Diseño del dispositivo – Colección de portadores minoritarios
Al fabricar células solares de unión pn o heteroestructura de cualquier configuración, la región de masa o sustrato del dispositivo semiconductor está ligera o moderadamente dopada con impurezas, mientras que la segunda región (la capa superior o «frontal» o región iluminada en una celda de configuración estándar, región no iluminada en una célula solar invertida y una región delgada con iluminación lateral en una célula solar vertical) dopado. Esta gran concentración de impurezas es necesaria para reducir la resistencia en serie de la célula solar y permitir el contacto óhmico con esta región. Tenga en cuenta que la gran concentración de impurezas reduce la vida útil del portador y crea una «capa muerta». Esta «capa muerta» no es un problema en las celdas solares de configuración vertical o invertida, pero es de gran preocupación para las celdas solares de configuración estándar. Por lo tanto, por razones de costo (cuanto más gruesa es una región de una célula solar, mayor es el gasto de fabricación) y, en las células solares estándar, para minimizar el ancho de la «capa muerta», es deseable mantener esta segunda región al grosor mínimo.
Del Capítulo III tenemos las siguientes expresiones para la extensión del campo eléctrico de unión en las regiones p y n de una célula solar de unión escalonada pn.
donde xn es la distancia de expansión de la región de carga espacial en la región n desde la unión (tomada como x = 0), xp, es la expansión en la región p, ∈ es la permitividad del semiconductor, ND es la concentración de impurezas en la región n, y NA es la concentración de impurezas en la región p. La cantidad, VD, es la tensión neta a través de la unión y está dada por:
donde Vp es la fotovoltaica y VB es la tensión incorporada a través de la unión escalonada y se determina a partir de:
donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión y ni es la concentración portadora intrínseca*.
Considere un cruce de pasos pn con NL N Ns#. En esta situación, el valor de XL’, el ancho de carga espacial (o campo eléctrico) en la «capa frontal» será cero (véase la Ecuación VI.1). En una célula solar de heteroacción, esto también es efectivamente el caso, ya que la diferencia en el ancho de la brecha de energía para los dos materiales obliga al campo eléctrico a expandirse solo hacia el semiconductor con la brecha de energía más baja. En las uniones metal/semiconductor o metal-óxido/semiconductor, el campo eléctrico también se expande principalmente en la capa de sustrato semiconductor. El valor de Xs, el ancho de carga espacial en el sustrato, es, a lo sumo, Xs’, donde:
Aquí, Xs ‘ se ha calculado asumiendo un voltaje incorporado igual al ancho de banda del semiconductor y una concentración de portador igual al valor intrínseco, ni.
El cuadro VI.2 presenta un valor de Xs’ para los seis semiconductores de muestra.
Cuadro VI.2. Extensión máxima de la unión de un campo eléctrico (el agotamiento o el espacio de carga de la capa), Xs’
| Semiconductor | Si | Industrial | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
| Xs’ (cm) | 0.031 | 0.891 | 2.08 | 3.45 | 19.66 | 53.1 |
Tenga en cuenta que, bajo las suposiciones hechas, este campo eléctrico (la región de agotamiento) se extiende hacia el semiconductor en las uniones mos y Schottky, hacia el semiconductor de brecha de energía más pequeño en heterojunciones, y hacia la región de sustrato ligeramente dopado en las uniones escalonadas de pn. Recordemos, también, que estamos considerando celdas solares con un grosor total práctico de 150 µm*. La anchura del campo eléctrico indicada en el cuadro VI.2 es suficiente para llenar completamente la región del sustrato para todas las celdas solares de configuración estándar, vertical e invertida. Sin embargo, el cuadro VI.2 se basa en tres supuestos, ninguno de los cuales puede realizarse plenamente en una célula solar realista. La primera suposición es que el sustrato es intrínseco. En la práctica, la tecnología de principios del decenio de 1990 no puede satisfacer este requisito. Un valor mínimo limitado por tecnología razonable para Ns es del orden de 1014/cm3. Además, para reducir la corriente de fuga de saturación del diodo de célula solar, Ns generalmente debe ser del orden de 1015/cm3. La segunda suposición es que la tensión de unión es solo la tensión incorporada de la unión escalonada y es igual a la brecha de energía de la unión pn (o la brecha de energía del semiconductor de sustrato en una célula solar de barrera de heteroacción, mos o Schottky). En la práctica, la tensión de unión es siempre menor que el ancho de la brecha de energía (véase la Ecuación VI.3). Un tercer factor que debe incluirse en cualquier discusión sobre el ancho de la capa de agotamiento del sustrato es que la célula solar se sesga hacia adelante, debido a la separación/recolección de los pares agujero-electrón. Como resultado, el voltaje, VD, en la Ecuación VI.2 se reduce, rápidamente, hacia una fracción de un voltio#.
