, unde:
aici, Xs’ a fost calculat presupunând o tensiune încorporată egală cu lățimea spațiului de bandă al semiconductorului și o concentrație purtătoare egală cu valoarea intrinsecă, ni.
tabelul VI.2 prezintă o valoare a lui Xs’ pentru cele șase eșantioane de semiconductori.
tabelul VI.2. Gradul maxim al câmpului electric de joncțiune (stratul de epuizare sau de încărcare spațială), XS’
| Semiconductor | Si | INP | GaAs | CdTe | alsb | CdSe |
| XS’ (cm) | 0.031 | 0.891 | 2.08 | 3.45 | 19.66 | 53.1 |
rețineți că, conform ipotezelor făcute, acest câmp electric (regiunea de epuizare) se extinde în semiconductorul din joncțiunile MOS și Schottky, în semiconductorul cu decalaj energetic mai mic în heterojuncții și în regiunea substratului ușor dopat în joncțiunile pasului PN. Reamintim, de asemenea, că avem în vedere celulele solare având o grosime totală practică de 150 de metri cubi*. Lățimea câmpului electric, așa cum este prezentată în tabelul VI.2 este suficient pentru a umple complet Regiunea substratului pentru toate celulele solare standard, verticale și inversate. Cu toate acestea, tabelul VI.2 se bazează pe trei ipoteze; dintre care niciuna nu poate fi realizată pe deplin într-o celulă solară realistă. Prima ipoteză este că substratul este intrinsec. În practică, tehnologia de la începutul anilor 1990 nu poate îndeplini această cerință. O valoare minimă limitată de tehnologie rezonabilă pentru Ns este de ordinul a 1014 / cm3. Mai mult, pentru a reduce curentul de scurgere de saturație al diodei cu celule solare, Ns trebuie, în general, să fie de ordinul a 1015/cm3. A doua ipoteză este că tensiunea de joncțiune este doar tensiunea încorporată a joncțiunii pasului și este egală cu decalajul energetic al joncțiunii pn (sau decalajul energetic al semiconductorului substratului într-o celulă solară heterojuncție, mos sau barieră Schottky. În practică, tensiunea de joncțiune este întotdeauna mai mică decât lățimea decalajului energetic (vezi ecuația VI.3). Un al treilea factor care trebuie inclus în orice discuție a lățimii stratului de epuizare a substratului este că celula solară devine părtinitoare înainte, datorită separării/colectării perechilor gaură-electron. Ca urmare, tensiunea, VD, în ecuația VI.2 este redusă, rapid, spre o fracțiune de volt#.
pentru a estima tensiunea de joncțiune care există de fapt într-o celulă solară cu barieră Schottky, luați în considerare potențialul maxim încorporat, unquxbo, pentru o celulă solară cu barieră Schottky. Având în vedere această valoare, putem înlocui VB în ecuația VI.2, și astfel să determinăm grosimea stratului de epuizare, numai pentru tensiunea încorporată (adică pentru condițiile de scurtcircuit), Xss:
tabelul VI.3 prezintă valorile tensiunilor barierei Schottky pentru cele șase exemple de semiconductori luați în considerare și metale selectate.
tabelul VI.3. Energii barieră Metal-semiconductoare, inquxbo, în eV pentru cele șase exemple de semiconductori (10-15)
| Semiconductor | Si | INP | GaAs | CdTe | alsb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| metal | Semiconductor de tip N | |||||
| pt | 0.90 | 0.60 | 0.84 | 0.76 | 0.60 | 0.37 |
| Au | 0.80 | 0.52 | 0.90 | 0.71 | 0.51 | 0.49 |
| Ag | 0.78 | 0.54 | 0.88 | 0.81 | 0.52 | 0.43 |
| Al | 0.72 | 0.51 | 0.80 | 0.76 | —– | 0.36 |
| Pd | 0.81 | 0.55 | 0.85 | 0.74 | 0.55 | 0.42 |
| p-type semiconductor | ||||||
| Pt | —– | 0.74 | 0.48 | 0.75 | 0.58 | —– |
| Au | 0.34 | 0.76 | 0.42 | 0.73 | 0.55 | —– |
| Al | 0.58 | —– | 0.67 | 0.54 | —– | —– |
| Ti | 0.61 | 0.74 | 0.53 | —– | 0.53 | —– |
| Cu | 0.46 | — | — | — | 0.44 | — |
observați că valorile barierei enumerate în tabelul vi.3 depind de metal, semiconductor și de tipul semiconductorului. Valorile furnizate sunt toate mai mici de un volt și sunt mai mici decât decalajul energetic.
