Boltzmann's-Konstante

Gerätedesign – Minoritätsträgersammlung

Bei der Herstellung von pn-Übergangs- oder Heterojunction-Solarzellen beliebiger Konfiguration ist der Bulk- oder Substratbereich des Halbleiterbauelements leicht oder mäßig mit Verunreinigungen dotiert, während der zweite Bereich (die obere oder „vordere Schicht“ oder beleuchtete Region in einer Standardkonfigurationszelle, die untere oder nicht beleuchtete -beleuchteter Bereich in einer invertierten Solarzelle und ein dünner, seitlich beleuchteter Bereich in einer vertikalen Solarzelle) stark dotiert. Diese hohe Konzentration an Verunreinigungen ist erforderlich, um den Serienwiderstand der Solarzelle zu verringern und eine ohmsche Kontaktierung dieses Bereichs zu ermöglichen. Beachten Sie, dass die hohe Verunreinigungskonzentration die Lebensdauer des Trägers verringert und eine „tote Schicht“ erzeugt. Diese „tote Schicht“ ist bei Solarzellen mit invertierter oder vertikaler Konfiguration kein Problem, ist jedoch bei Solarzellen mit Standardkonfiguration von großer Bedeutung. Daher ist es aus Kostengründen (je dicker ein Bereich einer Solarzelle ist, desto größer ist der Herstellungsaufwand) und bei Standardsolarzellen zur Minimierung der „Totschichtbreite“ wünschenswert, diesen zweiten Bereich auf eine minimale Dicke zu beschränken.

Aus Kapitel III haben wir die folgenden Ausdrücke für die Ausdehnung des elektrischen Übergangsfeldes in den p- und n-Bereich einer pn-Stufenübergangssolarzelle.

wobei xn der Raumladungsbereichsausdehnungsabstand in den n-Bereich vom Übergang ist (genommen als x = 0), xp, ist die Expansion in den p-Bereich, ∈ ist die Permittivität des Halbleiters, ND ist die Verunreinigungskonzentration in der n-Region und NA ist die Verunreinigungskonzentration in der p-Region. Die Größe, VD, ist die Netzspannung über den Übergang und ist gegeben durch:

wobei Vp die Photospannung und VB die eingebaute Spannung über den Schrittübergang ist und aus der:

wobei k die Boltzmannsche Konstante ist, T die absolute Temperatur des Übergangs ist und ni die intrinsische Trägerkonzentration ist*.

Betrachten Sie einen pn-Schrittübergang mit NL ≫ Ns#. In dieser Situation ist der Wert von XL‘, der Raumladungsbreite (oder elektrischen Feldbreite) in der „vorderen Schicht“ Null (siehe Gleichung VI.1). In einer Heterojunction-Solarzelle ist dies auch effektiv der Fall, da der Unterschied in den Energielückenbreiten für die beiden Materialien das elektrische Feld zwingt, sich nur in den Halbleiter mit der geringeren Energielücke auszudehnen. Bei Metall/Halbleiter- oder Metalloxid/Halbleiter-Übergängen dehnt sich das elektrische Feld auch hauptsächlich in die Halbleitersubstratschicht hinein aus. Der Wert von Xs, der Raumladungsbreite im Substrat, ist höchstens Xs‘, wobei:

Hier wurde Xs‘ unter der Annahme einer eingebauten Spannung gleich der Bandlückenbreite des Halbleiters und einer Trägerkonzentration gleich dem intrinsischen Wert ni berechnet.