Para estimar el voltaje de unión que realmente existe en una célula solar de barrera Schottky, considere el potencial incorporado máximo, ϕbo, para una célula solar de barrera Schottky. Dado este valor, podemos sustituir a VB en la Ecuación VI.2, y así determinar el espesor de la capa de agotamiento, para voltaje incorporado solo (es decir, para condiciones de cortocircuito), Xss:
Cuadro VI.3 presenta valores de tensiones de barrera de Schottky para los seis semiconductores de ejemplo que se están considerando y metales seleccionados.
Cuadro VI.3. Metal-semiconductor barrera de energías, ϕBo, en eV para las seis de ejemplo semiconductores (10-15)
| Semiconductor | Si | Industrial | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Metal | n-semiconductor de tipo | |||||
| 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 | — |
Observe que la barrera de los valores indicados en la Tabla VI.3 dependen del metal, los semiconductores, y sobre el tipo semiconductor. Los valores proporcionados son todos inferiores a un voltio y son inferiores a la brecha de energía.
La unión mos es menos conocida que la unión Schottky. A partir de 1993, este tipo de célula solar se ha construido principalmente en silicio debido a la facilidad de fabricar la capa delgada de óxido requerida (véase el capítulo V) con este semiconductor. Para este tipo de barrera, se han reportado valores de energía de barrera de 0,85 (dióxido de aluminio-silicio en silicio de tipo p) y 0,67 (cromo-sílice en silicio de tipo p). Los datos de otras fuentes de barreras mos en sustratos de arseniuro de silicio y galio indican valores similares. Tenga en cuenta que las corrientes de fuga reducidas, resultantes de la capa de óxido, hacen que estos dispositivos sean prometedores; incluso si, hasta ahora, no se entiende lo suficiente.
El propósito de este capítulo es estimar las eficiencias de las células solares de construcción «práctica». Con este fin, consideremos las uniones Schottky y mos bajo un solo encabezado (Schottky) y seleccionemos las «mejores» energías de barrera de la Tabla VI.3 y de la literatura. Entonces, las energías de barrera máximas que se encuentran, en la práctica, para las uniones Schottky se pueden tomar como las de la Tabla VI. 4.
Cuadro 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. Por lo tanto, ni las uniones de semiconductores metálicos (Schottky) en uniones CdSe de tipo p ni las uniones pn de CdSe son factibles. Es posible construir dispositivos de heteroacción usando CdSe de tipo n como un lado de la unión. Los valores que figuran en el cuadro VI.6 son estimaciones para este caso.
Para calcular los potenciales incorporados de la unión pn utilizamos la Ecuación VI. 3. Como se indicó anteriormente, el valor potencial mínimo para la concentración de impurezas del sustrato, NS, es una concentración de impurezas de 1014/cm3. El valor de la concentración de la» capa frontal», NL, depende, en parte, de si esta región se introduce por difusión o por implantación iónica. Se suele encontrar un valor efectivo para NL de 5 × 1019 / cm3. Combinando estos valores, con los de ni2 a 300°K del Capítulo III, tenemos para la tensión incorporada, los valores de la Tabla VI.5.