joncțiunea mos este mai puțin bine înțeleasă decât joncțiunea Schottky. Începând cu 1993, acest tip de celule solare a fost construit în principal pe siliciu datorită ușurinței de fabricare a stratului subțire de oxid necesar (vezi capitolul V) cu acest semiconductor. Pentru acest tip de barieră, au fost raportate valori ale energiei barierei de 0,85 (dioxid de aluminiu-siliciu-pe siliciu de tip p) și 0,67 (siliciu de crom-pe siliciu de tip p). Datele din alte surse pentru barierele mos atât pe substraturile de siliciu, cât și pe cele de arsenid de galiu indică valori similare. Rețineți că curenții de scurgere reduși, care rezultă din stratul de oxid, fac ca aceste dispozitive să fie promițătoare; chiar dacă, încă, insuficient înțeleasă.
scopul acestui capitol este de a estima eficiența celulelor solare de construcție „practică”. În acest scop, să luăm în considerare joncțiunile Schottky și mos sub o singură rubrică (Schottky) și să selectăm „cele mai bune” energii de barieră din tabelul VI.3 și din literatură. Apoi, energiile maxime de barieră care trebuie întâlnite, în practică, pentru joncțiunile Schottky pot fi luate ca cele din tabelul VI.4.
tabelul VI.4. Practical maximum Schottky junction barrier energies (eV) and the specific metal employed for the six example semiconductors
| Semiconductors | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| n-type semiconductor | ||||||
| Energy | 0.90 | 0.60 | 0.90 | 0.81 | 0.60 | 0.49 |
| Metal | Pt | Pt | Au | Ag | Pt | Au |
| p-type semiconductor | ||||||
| Energy | 0.95 | 0.76 | 0.67 | 0.75 | 0.58 | * |
| Metal | Hf | Au | Al | Pt | Pt | * |
* In Chapter III we discussed the fact that p-type CdSe has not been practically fabricated to date. Astfel, nici joncțiunile metal-semiconductoare (Schottky) pe CdSe de tip p și nici joncțiunile PN CdSe nu sunt fezabile. Este posibil să se construiască dispozitive de heterojuncție folosind CdSe de tip N ca o parte a joncțiunii. Valorile date în tabelul VI. 6 sunt estimări pentru acest caz.
pentru a calcula potențialele încorporate ale joncțiunii pn, folosim ecuația VI.3. După cum s-a menționat anterior, valoarea potențială minimă pentru concentrația impurității substratului, NS, este o concentrație de impuritate de 1014/cm3. Valoarea pentru concentrația „stratului frontal”, NL, depinde, în parte, de faptul dacă această regiune este introdusă prin difuzie sau implantare Ionică. O valoare efectivă pentru NL de 5 1019 / cm3 este frecvent întâlnită. Combinand aceste valori, cu cele pentru ni2 la 300 inkt K din capitolul III, avem pentru tensiunea incorporata valorile din tabelul VI. 5.
tabelul VI.5. Estimated practical maximum built-in voltages for pn junctions constructed from the example semiconductors (in volts)
| Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
| VB | 0.76 | 1.08 | 1.18 | 1.23 | 1.41 | * |
* p-type CdSe nu este disponibil, astfel încât nu există nici o barieră Schottky pe p-type CdSe, dar poate exista o heterojuncție într-un semiconductor de tip N.