nter den getroffenen Annahmen erstreckt sich dieses elektrische Feld (der Verarmungsbereich) in den Halbleiter in mos- und Schottky-Übergängen, in den kleineren Energielückenhalbleiter in Heteroübergängen und in den leicht dotierten Substratbereich in pn-Schrittübergängen. Denken Sie auch daran, dass wir Solarzellen mit einer praktischen Gesamtdicke von 150 µm * in Betracht ziehen. Die elektrische Feldbreite wie in Tabelle VI angegeben.2 ist ausreichend, um den Substratbereich für alle Standardsolarzellen mit vertikaler und invertierter Konfiguration vollständig auszufüllen. Tabelle VI.2 basiert jedoch auf drei Annahmen, von denen keine in einer realistischen Solarzelle vollständig realisierbar ist. Die erste Annahme ist, dass das Substrat intrinsisch ist. In der Praxis kann die Technologie der frühen 1990er Jahre diese Anforderung nicht erfüllen. Ein vernünftiger technologisch begrenzter Mindestwert für Ns liegt in der Größenordnung von 1014 / cm3. Um den Sättigungsleckstrom der Solarzellendiode zu senken, muss Ns im Allgemeinen in der Größenordnung von 1015 / cm3 liegen. Die zweite Annahme ist, dass die Sperrschichtspannung nur die eingebaute Spannung des Stufenübergangs ist und gleich der Energielücke des pn-Übergangs (oder der Energielücke des Substrats) in einer Heterojunction-, mos- oder Schottky-Barriere-Solarzelle ist. In der Praxis ist die Sperrschichtspannung immer kleiner als die Energielückenbreite (siehe Gleichung VI.3). Ein dritter Faktor, der in jede Diskussion über die Substratverarmungsschichtbreite einbezogen werden muss, ist, dass die Solarzelle aufgrund der Trennung / Sammlung der Loch-Elektronen-Paare vorwärtsgespannt wird. Infolgedessen wird die Spannung VD in Gleichung VI.2 schnell auf einen Bruchteil eines Volt # reduziert.

Um die Sperrschichtspannung abzuschätzen, die tatsächlich in einer Schottky-Barriere-Solarzelle vorhanden ist, betrachten Sie das maximale eingebaute Potential, ϕBO, für eine Schottky-Barriere-Solarzelle. Bei diesem Wert können wir VB in Gleichung VI.2 ersetzen und so die Verarmungsschichtdicke bestimmen, für eingebaute Spannung allein (d. H. Für Kurzschlussbedingungen), Xss:

Beachten Sie, dass die in Tabelle VI.3 aufgeführten Barrierewerte vom Metall, der halbleiter, und auf den Halbleitertyp. Die angegebenen Werte sind alle kleiner als ein Volt und kleiner als die Energielücke.

Der mos-Übergang ist weniger gut verstanden als der Schottky-Übergang. Ab 1993 wurde dieser Solarzellentyp hauptsächlich auf Silizium aufgebaut, da die erforderliche dünne Oxidschicht (siehe Kapitel V) mit diesem Halbleiter leicht hergestellt werden kann. Für diese Art von Barriere wurden Werte der Barrierenenergie von 0,85 (Aluminium-Siliziumdioxid-auf p-Silizium) und 0,67 (Chrom-Siliziumdioxid-auf p-Silizium) angegeben . Daten aus anderen Quellen für MOS-Barrieren auf Silizium- und Galliumarsenidsubstraten weisen auf ähnliche Werte hin. Beachten Sie, dass reduzierte Leckströme, die sich aus der Oxidschicht ergeben, diese Geräte vielversprechend machen; auch wenn, noch, unzureichend verstanden.

Es ist schwierig, das effektive Barrierepotential eines Heteroübergangs vorherzusagen. Eine grobe Abschätzung kann durch Beobachtung der Leerlaufspannung einer Heterojunction-Solarzelle erfolgen. Von Sreedhar und Sahi und Milnes sind einige Werte von Heterojunction Solarzellenspannungen des offenen Stromkreises: (1) n-artiger Abstand auf p-artigem Si, 0.67 V; (2) n-artiger Abstand auf p-artigem GaAs, 0.82 V; (3) p-typ GaP auf n-typ GaAs, 1,05 V; und (4) n-typ ZnSe auf p-typ GaAs, 0,925 V. Beachten sie, dass diese werte sind auf die auftrag von denen der Tabelle VI.5 für pn junctions. Berechnungen der Substratverarmungsschichtbreite unter Verwendung dieser Sperrspannungen führen zu Ergebnissen, die in ihrer Größe denen ähnlich sind, die die Ergebnisse der Tabelle VI.4 in Gleichung VI.5 für Schottky und der Tabelle VI.5 in Gleichung VI.3 für pn-Übergänge verwenden.