Cuadro 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 | * |
* El CdSe de tipo P no está disponible, por lo que no hay barrera Schottky en el CdSe de tipo p, pero puede haber una heteroestructura en un semiconductor de tipo n.
Es difícil predecir el potencial de barrera efectivo de una heterounión. Una estimación aproximada se puede efectuar observando el voltaje de circuito abierto de una célula solar de heteroacción. De Sreedhar y Sahi y Milnes, algunos valores de voltajes de celdas solares de heteroacción de circuito abierto son: (1) brecha de tipo n en Si de tipo p, 0.67 V; (2) brecha de tipo n en GaAs de tipo p, 0.82 V; (3) espacio de tipo p en GaAs de tipo n, 1,05 V; y (4) ZnSe de tipo n en GaAs de tipo p, 0,925 V. Tenga en cuenta que estos valores están en el orden de los de la Tabla VI.5 para uniones pn. Los cálculos del ancho de la capa de agotamiento del sustrato utilizando estos voltajes de barrera conducen a resultados similares en magnitud a los que utilizan los resultados de la Tabla VI.4 en la Ecuación VI.5 para Schottky y la Tabla VI.5 en la Ecuación VI.3 para las uniones pn.
Para una concentración de impurezas de sustrato de 1014 / cm3, podemos obtener una estimación del ancho de la capa de agotamiento del sustrato en una célula solar en condiciones de cortocircuito (el fotovoltaico es igual a cero). Estos anchos de agotamiento, para los semiconductores de ejemplo, se indican en el cuadro VI. 6.
Cuadro VI.6. El ancho de capa de agotamiento máximo «práctico» (en µm) en los sustratos semiconductores para los seis semiconductores de ejemplo, en función de los diversos tipos de uniones y a una temperatura de 300°K
| Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Barrera de metal semiconductor sobre sustrato semiconductor de tipo 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 | |
* El CdSe de tipo P no está disponible, por lo que no hay barrera Schottky en el CdSe de tipo p, pero puede haber una heteroestructura en un semiconductor de tipo n.
Observe que los anchos de capa de agotamiento de la Tabla VI. 6 no solo son mucho más pequeños que los anchos de campo eléctrico de la Tabla VI.2, sino que también son mucho menores que el grosor de absorción óptica del semiconductor (150 µm). Si la separación/recolección de pares de agujeros electrónicos dependiera únicamente del ancho de la capa de agotamiento, el rendimiento de las celdas solares de configuración estándar e invertida se negaría en gran medida. Afortunadamente, hay otros fenómenos que pueden ayudar en la producción de fotocorriente. Estos fenómenos se utilizan para llevar a los portadores generados ópticamente dentro del alcance del campo eléctrico en la capa de agotamiento de una unión de células solares. En primer lugar, considere la longitud de difusión en un semiconductor y en qué medida extiende efectivamente el rango de recolección de la capa de agotamiento.
