Boltzmann's Konstantní

Zařízení Design – Minoritní Nosiče Kolekce

Při zhotovení pn přechodu nebo heterojunction solar cells jakékoli konfiguraci, velikost nebo substrátu oblasti polovodičových zařízení je lehce nebo středně příměsí nečistot, zatímco druhý regionu, (horní, nebo „přední vrstvu“ nebo osvětlené regionu ve standardní konfiguraci buněk, spodní nebo non-osvětlené oblasti v obrácené solární a tenký, boční osvětlené oblasti ve vertikální solární buňky) je silně dopoval. Tato vysoká koncentrace nečistot je nutná ke snížení sériového odporu solárního článku a umožnění ohmického kontaktu s touto oblastí. Všimněte si, že velká koncentrace nečistot snižuje životnost nosiče a vytváří „mrtvou vrstvu“. Tato „mrtvá vrstva“ není problém v invertovaných nebo vertikálních konfiguračních solárních článcích, ale je velkým problémem pro standardní konfigurační solární články. Proto, z důvodů nákladů (silnější oblasti solárních článků, tím větší náklady na výrobu) a ve standardní solární buňky, aby se minimalizovalo „mrtvé vrstvy“ šířka, je žádoucí, aby tato druhá oblast minimální tloušťky.

z kapitoly III máme následující výrazy pro rozsah spojovacího elektrického pole do P-A n-oblastí solárního článku PN step junction.

kde xn je prostor starosti oblast rozšiřování vzdálenost do n-oblasti od křižovatky (převzato jako x = 0), xp, je expanze do p-oblasti, ∈ je permitivita polovodiče, ND je koncentrace příměsí v n-oblasti, a NA je koncentrace příměsí v p-oblasti. Množství, VD, je čisté napětí přes křižovatku a je dána tím, že:

kde Vp je photovoltage a VB je vestavěný napětí přes krok křižovatce a je určena ze:

, kde k je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota junction a ni je hodnota intrinsické dopravce koncentrace*.

zvažte přechod kroku pn s NL ≫ Ns#. V této situaci bude hodnota XL‘, šířka prostorového náboje (nebo elektrického pole) v „přední vrstvě“ nulová (viz rovnice VI.1). V heterojunction solar cell to je také účinně případě, protože rozdíl v energii mezera šířky pro dva materiály sil elektrického pole rozšířit pouze do polovodiče s nižší energetickou propast. Ve spojích kov/polovodič nebo kov-oxid/polovodič se elektrické pole také rozšiřuje hlavně do vrstvy polovodičového substrátu. Hodnota Xs, prostor poplatku šířka v substrátu, je nanejvýš Xs‘, kde:

zde byl Xs ‚ vypočítán za předpokladu vestavěného napětí rovného šířce mezery pásma polovodiče a koncentrace nosiče rovnající se vnitřní hodnotě ni.

Všimněte si, že, podle předpokladů, toto elektrické pole (do vyčerpání kraje) zasahuje do polovodičových v mos a Schottkyho křižovatky, do menší energetické mezery polovodičů v heterojunctions, a do lehce dopovaného substrátu oblast v pn krok křižovatek. Připomeňme také, že uvažujeme o solárních článcích s praktickou celkovou tloušťkou 150 µm*. Šířka elektrického pole uvedená v tabulce VI.2 je dostačující pro úplné vyplnění oblasti substrátu pro všechny standardní, vertikální a obrácené konfigurace solárních článků. Tabulka VI. 2 je však založena na třech předpokladech; žádný z nich nemůže být plně realizován v realistickém solárním článku. Prvním předpokladem je, že substrát je vnitřní. V praxi technologie z počátku 90. let nemůže tento požadavek splnit. Přiměřená technologicky omezená minimální hodnota pro Ns je řádově 1014 / cm3. Navíc, aby se snížil saturační svodový proud diody solárních článků, musí být Ns obecně řádově 1015 / cm3. Druhý předpoklad je, že svorkové napětí je pouze vestavěný napětí krok křižovatce a je rovna energie mezeru pn přechodu (nebo rozdíl energie substrátu polovodiče v heterojunction, mos nebo Schottkyho bariéra solárních článků. V praxi je spojovací napětí vždy menší než šířka energetické mezery (viz rovnice VI. 3). Třetí faktor, který musí být zahrnut v jakékoliv diskusi substrátu vyčerpání vrstvy šířka je, že solární články se stává dopředu neobjektivní, vzhledem k rozchodu/kolekce otvoru-elektronové páry. Výsledkem je, že napětí, VD, v rovnici VI.2 je rychle sníženo směrem k určitému zlomku voltu#.