este dificil de prezis potențialul efectiv de barieră al unei heterojuncții. O estimare aproximativă poate fi efectuată prin observarea tensiunii circuitului deschis al unei celule solare heterojuncționale. Din Sreedhar și Sahi și Milnes unele valori ale tensiunilor celulelor solare heterojuncționale cu circuit deschis sunt: (1) decalaj de tip n PE tip P Si, 0,67 V; (2) decalaj de tip N PE tip P GaAs, 0.82 V; (3) decalaj de tip p pe GaAs de tip n, 1,05 V; și (4) ZnSe de tip n pe GaAs de tip p, 0,925 V. rețineți că aceste valori sunt de Ordinul Celor din tabelul VI.5 pentru joncțiunile pn. Calculele lățimii stratului de epuizare a substratului folosind aceste tensiuni de barieră conduc la rezultate similare ca mărime cu cele care utilizează rezultatele tabelului VI.4 din ecuația VI.5 pentru Schottky și tabelul VI.5 din ecuația VI.3 pentru joncțiunile pn.
pentru o concentrație de impuritate a substratului de 1014/cm3 putem obține o estimare a lățimii stratului de epuizare a substratului într-o celulă solară în condiții de scurtcircuit (fotovoltajul egal cu zero). Aceste lățimi de epuizare, pentru exemplul semiconductorilor, sunt prezentate în tabelul VI.6.
tabelul VI.6. Lățimea maximă „practică” a stratului de depleție (exprimată în milimetri x) în substraturile semiconductoare pentru cele șase exemple de semiconductori, în funcție de diferitele tipuri de joncțiuni și la o temperatură de 300 de milimetri k
| Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | alsb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| bariera metal-semiconductoare pe substrat Semiconductor de tip N | ||||||
| 3.457 | 3.049 | 3.547 | 3.126 | 2.703 | 2.398 | |
| Metal-semiconductor barrier on p-typ semiconductor substrate | ||||||
| 3.552 | 3.432 | 2.983 | 2.999 | 2.657 | * | |
| Step pn junction or heterojunction | ||||||
| 3.192 | 4.093 | 4.036 | 3.860 | 4.129 | 4.21 | |
* CdSe de tip P nu este disponibil, deci nu există nici o barieră Schottky pe CdSe de tip p, dar poate exista o heterojuncție într-un semiconductor de tip N.
observați că lățimile stratului de epuizare din tabelul VI.6 nu numai că sunt mult mai mici decât lățimile câmpului electric din tabelul VI.2, dar sunt, de asemenea, mult mai mici decât grosimea de absorbție optică a semiconductorului (150 unktm). Dacă separarea/colectarea perechilor electron-gaură depindea exclusiv de lățimea stratului de epuizare, performanța celulelor solare standard și a configurației inversate ar fi în mare parte negată. Din fericire, există și alte fenomene care pot ajuta la producerea fotocurentului. Aceste fenomene sunt folosite pentru a aduce purtătorii generați optic în raza câmpului electric în stratul de epuizare al unei joncțiuni de celule solare. În primul rând, luați în considerare lungimea de difuzie într-un semiconductor și în ce măsură extinde efectiv gama de colectare a stratului de epuizare.