Una vez generados por la absorción de fotones en las regiones de masa (áreas sin campo eléctrico) de la célula solar, los pares agujero-electrón se mueven aleatoriamente a través del semiconductor. Si hay una unión en el cristal semiconductor, habrá, por supuesto, un campo eléctrico en la vecindad de la unión. Este campo sirve para recoger pares de agujeros de electrones y separarlos, produciendo así un gradiente de concentración en pares de agujeros de electrones. Ahora considere la región de tipo p de una célula solar. Los electrones en esta región, cerca de la región de agotamiento, a menudo, al azar, se mueven hacia el campo eléctrico. Cuando esto ocurre, los electrones se aceleran a través de la unión al lado de tipo n. Un proceso similar ocurre, por supuesto, con los orificios que se mueven aleatoriamente en el lado de tipo n a medida que se aceleran hacia el lado de tipo p. El efecto de esta eliminación de portadores minoritarios es crear un gradiente de concentración de electrones entre la región de masa en el lado de tipo p y el borde de la región de agotamiento. Por lo tanto, se recogerá un electrón dentro de una longitud de difusión de la unión en el lado de tipo p (lo mismo ocurre con los orificios dentro de una longitud de difusión de la unión en el lado de tipo n). La longitud de difusión, L, viene dada por:
donde, del capítulo III:
Los tiempos de vida, τ, y movilidades, μ, de los semiconductores que se utilizan como ejemplos en este trabajo se discutieron en el Capítulo III. Recordemos que estas propiedades de los materiales son funciones de temperatura y concentración de impurezas. En este capítulo estamos considerando el funcionamiento de células solares a temperatura ambiente (27°C). La discusión anterior sobre el ancho de capa de agotamiento utilizó una concentración de impurezas del sustrato de 1014/cm3 y una «capa frontal» de alta concentración de impurezas de 5 × 1019/cm3. Conviene añadir algunas palabras sobre la» viabilidad » de estas concentraciones. La concentración de la» capa frontal » varía con la distancia dentro del semiconductor. Si la «capa frontal» es el resultado de un proceso de difusión, la concentración de impurezas en la superficie es mucho mayor que la de la unión. Normalmente, NL (x) seguirá una curva de función de error con una concentración superficial muy superior a la banda de conducción o a la densidad de estados de la banda de valencia (véase el Apéndice B y ). Si la «capa frontal» es el resultado de la implantación de iones, la densidad de impurezas alcanza un pico a cierta distancia dentro del semiconductor; la distancia determinada por el semiconductor, su orientación cristalina, las especies de impurezas y la energía del implante . Utilizando tecnologías modernas , como la epitaxia de haz molecular, es posible mantener la concentración de la «capa frontal» aproximadamente a la densidad del nivel de estados, que es aproximadamente 5 × 1019/cm3. Esta concentración de impurezas es lo suficientemente alta como para afectar negativamente la vida útil de la «capa frontal», pero también es lo suficientemente alta como para soportar una «capa frontal» delgada sin resistencia excesiva.
La concentración de impurezas del sustrato debe ser pequeña para mejorar la longitud de difusión y el ancho de la capa de agotamiento, pero debe ser lo suficientemente alta para reducir la resistencia en serie de la célula solar. Esta resistencia de serie masiva, rD, viene dada por:
donde 1 es la longitud del sustrato (generalmente se toma como 150 µm en este trabajo); AD es el área de unión de la célula solar, que suponemos es igual al área de sección transversal del sustrato; µSm es la movilidad de soporte mayoritario del sustrato; y Ns es la concentración de impurezas en el sustrato. En el capítulo V, en relación con la corriente de saturación, se utilizó una concentración de impurezas del sustrato de 1016/cm3. Esto produjo un bajo valor de densidad de corriente de saturación. Anteriormente en este capítulo utilizamos una concentración de impurezas de sustrato de 1014 / cm3 porque este valor produce un ancho de capa de agotamiento más amplio, a costa de una mayor densidad de corriente de saturación. En la práctica, una concentración de soporte de aproximadamente 1015 / cm3 proporciona un equilibrio satisfactorio entre resistencia en serie, longitud de difusión, corriente de saturación y tecnología de procesamiento.
Utilizando un valor de NS igual a 1015 / cm3 y un valor de NL igual a 5 × 1019 / cm3, junto con los valores de movilidad y vida útil del Apéndice B, la bibliografía y el Capítulo III, tenemos los datos proporcionados en el Cuadro VI.7. Esto se utilizará como entrada para el cálculo de las longitudes de difusión de portadores minoritarios en los sustratos de células solares hechas de nuestros semiconductores de ejemplo.