odhadnout, svorkové napětí, které existuje v Schottkyho bariéra solárních článků, zvažte maximální vestavěný potenciál, ϕBo, pro Schottkyho bariéra solárních článků. Vzhledem k této hodnotě můžeme nahradit VB v rovnici VI. 2, a tak určit tloušťku vrstvy deplece, pro samotné vestavěné napětí (tj. pro zkrat), Xss:

Pozorovat, že bariéra hodnoty uvedené v Tabulce VI.3 záviset na kovové, polovodičové, a na polovodič typu. Uvedené hodnoty jsou menší než jeden volt a jsou menší než energetická mezera.

křižovatka mos je méně srozumitelná než křižovatka Schottky. Od roku 1993, tento solární článek typu byla postavena především na křemík, protože snadnost při zhotovení požadované tenké vrstvy oxidu (viz Kapitola V) s touto semiconductor. Pro tento typ bariéry byly hlášeny hodnoty bariérové energie 0,85 (hliník-oxid křemičitý-na křemíku typu p) a 0,67 (chrom-oxid křemičitý-na křemíku typu p). Údaje z jiných zdrojů pro bariéry mos na substrátech křemíku i arsenidu Galia naznačují podobné hodnoty. Všimněte si, že snížené svodové proudy, které jsou výsledkem oxidové vrstvy, činí tato zařízení slibnými; i když zatím nedostatečně pochopeno.

je obtížné předpovědět efektivní bariérový potenciál heterojunkce. Hrubý odhad může být proveden pozorováním napětí otevřeného obvodu heterojunkčního solárního článku. Od Sreedhar a Sahi a Milnes některé hodnoty přerušený obvod heterojunction solar cell napětí jsou: (1) n-typ Mezery na p-typ Si, 0.67 V; (2) n-typ Mezery na p-typ GaAs, 0.82 V; (3) p-typ Mezery na n-typu GaAs, V. 1.05; a (4) n-typ ZnSe na p-typ GaAs, 0.925 V. Všimněte si, že tyto hodnoty jsou na objednávku jsou uvedeny v Tabulce VI.5 pro pn. Výpočty substrátu vyčerpání vrstvy šířky pomocí těchto bariéru napětí vést k výsledkům, podobný ve velikosti k těm, pomocí výsledků z Tabulky VI.4 v Rovnici VI.5 pro Schottkyho a Tabulka VI.5 v Rovnici VI.3 pro pn.

Pozorovat, že vyčerpání vrstvy šířky Tabulky VI.6 jsou nejen velmi mnohem menší, než je elektrické pole šířky Tabulky VI.2, ale jsou také mnohem méně, než je optická absorpční tloušťka polovodiče (150 µm). Pokud by separace/sběr páru elektronů a děr závisel pouze na šířce vrstvy deplece, výkon standardních a obrácených konfiguračních solárních článků by byl do značné míry negován. Naštěstí existují i jiné jevy, které mohou pomoci při výrobě fotoproudu. Tyto jevy jsou používány, aby opticky generovaných nosičů v dosahu elektrického pole ve vyčerpání vrstva solárních článků křižovatce. Nejprve zvažte délku difúze v polovodiči a do jaké míry účinně rozšiřuje sběrný rozsah depleční vrstvy.

jakmile jsou generovány absorpcí fotonů v sypkých oblastech (oblasti bez elektrického pole) solárního článku, páry děr a elektronů se náhodně pohybují polovodičem. Pokud by v polovodičovém krystalu existovala křižovatka, v blízkosti křižovatky bude samozřejmě elektrické pole. Toto pole slouží ke sběru párů elektronů a děr a jejich oddělení, čímž vzniká koncentrační gradient v párech elektronů a děr. Nyní zvažte oblast typu P solárního článku. Elektrony v této oblasti, blízko oblasti vyčerpání, se často náhodně pohybují do elektrického pole. Když k tomu dojde, elektrony jsou zrychleny přes křižovatku na stranu typu n. K podobnému procesu samozřejmě dochází u otvorů náhodně se pohybujících na straně typu n, protože jsou zrychleny směrem ke straně typu p. Účinkem tohoto odstranění menšinového nosiče je vytvoření gradientu koncentrace elektronů mezi objemovou oblastí na straně typu p a okrajem oblasti deplece. Tím bude odebrán elektron v difuzní délce křižovatky na straně typu p (totéž platí pro otvory v difuzní délce křižovatky na straně typu n). Difúzní délka L je dána:

kde, z Kapitoly III:

životnost, τ, a mobilit, μ, pro polovodiče používané jako příklady v této práci byly diskutovány v Kapitole III. Připomeňme si, že tyto vlastnosti materiálu jsou funkcí teploty a množství příměsí. V této kapitole se zabýváme provozem solárních článků při pokojové teplotě (27°C). Předchozí diskuse o šířce depleční vrstvy používala koncentraci nečistot substrátu 1014 / cm3 a vysokou koncentraci nečistot „přední vrstva“ 5 × 1019 / cm3. Několik dalších slov týkajících se „praktičnosti“ těchto koncentrací je v pořádku. Koncentrace „přední vrstvy“ se mění podle vzdálenosti do polovodiče. Pokud je „přední vrstva“ výsledkem difúzního procesu, je koncentrace nečistot na povrchu mnohem vyšší než koncentrace na křižovatce. Typicky bude NL (x) sledovat křivku chybových funkcí s povrchovou koncentrací dobře přesahující buď vodivé pásmo, nebo hustotu valenčního pásma stavů (viz Příloha B a). Pokud „první vrstva“ je výsledkem iontová implantace, nečistota hustota dosahuje maxima v určité vzdálenosti do polovodiče; vzdálenost určí polovodič, jeho krystalová orientace, nečistot druh a energie implantátu . S využitím moderních technologií, jako je epitaxe molekulárního paprsku, je možné udržet koncentraci „přední vrstvy“ přibližně na úrovni hustoty stavů, která je zhruba 5 × 1019/cm3. Tato nečistota koncentrace je dostatečně vysoká, aby negativně ovlivňují životnost „první vrstvu“, ale to je také dostatečně vysoká, aby podporovaly tenký „přední vrstvu“ bez nadměrného odporu.

substrátu koncentrace nečistot, musí být malý, s cílem zvýšit difúzní délka a vyčerpání vrstva šířce, ale musí být dostatečně vysoká, aby snížit hromadné sériový odpor solárního článku. Tato část série odpor, rD, je dána tím, že:

, kde 1 je délka substrát (obvykle vzat být 150 µm v této práci); AD je junction oblasti solárních článků, které předpokládáme, že je rovna ploše průřezu substrátu; µSm je substrátem většiny carrier mobility; a Ns je koncentrace nečistot v substrátu. V kapitole V jsme v souvislosti se saturačním proudem použili koncentraci nečistot substrátu 1016 / cm3. To vedlo k nízké hodnotě hustoty saturačního proudu. Dříve v této kapitole jsme využili koncentraci nečistot substrátu 1014 / cm3, protože tato hodnota poskytuje širší šířku vrstvy deplece, za cenu zvýšené hustoty proudu nasycení. V praxi dopravce koncentraci přibližně 1015/cm3 poskytuje uspokojivé rovnováhy mezi sériový odpor, difúzní délka, sytost aktuální a technologie zpracování.

From practical considerations we have set the maximum solar cell thickness to a value of 150 μm. To má za následek ztrátu potenciálně konvertibilní sluneční energie přibližně 5% pro solární články na bázi křemíku. Všimněte si, že u ostatních příkladových polovodičů dochází k absorpci tak rychle, že tato omezená tloušťka solárního článku nemá žádný účinek. Srovnáním hodnot optické absorpční hloubka v Tabulce VI.9 s difúzní délky jsou uvedeny v Tabulce VI.8, vidíme, že pro 150 µm silná solární buňky difúzní délky pro všech šest například polovodičové materiály jsou dostatečné, aby sbírat všechny opticky generovaných nosičů náboje pro standardní konfigurace solárních článků*.

zvažte invertované a vertikální konfigurace solárních článků. Z naší diskuse v souvislosti s Čísly VI.1 a VI.2 a Tabulky VI.9 je možné, v těchto konfiguracích pro optické díra-elektron pair generace se uskuteční ve vzdálenosti přibližujících 150 µm z křižovatky. S ohledem na minoritní nosiče difúzní délky Tabulka VI.8 jsme na vědomí, že pokud je substrát p-typ křemík, indium fosfid, arsenidu galia a kadmium telluride mají potenciál sbírat téměř všechny díry-elektronové páry. Ne všechny, protože ani v případě křemíku s jeho délkou difúze menšinového nosiče 557 µm není délka difúze v kterémkoli z těchto příkladů polovodičů nikdy větší než čtyřnásobek limitu 150 µm. U fosfidu India a arsenidu Galia je difúzní délka přibližně rovna maximální generační vzdálenosti 150 µm. V případě substrátů typu n má pouze křemík dostatečně velkou difúzní délku menšinového nosiče, dostatečně dlouhou, aby zajistil sběr většiny párů otvorů a elektronů.