odată generate de absorbția fotonilor în regiunile în vrac (zone fără câmp electric) ale celulei solare, perechile de electroni gaură se mișcă aleatoriu prin semiconductor. Dacă există o joncțiune în cristalul semiconductor, va exista, desigur, un câmp electric în vecinătatea joncțiunii. Acest câmp servește la colectarea perechilor electron-gaură și la separarea lor, producând astfel un gradient de concentrație în perechi electron-gaură. Acum luați în considerare regiunea de tip p a unei celule solare. Electronii din această regiune, aproape de regiunea de epuizare, adesea, aleatoriu, se deplasează în câmpul electric. Când se întâmplă acest lucru, electronii sunt accelerați de-a lungul joncțiunii către partea de tip N. Un proces similar are loc, desigur, la găurile care se deplasează aleatoriu pe partea de tip n, deoarece acestea sunt accelerate spre partea de tip P. Efectul acestei eliminări a purtătorului minoritar este de a crea un gradient de concentrație de electroni între regiunea în vrac de pe partea de tip p și marginea regiunii de epuizare. Astfel, un electron într-o lungime de difuzie a joncțiunii de pe partea de tip p va fi colectat (același lucru este valabil și pentru găurile dintr-o lungime de difuzie a joncțiunii de pe partea de tip n). Lungimea de difuzie, L, este dată de:
unde, din capitolul III:
durata de viață a semiconductorilor utilizați ca exemple în această lucrare au fost discutate în capitolul III. reamintim că aceste proprietăți ale materialului sunt funcții de temperatură și concentrație de impurități. În acest capitol avem în vedere funcționarea celulelor solare la temperatura camerei (27ct.c). Discuția precedentă a lățimii stratului de epuizare a folosit o concentrație de impuritate a substratului de 1014/cm3 și o concentrație mare de impuritate „strat frontal” de 5 1019 / cm3. Câteva cuvinte suplimentare referitoare la” caracterul practic ” al acestor concentrații sunt în ordine. Concentrația „stratului frontal” variază în funcție de distanța în semiconductor. Dacă „stratul frontal” este rezultatul unui proces de difuzie, concentrația de impuritate la suprafață este mult mai mare decât cea de la joncțiune. De obicei, NL(x) va urma o curbă a funcției de eroare cu o concentrație de suprafață care depășește fie banda de conducție, fie densitatea benzii de valență a stărilor (vezi apendicele B și ). Dacă „stratul frontal” este rezultatul implantării ionilor, densitatea impurității atinge un vârf la o anumită distanță în semiconductor; distanța determinată de semiconductor, orientarea sa cristalină, speciile de impuritate și energia implantului . Folosind tehnologii moderne , cum ar fi epitaxia fasciculului molecular, este posibil să se mențină concentrația „stratului frontal” la aproximativ densitatea nivelului stărilor, care este de aproximativ 5 centimetri1019/cm3. Această concentrație de impuritate este suficient de mare pentru a afecta negativ durata de viață a „stratului frontal”, dar este, de asemenea, suficient de mare pentru a susține un „strat frontal” subțire fără rezistență excesivă.
concentrația impurității substratului trebuie să fie mică pentru a spori lungimea de difuzie și lățimea stratului de epuizare, dar trebuie să fie suficient de mare pentru a reduce rezistența seriei în vrac a celulei solare. Această rezistență în serie în vrac, rD, este dată de:
unde 1 este lungimea substratului (în general considerată a fi de 150 mm în această lucrare); AD este zona de joncțiune a celulei solare, care presupunem că este egală cu aria secțiunii transversale a substratului; ; și Ns este concentrația de impuritate din substrat. În Capitolul V, în legătură cu curentul de saturație, s-a utilizat o concentrație de impuritate a substratului de 1016/cm3. Aceasta a produs o valoare scăzută a densității curentului de saturație. Mai devreme în acest capitol am utilizat o concentrație de impuritate a substratului de 1014/cm3 deoarece această valoare produce o lățime mai mare a stratului de epuizare, cu prețul densității de curent de saturație crescută. În practică, o concentrație purtătoare de aproximativ 1015 / cm3 oferă un echilibru satisfăcător între rezistența seriei, lungimea difuziei, curentul de saturație și tehnologia de procesare.
folosind o valoare de NS egală cu 1015/cm3 și o valoare de nl egală cu 5 1019 / cm3, coroborat cu mobilitățile și valorile de viață din anexa B, literatura de specialitate și Capitolul III, avem datele furnizate în tabelul VI.7. Aceasta va fi utilizată ca intrare pentru calculul lungimilor de difuzie ale purtătorului minoritar în substraturile celulelor solare realizate din exemplul nostru semiconductori.