Cuadro VI.7. Se estima que el valor de la concentración de la impureza, de la minoría de movilidad del portador y de por vida, como funciones de semiconductores para una temperatura de 300°K y los seis ejemplo semiconductores
| Semiconductor | Si | Industrial | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| «Primera Capa» | ||||||
| Concentración (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 |
En una célula solar «realista», tanto las movilidades de portadores minoritarios como los tiempos de vida pueden ser inferiores a los valores proporcionados en la Tabla VI.7, particularmente si el procesamiento involucrado en la fabricación de la célula solar es inferior a la norma. Sin embargo, las movilidades y los períodos de vida indicados en el cuadro VI.7 son alcanzables y dan lugar a las longitudes de difusión del cuadro VI.8.
Cuadro VI.8. Longitudes de difusión de portadores minoritarios estimadas para regiones de tipo n y p de células solares que emplean semiconductores de ejemplo, a 300°K
| Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| «longitud de difusión de la capa frontal (µm) | ||||||
| 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 |
De la discusión relativa al grosor de la» capa muerta «en el capítulo V, la región de la» capa frontal » fuertemente dopada en las celdas solares de unión escalonada de configuración estándar o vertical y heteroestructura debe ser pequeña, con un grosor máximo por debajo de un micrón. Dado que esta región tiene una vida útil baja (véase el cuadro VI.7), y la velocidad de recombinación superficial de estas regiones altamente dopadas es alta, es poco probable que se recoja y separe un gran porcentaje de portadores en esta región. Por consiguiente, las longitudes de difusión de la «capa frontal» indicadas en el cuadro VI.8 son adecuadas. El sustrato, sin embargo, es otra cuestión. Para cualquier configuración de célula solar, los pares electrón-agujero se generarán por absorción de fotones a cierta distancia de la superficie iluminada. De las figuras IV.7 y IV.8, esta distancia se indica en el cuadro VI.9.
Cuadro 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. Esto se traduce en una pérdida de energía solar potencialmente convertible de aproximadamente el 5% para las células solares basadas en silicio. Tenga en cuenta que, para los otros semiconductores de ejemplo, la absorción ocurre tan rápidamente que este grosor limitado de la célula solar no tiene efecto. Comparando los valores de profundidad de absorción óptica del Cuadro VI. 9 con las longitudes de difusión presentadas en el Cuadro VI.8, vemos que, para las células solares de 150 µm de espesor, las longitudes de difusión de los seis materiales semiconductores de ejemplo son adecuadas para recoger todos los portadores de carga generados ópticamente para las células solares de configuración estándar*.
Considere las celdas solares de configuración vertical e invertida. A partir de nuestras deliberaciones en relación con las Figuras VI.1 y VI.2 y los Cuadros VI.9, es posible, en estas configuraciones, que la generación de pares de electrones de agujero óptico tenga lugar a una distancia aproximada de 150 µm de la unión. Teniendo en cuenta las longitudes de difusión de portadores minoritarios de la Tabla VI.8, observamos que, si el sustrato es de tipo p, el silicio, el fosfuro de indio, el arseniuro de galio y el telururo de cadmio tienen el potencial de recoger casi todos los pares agujero-electrón. No todos, porque, incluso en el caso del silicio con su longitud de difusión portadora minoritaria de 557 µm, la longitud de difusión en cualquiera de estos semiconductores de ejemplo nunca es más de cuatro veces el límite de 150 µm. Para el fosfuro de indio y el arseniuro de galio, la longitud de difusión es aproximadamente igual a la distancia máxima de generación de 150 µm. En el caso de sustratos de tipo n, solo el silicio tiene una longitud de difusión de portadores minoritarios suficientemente grande, lo suficientemente larga como para asegurar la recolección de la mayoría de los pares agujero-electrón.