Beachten Sie, dass die Verarmungsschichtbreiten der Tabelle VI.6 nicht nur sehr viel kleiner sind als die elektrischen Feldbreiten der Tabelle VI.2, sondern auch viel kleiner als die optische absorbierende Dicke des Halbleiters (150 µm). Wenn die Trennung / Sammlung von Elektron-Loch-Paaren ausschließlich von der Verarmungsschichtbreite abhängt, würde die Leistung von Solarzellen mit Standard- und invertierter Konfiguration weitgehend negiert. Glücklicherweise gibt es andere Phänomene, die bei der Erzeugung von Photostrom helfen können. Diese Phänomene werden genutzt, um die optisch erzeugten Träger in Reichweite des elektrischen Feldes in der Verarmungsschicht eines Solarzellenübergangs zu bringen. Betrachten Sie zunächst die Diffusionslänge in einem Halbleiter und inwieweit sie den Sammelbereich der Verarmungsschicht effektiv erweitert.

Einmal durch Photonenabsorption in den Bulk-Regionen (Bereichen ohne elektrisches Feld) der Solarzelle erzeugt, bewegen sich Loch-Elektronen-Paare zufällig durch den Halbleiter. Sollte es einen Übergang im Halbleiterkristall geben, wird es natürlich ein elektrisches Feld in der Nähe des Übergangs geben. Dieses Feld dient dazu, Elektronen-Loch-Paare zu sammeln und zu trennen, wodurch ein Konzentrationsgradient in Elektronen-Loch-Paaren erzeugt wird. Betrachten Sie nun die p-Typ-Region einer Solarzelle. Elektronen in dieser Region, nahe der Verarmungsregion, bewegen sich oft zufällig in das elektrische Feld. Wenn dies geschieht, werden die Elektronen über den Übergang zur n-Seite beschleunigt. Ein ähnlicher Vorgang tritt natürlich auf, wenn sich die Löcher zufällig auf der n-Seite bewegen, wenn sie zur p-Seite hin beschleunigt werden. Der Effekt dieser Minoritätsträgerentfernung besteht darin, einen Elektronenkonzentrationsgradienten zwischen dem Bulk-Bereich auf der p-Seite und dem Rand des Verarmungsbereichs zu erzeugen. Somit wird ein Elektron innerhalb einer Diffusionslänge des Übergangs auf der p-Seite gesammelt (dasselbe gilt für Löcher innerhalb einer Diffusionslänge des Übergangs auf der n-Seite). Die Diffusionslänge L ist gegeben durch:

wobei ab Kapitel III:

Die Lebensdauern, τ und Mobilitäten, μ, für die Halbleiter, die als Beispiele in dieser Arbeit verwendet werden, wurden in Kapitel III diskutiert. In diesem Kapitel betrachten wir den Betrieb von Solarzellen bei Raumtemperatur (27 °C). Die vorhergehende Diskussion der Verarmungsschichtbreite verwendete eine Substratverunreinigungskonzentration von 1014 / cm3 und eine hohe Verunreinigungskonzentration „Frontschicht“ von 5 × 1019 / cm3. Ein paar zusätzliche Worte zur „Praktikabilität“ dieser Konzentrationen sind angebracht. Die Konzentration der „Frontschicht“ variiert mit der Entfernung in den Halbleiter. Wenn die „Frontschicht“ das Ergebnis eines Diffusionsprozesses ist, ist die Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche viel höher als an der Verbindungsstelle. Typischerweise folgt NL (x) einer Fehlerfunktionskurve mit einer Oberflächenkonzentration, die deutlich über dem Leitungsband oder der Valenzbanddichte von Zuständen liegt (siehe Anhang B und ). Wenn die „Frontschicht“ das Ergebnis der Ionenimplantation ist, erreicht die Verunreinigungsdichte einen Peak in einiger Entfernung in den Halbleiter; Der Abstand wird durch den Halbleiter, seine Kristallorientierung, die Verunreinigungsspezies und die Energie des Implantats bestimmt . Unter Verwendung moderner Technologien, wie der Molekularstrahlepitaxie, ist es möglich, die Konzentration der „Frontschicht“ auf ungefähr der Dichte dieses Niveaus zu halten, die ungefähr 5 × 1019 / cm3 beträgt. Diese Verunreinigungskonzentration ist hoch genug, um die Lebensdauer der „Frontschicht“ nachteilig zu beeinflussen, aber sie ist auch hoch genug, um eine dünne „Frontschicht“ ohne übermäßigen Widerstand zu tragen.