tabelul VI.7. Valori estimate ale concentrației impurităților, mobilității purtătorilor minoritari și duratei de viață, ca funcții ale semiconductorilor pentru o temperatură de 300 de K și cele șase exemple de semiconductori
| Semiconductor | Si | INP | GaAs | CdTe | alsb | CdSe | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| „strat frontal” | ||||||||||
| concentrație (cm−3) —–5 × 1019—– | ||||||||||
| „front layer” mobility (cm2/volt-second) | ||||||||||
| p-type layer | 135 | 450 | 1000 | 700 | 140 | —– | ||||
| n-type layer | 80 | 150 | 100 | 50 | 180 | 450 | ||||
| „front” layer lifetime (seconds) | ||||||||||
| p-type layer | 10−7 | 10−10 | 10−10 | 10−9 | 10−10 | —– | ||||
| n-type layer | 10−7 | 10−10 | 10−10 | 10−9 | 10−10 | 10−10 | ||||
| Substrate | ||||||||||
| Concentration (cm−3) ————-1 × 1015————– | ||||||||||
| substrate mobility (cm2/volt-second) | ||||||||||
| p-type layer | 1500 | 3500 | 6500 | 950 | 200 | —– | ||||
| n-type layer | 500 | 600 | 350 | 90 | 400 | 600 | ||||
| substrate lifetime (seconds) | ||||||||||
| p-type layer | 8×10−5 | 6×10−8 | 6×10−8 | 2×10−6 | 1×10−7 | —– | ||||
| n-type layer | 8×10−5 | 3×10−8 | 3×10−8 | 1×10−7 | 9×10−8 | 1.5 10-9 | ||||
într-o celulă solară „realistă”, atât mobilitățile purtătorilor minoritari, cât și durata de viață pot fi mai mici decât valorile prevăzute în tabelul VI.7, în special dacă prelucrarea implicată în fabricarea celulei solare este substandard. Cu toate acestea, mobilitățile și durata de viață furnizate în tabelul VI.7 sunt realizabile și conduc la lungimile de difuzie din tabelul VI.8.
tabelul VI.8. Lungimi estimate de difuzie a purtătorilor minoritari pentru regiunile de tip N și p ale celulelor solare care utilizează exemplul semiconductorilor, la 300 INP
| Semiconductor | Si | INP | GaAs | CdTe | alsb | CdSe | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| „stratul frontal” lungime de difuzie (inkt) | |||||||
| p – type layer | 5.91 | 0.341 | 0.509 | 1.35 | 0.191 | —– | |
| n-type layer | 4.55 | 0.197 | 0.161 | 0.36 | 0.216 | 0.341 | |
| substrate diffusion length (μm) | |||||||
| p-type layer | 577 | 145 | 198 | 436 | 44.7 | —– | |
| n-type layer | 322 | 42.4 | 32.4 | 30 | 60 | 9.49 | |
Din discuția referitoare la grosimea „stratului mort” din Capitolul V, Regiunea „stratului frontal” puternic dopată în joncțiunea pasului de configurare standard sau verticală și celulele solare heterojuncționale ar trebui să fie mici, cu o grosime maximă sub un micron. Deoarece această regiune are o durată de viață redusă (a se vedea tabelul VI.7), iar viteza de recombinare a suprafeței unor astfel de regiuni puternic dopate este ridicată, este puțin probabil ca un procent mare de purtători să fie colectați și separați în această regiune. Prin urmare, lungimile de difuzie pentru „stratul frontal” prevăzute în tabelul VI.8 sunt adecvate. Substratul este însă o altă problemă. Pentru orice configurație a celulei solare, perechile electron-gaură vor fi generate prin absorbția fotonilor la o anumită distanță de suprafața iluminată. Din figurile IV. 7 și IV.8, această distanță este dată în tabelul VI.9.