Hay una fuente adicional de pérdida del transportista de carga. La superficie iluminada de las celdas solares de configuración de unión vertical se forma seccionando la oblea original (ver la discusión en asociación con la Figura VI.2). Este procedimiento mejora la velocidad de recombinación de la superficie y reduce la fotocorriente para estos dispositivos. Tenga en cuenta que este problema no es tan grave con las células solares de configuración invertida. Para esta configuración del dispositivo, el proceso de fabricación se adapta para minimizar la velocidad de recombinación de la superficie. En la configuración estándar de las células solares, la recombinación de la superficie contribuye a la «capa muerta» y, por lo tanto, ya se ha tenido en cuenta. Por último, nótese que, en el contacto con el sustrato, se supone que la recombinación de la superficie es esencialmente infinita (véase la discusión en el Capítulo III). Esto produce un gradiente de concentración minoritario en la vecindad del contacto del sustrato que canaliza a los portadores de carga en la dirección equivocada. Estudio de la figura VI.1 demostrará al lector que este problema no es importante para las células solares de configuración estándar y las células solares de configuración invertida con sus contactos de sustrato en la superficie no iluminada. Sin embargo, es importante para las células solares de unión vertical, lo que resulta en una «capa muerta» cerca del contacto del sustrato y reduce el rendimiento general de la célula solar.
Hay una solución para todos estos problemas; una solución que tiene la ventaja adicional de reducir la resistencia de la serie del sustrato. Considere el diagrama de energía versus distancia para la célula solar que se muestra en la Figura VI. 3.
la Figura VI.3. Célula solar con una concentración variable de impurezas en el sustrato. Ec es el borde inferior de la banda de conducción, EF es el nivel de Fermi y Ev es el borde superior de la banda de valencia.
En la Figura VI.3 se supone que la «capa frontal» fuertemente dopada tiene una concentración de impurezas constante de aproximadamente 5×1019/cm3 En x = 0 (la unión) el sustrato está relativamente ligeramente dopado (una concentración de impurezas de aproximadamente 1019/cm3), pero la concentración de impurezas (aceptor en el ejemplo de la Figura VI.3) del sustrato aumenta a medida que aumenta la distancia desde la unión. El resultado es un campo eléctrico incorporado que impulsa a los portadores minoritarios hacia la unión. Este campo eléctrico viene dado por:
donde Ns(x) es la concentración de impurezas del sustrato. Esto varía de aproximadamente 1014 / cm3 a un valor del orden de 1017 a 1018/cm3 (un valor inferior a una décima parte del valor de densidad efectiva de estados para el sustrato*). Tenga en cuenta que si deseamos un valor constante de campo eléctrico, E entonces la concentración de impurezas del sustrato será:
donde Ns(o) es la concentración de impurezas del sustrato en la unión y x es positivo en el sustrato#.
Asumir un sustrato de 150 µm de ancho. Entonces, para un campo eléctrico en el sustrato de 16 voltios/cm, la relación Ns(150)/Ns(o) es de diez mil. Dado tal campo, extendiendo el ancho del sustrato, podemos recoger esencialmente todos los pares de agujeros y electrones generados en el sustrato y transportarlos al borde de la capa de agotamiento. A su vez, la capa de agotamiento separa los pares agujero-electrón. Como ventaja adicional, el sustrato calificado que se discute aquí también sirve para desacoplar la velocidad de recombinación de la superficie en el contacto del sustrato .
Considere la fotocorriente que se puede esperar en una célula solar de configuración estándar, invertida o vertical. Supongamos que tenemos una célula solar de configuración invertida, con un sustrato graduado, un recubrimiento antirreflectante de 95% de eficiencia y un 100% de eficiencia de recolección para todos los pares de agujeros y electrones generados. La densidad de fotocorriente esperada es la del cuadro VI. 10.
Cuadro 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 |
En el caso de una célula solar de configuración vertical, debemos incluir pérdidas adicionales por recombinación de superficie debido al hecho de que la superficie iluminada se ha cortado de una oblea (ver la discusión que acompaña a la Figura VI.2). Suponiendo una velocidad de recombinación superficial razonable de 10.000 cm / segundo, y utilizando los datos del Cuadro VI. 7 y la Figura III.8, podemos estimar que la densidad de fotocorriente máxima realizable estará aproximadamente un 5% por debajo de las fotocorrientes de la célula solar invertida, lo que arroja los números de la Tabla VI.11.
la Figura VI.8. Fotovoltaica cuando la potencia de la célula solar suministrada es máxima, VD’, para las células solares de configuración estándar, en función de barrera y sustrato, bajo luz AM1, a 300°K y para seis semiconductores de ejemplo.