Die Substratverunreinigungskonzentration muss klein sein, um die Diffusionslänge und die Verarmungsschichtbreite zu erhöhen, muss jedoch ausreichend hoch sein, um den Bulk-Serienwiderstand der Solarzelle zu verringern. Dieser Bulk-Serienwiderstand rD ist gegeben durch:

wobei 1 die Länge des Substrats ist (in dieser Arbeit allgemein mit 150 µm angenommen); AD ist die Übergangsfläche der Solarzelle, von der wir annehmen, dass sie gleich der Querschnittsfläche des Substrats ist; µSm ist der Substratmehrheitsträger.; und Ns ist die Verunreinigungskonzentration im Substrat. In Kapitel V haben wir in Verbindung mit dem Sättigungsstrom eine Substratverunreinigungskonzentration von 1016 / cm3 verwendet. Dies erzeugte einen niedrigen Wert der Sättigungsstromdichte. Zu Beginn dieses Kapitels haben wir eine Substratverunreinigungskonzentration von 1014 / cm3 verwendet, da dieser Wert eine breitere Verarmungsschichtbreite auf Kosten einer erhöhten Sättigungsstromdichte ergibt. In der Praxis liefert eine Trägerkonzentration von etwa 1015 / cm3 ein zufriedenstellendes Gleichgewicht zwischen Serienwiderstand, Diffusionslänge, Sättigungsstrom und Verarbeitungstechnologie.

From practical considerations we have set the maximum solar cell thickness to a value of 150 μm. Dies führt zu einem Verlust der potenziell umwandelbaren Solarenergie von etwa 5% für Solarzellen auf Siliziumbasis. Beachten Sie, dass für die anderen Beispielhalbleiter die Absorption so schnell erfolgt, dass diese begrenzte Dicke der Solarzelle keine Wirkung hat. Vergleicht man die Werte der optischen Absorptionstiefe in Tabelle VI.9 mit den Diffusionslängen in Tabelle VI.8, so zeigt sich, dass für 150 µm dicke Solarzellen die Diffusionslängen für alle sechs beispielhaften halbleitenden Materialien ausreichen, um alle optisch erzeugten Ladungsträger für Standardkonfigurationssolarzellen* zu sammeln.

Betrachten Sie invertierte und vertikale Konfiguration Solarzellen. Aus unseren Ausführungen im Zusammenhang mit den Abbildungen VI.1 und VI.2 und den Tabellen VI.9 geht hervor, dass bei diesen Ausgestaltungen die optische Loch-Elektronen-Paar-Erzeugung in einem Abstand von etwa 150 µm von der Verbindungsstelle erfolgen kann. In Anbetracht der Minoritätsträgerdiffusionslängen von Tabelle VI.8 stellen wir fest, dass, wenn das Substrat vom p-Typ ist, Silizium, Indiumphosphid, Galliumarsenid und Cadmiumtellurid das Potenzial haben, fast alle Loch-Elektronen-Paare zu sammeln. Nicht alle, denn selbst im Fall von Silizium mit seiner 557 µm Minoritätsträgerdiffusionslänge beträgt die Diffusionslänge in keinem dieser Beispielhalbleiter mehr als das Vierfache der 150 µm-Grenze. Für Indiumphosphid und Galliumarsenid entspricht die Diffusionslänge in etwa dem maximalen Erzeugungsabstand von 150 µm. Bei Substraten vom n-Typ hat nur Silizium eine ausreichend große Minoritätsträgerdiffusionslänge, die lang genug ist, um die Sammlung der meisten Loch-Elektronen-Paare zu gewährleisten.

Es gibt eine zusätzliche Quelle für Ladungsträgerverlust. Die beleuchtete Oberfläche von Solarzellen mit vertikaler Übergangskonfiguration wird durch Schneiden des Originalwafers gebildet (siehe die Diskussion in Verbindung mit Abbildung VI.2). Dieses Verfahren erhöht die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und reduziert den Photostrom für diese Geräte. Beachten Sie, dass dieses Problem bei Solarzellen mit umgekehrter Konfiguration nicht so schwerwiegend ist. Für diese Gerätekonfiguration ist der Herstellungsprozess darauf zugeschnitten, die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zu minimieren. Bei Standard-Solarzellen trägt die Oberflächenrekombination zur „toten Schicht“ bei und wurde daher bereits berücksichtigt. Schließlich ist zu beachten, dass am Substratkontakt die Oberflächenrekombination als im Wesentlichen unendlich angenommen wird (siehe die Diskussion in Kapitel III). Dies erzeugt einen Minoritätskonzentrationsgradienten in der Nähe des Substratkontakts, der Ladungsträger in die falsche Richtung trichtert. Studie von Abbildung VI.1 wird dem Leser verdeutlichen, dass dieses Problem für Standard-Solarzellen und solche invertierten Solarzellen mit ihren Substratkontakten auf der unbeleuchteten Oberfläche unwichtig ist. Es ist jedoch von Bedeutung, Solarzellen mit vertikalem Übergang zu verwenden, was zu einer „toten Schicht“ in der Nähe des Substratkontakts führt und die Gesamtleistung der Solarzelle verringert.