tabelul VI.9. The approximate depth beneath the illuminated surface at which electron-hole pair optical generation ceases (μm)
| Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
| Depth | 1000 | 0.3 | 2 | 20 | 8 | 1 |
From practical considerations we have set the maximum solar cell thickness to a value of 150 μm. Acest lucru duce la o pierdere a energiei solare potențial convertibile de aproximativ 5% pentru celulele solare pe bază de siliciu. Rețineți că, pentru celălalt exemplu semiconductori, absorbția are loc atât de rapid încât această grosime limitată a celulei solare nu are efect. Comparând valorile adâncimii de absorbție optică din tabelul VI.9 cu lungimile de difuzie prezentate în tabelul VI.8, vedem că, pentru celulele solare cu o grosime de 150 de centimetri, lungimile de difuzie pentru toate cele șase materiale semiconductoare de exemplu sunt adecvate pentru a colecta toți purtătorii de sarcină generați optic pentru celulele solare de configurație standard*.
luați în considerare celulele solare de configurare inversate și verticale. Din discuțiile noastre în legătură cu figurile VI.1 și VI.2 și tabelele VI.9 este posibil, în aceste configurații, ca generarea perechii optice gaură-electron să aibă loc la o distanță de aproximativ 150 de milimetri cubi de joncțiune. Având în vedere lungimile de difuzie ale purtătorului minoritar din tabelul VI.8, observăm că, dacă substratul este de tip p, atunci siliciul, fosfura de indiu, arsenida de galiu și telurura de cadmiu au potențialul de a colecta aproape toate perechile de găuri-electroni. Nu toate, deoarece, chiar și în cazul siliciului cu lungimea de difuzie a purtătorului minoritar de 557 de Centimetre, lungimea de difuzie în oricare dintre aceste semiconductori de exemplu nu este niciodată mai mare de patru ori limita de 150 de Centimetre. Pentru fosfura de indiu și arsenidul de galiu, lungimea de difuzie este aproximativ egală cu distanța maximă de generare de 150 de Centimetre. În cazul substraturilor de tip N, numai siliciul are o lungime de difuzie a purtătorului minoritar suficient de mare, suficient de lungă pentru a asigura colectarea majorității perechilor de electroni gaură.
există o sursă suplimentară de pierdere a purtătorului de sarcină. Suprafața iluminată a configurației verticale a joncțiunii celule solare este formată prin secționarea plachetei originale (a se vedea discuția în asociere cu figura VI.2). Această procedură îmbunătățește viteza de recombinare a suprafeței și reduce fotocurentul pentru aceste dispozitive. Rețineți că această problemă nu este atât de severă cu celule solare de configurare inversate. Pentru această configurație a dispozitivului, procesul de fabricație este adaptat pentru a minimiza viteza de recombinare a suprafeței. În configurația standard celule solare recombinarea suprafeței contribuie la” stratul mort ” și, prin urmare, a fost deja luată în considerare. În cele din urmă, rețineți că, la contactul substratului, se presupune că recombinarea suprafeței este în esență infinită (vezi discuția din capitolul III). Aceasta produce un gradient de concentrație minoritar în vecinătatea contactului substratului care pâlnie purtătorii de sarcină în direcția greșită. Studiul figurii VI.1 va demonstra cititorului că această problemă nu este importantă pentru configurația standard celule solare și acele celule solare de configurație inversate cu contactele lor de substrat pe suprafața neiluminată. Cu toate acestea, este important pentru celulele solare cu joncțiune verticală, rezultând un „strat mort” în apropierea contactului cu substratul și reducând performanța generală a celulei solare.
există o soluție la toate aceste probleme; o soluție care are avantajul suplimentar de a reduce rezistența seriei substratului. Luați în considerare diagrama Energie versus distanță pentru celula solară afișată în figura VI.3.
figura VI.3. O celulă solară cu o concentrație variabilă de impuritate în substrat. Ec este marginea inferioară a benzii de conducție, EF este nivelul Fermi și Ev este marginea superioară a benzii de valență.