Símbolos de unión: H para heterounión, P para unión de pn, S para barrera de Schottky y B para pn y heterouniones.
Símbolos de sustrato: n para tipo n, p para tipo p y e para cualquiera de los tipos.
Tabla VI.11. La estimación de la densidad de fotocorriente (mA/cm2) en una configuración vertical de la célula solar de a 300°K
| Semiconductor | Si | Industrial | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AM0-condiciones | 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. Hay pérdidas de recombinación adicionales debido a la» capa muerta «(que es el resultado de la» capa frontal » fuertemente dopada) en las uniones escalonadas de pn, de los efectos de interfaz en una célula solar de heteroacción y de los efectos de reflexión en el caso de las células solares de unión mos y Schottky. En la siguiente tabla se proporciona la densidad de fotocorriente estimada para una celda solar de configuración estándar. En el caso de una unión escalonada pn, la» capa frontal «es delgada para minimizar el grosor de la» capa muerta » (manteniendo esta capa de 0,3 a 0,6 µm de espesor). La capa» muerta «no llena completamente la» capa frontal», sino que comprende el tercio superior más o menos. Suponiendo que esta «capa muerta» está, de hecho, totalmente muerta, y utilizando las figuras IV.10 y IV.11, en el cuadro VI.12 se proporciona la densidad máxima estimada de fotocorriente para las células solares de unión escalonada pn de configuración estándar. Las posibles fotocorrientes estimadas para heterojunciones de configuración estándar son más altas porque la » capa muerta «no está presente: el semiconductor que forma la» capa frontal » es transparente a los fotones de interés. La fotocorriente también se estima para las células solares de configuración estándar de barrera Schottky. La existencia de una capa de metal en el lado iluminado de la célula solar reduce drásticamente la corriente fotoeléctrica potencial, y los valores indicados en el cuadro VI.12 son, en el mejor de los casos, estimaciones.
Cuadro VI.12. La estimación de la densidad de fotocorriente (mA/cm2) en una configuración estándar de la célula solar, para pn paso de unión, heterounión y Schottky unión dispositivos a 300°K
| Semiconductor | Si | Industrial | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| las células solares de heterounión | ||||||
| AM0-condiciones | 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 está claro que el alto coeficiente de absorción de InP resulta en pérdidas de recombinación inusualmente altas en celdas solares de configuración estándar de unión de paso pn. También tenga en cuenta que, para cada uno de los semiconductores de ejemplo, hay una disminución en la densidad de fotocorriente esperada de la configuración invertida a la configuración vertical y a la configuración estándar. Esta disminución es menor cuando se comparan las células solares de configuración vertical e invertida, pero de proporciones mayores cuando se consideran las células solares de configuración estándar. Nunca se insistirá lo suficiente en que los valores de densidad de fotocorriente esperada en los Cuadros VI.10 a VI.12 son estimaciones y dependen en gran medida de las técnicas de fabricación empleadas en la construcción de las células solares, de la orientación de la superficie cristalina y del semiconductor en sí. Los valores enumerados anteriormente deben ser realizables, si se ejerce suficiente cuidado, pero los «errores» en la tecnología de fabricación y la preparación de la superficie pueden resultar en reducciones sustanciales.
El propósito general de este capítulo es proporcionar una estimación del rendimiento para varias situaciones «realistas». Las estimaciones de la densidad de la fotocorriente de la unión de la heteroestructura y de la unión escalonada de pn de la Tabla VI. 12 son razonables. Las estimaciones de densidad de fotocorriente de Schottky son más problemáticas. Para permitir la penetración de fotones en la capa metálica sobre un diodo Schottky, la capa debe ser muy delgada (<500 Å) . Aun así, hay una pérdida considerable debido a la reflexión de fotones y la densidad de la fotocorriente en tales dispositivos es pequeña.