existuje další zdroj ztráty nosiče náboje. Osvětlené povrch vertikální spojovací konfigurace solárních článků je tvořen krájení původní oplatky (viz diskuse v souvislosti s Obrázek VI.2). Tento postup zvyšuje rychlost rekombinace povrchu a snižuje fotoproud pro tato zařízení. Všimněte si, že tento problém není tak závažný u invertovaných konfiguračních solárních článků. Pro tuto konfiguraci zařízení je výrobní proces přizpůsoben tak, aby minimalizoval rychlost rekombinace povrchu. Ve standardní konfiguraci solárních článků přispívá povrchová rekombinace k „mrtvé vrstvě“, a proto již byla vzata v úvahu. Nakonec si povšimněte, že při kontaktu se substrátem se předpokládá, že rekombinace povrchu je v podstatě nekonečno (viz diskuse v kapitole III). To vytváří minoritní koncentrační gradient v blízkosti kontaktu substrátu, který trychtýře nosiče náboje ve špatném směru. Studie obr. VI.1 se ukázat čtenáři, že tento problém je nedůležité pro standardní konfigurace solárních článků a ty obrácené konfiguraci solární články s jejich substrátu kontakty na non-osvětlené plochy. Je to však důležité pro vertikální spojovací solární články, což má za následek „mrtvou vrstvu“ v blízkosti kontaktu se substrátem a snížení celkového výkonu solárního článku.

Na obrázku VI.3 silně dopované „přední vrstva“ se předpokládá, že mají konstantní nečistoty koncentraci přibližně 5×1019/cm3 Při x = 0 (křižovatky) substrát je relativně lehce dopovaný (nečistota koncentraci přibližně 1019/cm3), ale koncentrace příměsí (akceptor v příkladu z Obrázku VI.3) substrátu se zvyšuje jako vzdálenost od křižovatky se zvyšuje. Výsledkem je vestavěné elektrické pole, které tlačí menšinové nosiče směrem ke křižovatce. Toto elektrické pole je dáno:

kde Ns(x) je koncentrace nečistot substrátu. To se pohybuje od přibližně 1014 / cm3 do hodnoty řádově 1017 až 1018 / cm3 (hodnota menší než jedna desetina hodnoty efektivní hustoty stavů pro substrát*). Všimněte si, že pokud toužíme konstantní hodnota elektrického pole, E, pak substrát nečistoty koncentrace bude:

kde Ns(o) je substrát nečistoty koncentrace na křižovatce a x je pozitivní do substrátu#.

Předpokládejme substrát o šířce 150 µm. Pak pro elektrické pole v substrátu 16 voltů / cm je poměr Ns (150)/Ns (o) deset tisíc. Vzhledem k tomu, jako pole, prodloužení šířky substrátu, můžeme sbírat v podstatě všechny díry-elektronové páry generované v substrátu a dopravit je na hraně vyčerpání vrstvy. Na druhé straně depleční vrstva odděluje páry otvorů a elektronů. Jako další výhodu, zde diskutovaný odstupňovaný substrát také slouží k oddělení rychlosti rekombinace povrchu při kontaktu se substrátem .

In studying Table VI.12 je zřejmé, že vysoký absorpční koeficient InP vede k neobvykle vysokým ztrátám rekombinace v kroku pn spojovací standardní konfigurace solárních článků. Všimněte si také, že pro každý z příkladů polovodičů dochází k poklesu očekávané hustoty fotoproudu z obrácené konfigurace přes vertikální konfiguraci a standardní konfiguraci. Tento pokles je malý, když jsou porovnávány vertikální a obrácené konfigurační solární články, ale velkých rozměrů, když jsou zvažovány standardní konfigurační solární články. To nelze přeceňovat, že hodnoty očekávané photocurrent hustotu v Tabulkách VI.10 až VI.12 jsou odhady a silně závislá na výrobu techniky používané v konstrukci solární buňky, na povrchu krystalové orientaci, a na polovodičovém sám. Výše uvedené hodnoty by měly být realizovatelné, pokud je věnována dostatečná péče, ale „chyby“ ve výrobní technologii a přípravě povrchu mohou vést k podstatnému snížení.

celkovým účelem této kapitoly je poskytnout odhad výkonu pro několik „realistických“ situací. Odhady hustoty fotoproudu heterojunkce a stupně PN v tabulce VI. 12 jsou přiměřené. Odhady hustoty fotoproudu Schottky jsou problematičtější. Aby bylo umožněno pronikání fotonů kovovou vrstvou na Schottkyho diodu, musí být vrstva velmi tenká (< 500 Å). Přesto dochází k značným ztrátám v důsledku odrazu fotonu a hustota fotoproudu v takových zařízeních je malá.