în figura VI.3 se presupune că „stratul frontal” puternic dopat are o concentrație constantă de impuritate de aproximativ 5 1019/cm3 la x = 0 (joncțiunea) substratul este dopat relativ ușor (o concentrație de impuritate de aproximativ 1019/cm3), dar concentrația de impuritate (acceptor în exemplul din Figura VI.3) a substratului crește odată cu creșterea distanței de la joncțiune. Rezultatul este un câmp electric încorporat care împinge transportatorii minoritari spre joncțiune. Acest câmp electric este dat de:
unde ns (x) este concentrația impurității substratului. Aceasta variază de la aproximativ 1014/cm3 la o valoare de ordinul 1017-1018 / cm3 (o valoare mai mică de o zecime din densitatea efectivă a stărilor valoare pentru substrat*). Rețineți că dacă dorim o valoare constantă a câmpului electric, e atunci concentrația impurității substratului va fi:
unde ns(o) este concentrația impurității substratului la joncțiune și x este pozitiv în substratul#.
Să presupunem un substrat cu lățimea de 150 MMC. Apoi, pentru un câmp electric în substrat de 16 volți/cm, raportul Ns(150)/Ns(o) este de zece mii. Având în vedere un astfel de câmp, extinzând lățimea substratului, putem colecta în esență toate perechile de găuri-electroni generate în substrat și le putem transporta la marginea stratului de epuizare. La rândul său, stratul de epuizare separă perechile gaură-electron. Ca un avantaj suplimentar, substratul gradat discutat aici servește și la decuplarea vitezei de recombinare a suprafeței la contactul substratului .
luați în considerare fotocurentul care poate fi așteptat într-o celulă solară de configurație standard, inversată sau verticală. Să presupunem că avem o configurație inversată celulă solară, cu un substrat gradat, acoperire antireflexie eficientă 95% și eficiență de colectare 100% pentru toate perechile de găuri-electroni generate. Densitatea fotocurentului preconizată este cea din tabelul VI. 10.
tabelul VI.10. Estimated photocurrent density (mA/cm2) in an inverted configuration solar cell at 300° K
| Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AM0-conditions | 44.65 | 41.7 | 37.2 | 35.8 | 28.6 | 26.0 |
| AM1-conditions | 36.1 | 31.8 | 28.7 | 27.2 | 21.9 | 20.5 |
în cazul unei celule solare cu configurație verticală, trebuie să includem pierderi suplimentare din recombinarea suprafeței datorită faptului că suprafața iluminată a fost tăiată dintr-o placă (a se vedea discuția care însoțește figura VI.2). Presupunând o viteză rezonabilă de recombinare a suprafeței de 10.000 cm / secundă și utilizând datele din tabelul VI. 7 și figura III.8, putem estima că densitatea maximă realizabilă a fotocurentului va fi cu aproximativ 5% sub fotocurenții celulei solare inversate, rezultând numerele din tabelul VI.11.
figura VI.8. Fotovoltage atunci când energia furnizată de celule solare este un maxim, VD’, pentru celule solare de configurare standard, în funcție de barieră și substrat, sub lumina AM1, la 300 octoct K și pentru șase semiconductori de exemplu.
simboluri de joncțiune: H pentru heterojuncție, P pentru joncțiunea pn, s pentru bariera Schottky și B atât pentru PN, cât și pentru heterojuncții.
simboluri substrat: n pentru n-tip, p pentru p-tip și e pentru fiecare tip.