In Abbildung VI.3 wird angenommen, dass die stark dotierte „Frontschicht“ eine konstante Verunreinigungskonzentration von ungefähr 5 × 1019 / cm3 Bei x = 0 (der Verbindungsstelle) aufweist, ist das Substrat relativ leicht dotiert (eine Verunreinigungskonzentration von ungefähr 1019 / cm3), aber die Verunreinigungskonzentration (Akzeptor im Beispiel von Abbildung VI.3) des Substrats wird mit zunehmendem Abstand von der Verbindungsstelle erhöht. Das Ergebnis ist ein eingebautes elektrisches Feld, das Minoritätsträger in Richtung der Kreuzung treibt. Dieses elektrische Feld ist gegeben durch:

wobei Ns(x) die Substratverunreinigungskonzentration ist. Diese variiert von etwa 1014/cm3 bis zu einem Wert in der Größenordnung von 1017 bis 1018/cm3 (ein Wert kleiner als ein Zehntel der effektiven Dichte des Wertes für das Substrat*). Beachten Sie, dass, wenn wir einen konstanten Wert des elektrischen Feldes E wünschen, die Substratverunreinigungskonzentration ist:

wobei Ns(o) die Substratverunreinigungskonzentration an der Verbindungsstelle ist und x positiv in das Substrat # .

Nehmen wir ein Substrat von 150 µm Breite an. Für ein elektrisches Feld im Substrat von 16 Volt / cm beträgt das Verhältnis Ns(150) / Ns(o) zehntausend. Bei einem solchen Feld, das sich über die Breite des Substrats erstreckt, können wir im Wesentlichen alle im Substrat erzeugten Loch-Elektronen-Paare sammeln und an den Rand der Verarmungsschicht transportieren. Die Verarmungsschicht trennt wiederum die Loch-Elektronen-Paare. Als zusätzlichen Vorteil dient das hier diskutierte abgestufte Substrat auch dazu, die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit am Substratkontakt zu entkoppeln.

In studying Table VI.12 wird deutlich, dass der hohe Absorptionskoeffizient von InP zu ungewöhnlich hohen Rekombinationsverlusten bei Solarzellen mit pn-Übergang in Standardkonfiguration führt. Beachten Sie auch, dass für jeden der Beispielhalbleiter eine Abnahme der erwarteten Photostromdichte von invertierter Konfiguration über vertikale Konfiguration bis hin zu Standardkonfiguration vorliegt. Dieser Rückgang ist gering, wenn vertikale und invertierte Konfiguration Solarzellen verglichen werden, aber von großen Proportionen, wenn Standardkonfiguration Solarzellen betrachtet werden. Es kann nicht genug betont werden, dass die Werte der erwarteten Photostromdichte in den Tabellen VI.10 bis VI.12 Schätzungen sind und stark von den Herstellungstechniken abhängen, die beim Aufbau der Solarzellen verwendet werden, von der Oberflächenkristallorientierung und vom Halbleiter selbst. Die oben aufgeführten Werte sollten bei ausreichender Sorgfalt realisierbar sein, aber „Fehler“ in der Fertigungstechnik und Oberflächenvorbereitung können zu erheblichen Reduzierungen führen.

Der allgemeine Zweck dieses Kapitels besteht darin, eine Schätzung der Leistung für mehrere „realistische“ Situationen bereitzustellen. Die Photostromdichteschätzungen für Heteroübergang und pn-Stufenübergang gemäß Tabelle VI.12 sind angemessen. Die Schottky-Photostromdichteschätzungen sind problematischer. Um eine Photonenpenetration der Metallschicht auf einer Schottky-Diode zu ermöglichen, muss die Schicht sehr dünn sein (<500 Å) . Trotzdem gibt es einen erheblichen Verlust aufgrund von Photonenreflexion und die Photostromdichte in solchen Vorrichtungen ist gering.