tabelul VI.11. Densitatea de fotocurent estimată (mA/cm2) într-o celulă solară de configurație verticală la 300 de kilograme k
| Semiconductor | Si | INP | GaAs | CdTe | Alsb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AM0-condiții | 42.7 | 39.5 | 35.3 | 33.9 | 27.1 | 24.7 |
| AM1-conditions | 34.2 | 30.1 | 27.2 | 25.7 | 20.8 | 19.5 |
The expected photocurrent from a standard configuration solar cell is still less. Există pierderi suplimentare de recombinare datorate ” stratului mort „(care este rezultatul” stratului frontal ” puternic dopat) în joncțiunile pasului pn, de la efectele de interfață într-o celulă solară heterojuncțională și de la efectele de reflecție în cazul celulelor solare mos și Schottky junction. În tabelul următor este furnizată densitatea de fotocurent estimată pentru o celulă solară de configurație standard. În cazul unei joncțiuni pas pn,” stratul frontal „este subțire pentru a minimiza grosimea” stratului mort ” (menținând acest strat de la 0,3 până la 0,6 mm grosime). Stratul ” mort „nu umple complet” stratul frontal”, ci cuprinde treimea superioară sau cam așa ceva. Presupunând că acest „strat mort” este, într-adevăr, total mort și utilizând figurile IV.10 și IV.11, densitatea maximă estimată de fotocurent pentru configurația standard PN celulele solare de joncțiune pas este furnizată în tabelul VI.12. Fotocurenții posibili estimați pentru heterojuncțiile de configurare standard sunt mai mari, deoarece” stratul mort „nu este prezent–semiconductorul care formează” stratul frontal ” fiind transparent pentru fotonii de interes. Fotocurentul este, de asemenea, estimat pentru Schottky barrier Standard configuration celule solare. Existența unui strat metalic pe partea iluminată a celulei solare reduce drastic potențialul fotocurent, iar valorile indicate în tabelul VI.12 sunt, în cel mai bun caz, estimări.
tabelul VI.12. Densitatea de fotocurent estimată (mA/cm2) într-o celulă solară de configurație standard, pentru dispozitivele de joncțiune în trepte pn, heterojuncție și joncțiune Schottky la 300 inkt K
| Semiconductor | Si | INP | GaAs | CdTe | alsb | CdSe | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| celule solare heterojuncționale | |||||||
| AM0-condiții | 37,95 | 35,44 | 31,62 | 30,43 | 24.31 | 22.10 | |
| AM1-conditions | 30.68 | 27.03 | 24.40 | 23.12 | 18.62 | 17.42 | |
| pn step junction solar cells | |||||||
| AM0-conditions | 31.77 | 07.02 | 20.88 | 22.54 | 18.45 | 11.25 | |
| AM1-conditions | 25.02 | 05.67 | 15.75 | 17.10 | 14.04 | 09.18 | |
| Schottky junction solar cells | |||||||
| AM1-conditions | 10.59 | 02.34 | 06.96 | 07.53 | 06.15 | 03.75 | |
| AM1-conditions | 8.34 | 01.89 | 05.25 | 05.70 | 04.68 | 03.06 | |
In studying Table VI.12 este clar că coeficientul ridicat de absorbție al InP are ca rezultat pierderi neobișnuit de mari de recombinare în celulele solare cu configurație standard de joncțiune PN. De asemenea, rețineți că, pentru fiecare dintre semiconductorii de exemplu, există o scădere a densității fotocurentului așteptat de la configurația inversată până la configurația verticală și la configurația standard. Acest declin este minor atunci când sunt comparate celulele solare cu configurație verticală și inversată, dar de proporții majore atunci când sunt luate în considerare celulele solare cu configurație standard. Nu se poate sublinia faptul că valorile densității fotocurentului așteptate în tabelele VI.10 până la VI.12 sunt estimări și depind puternic de tehnicile de fabricație utilizate în construirea celulelor solare, de orientarea cristalului de suprafață și de semiconductorul în sine. Valorile enumerate mai sus ar trebui să fie realizabile, dacă se exercită suficientă atenție, dar „greșelile” în tehnologia de fabricație și pregătirea suprafeței pot duce la reduceri substanțiale.
scopul general al acestui capitol este de a oferi o estimare a performanței pentru mai multe situații „realiste”. Heterojuncția și estimările densității fotocurentului joncțiunii treptelor pn din tabelul VI. 12 sunt rezonabile. Estimările densității Fotocurentului Schottky sunt mai problematice. Pentru a permite pătrunderea fotonilor în stratul de metal deasupra unei diode Schottky, stratul trebuie să fie foarte subțire (<500 Irak) . Chiar și așa, există pierderi considerabile din cauza reflexiei fotonilor, iar densitatea fotocurentului în astfel de dispozitive este mică.