Boltzmannin's vakio

laitteen suunnittelu – Vähemmistökantajan kokoelma

kun valmistetaan PN-liitos-tai heterojunktiokennoja mistä tahansa konfiguraatiosta, puolijohdelaitteen bulkki-tai substraattialue on kevyesti tai kohtalaisesti seostettu epäpuhtauksilla, kun taas toinen alue (ylä-tai ”etukerros” tai valaistu alue standardikokoonpanokennossa, pohja tai ei-valaistu alue käänteisessä aurinkokennossa ja ohut, Sivuvalaistu alue pystysuorassa Aurinkokennossa) on voimakkaasti huumattu. Tätä voimakasta epäpuhtauksien pitoisuutta tarvitaan aurinkokennon sarjavastuksen vähentämiseksi ja ohmisen kosketuksen mahdollistamiseksi tälle alueelle. Huomaa, että suuri epäpuhtauspitoisuus vähentää kantajan elinikää ja luo ”kuolleen kerroksen”. Tämä ”kuollut kerros” ei ole ongelma ylösalaisin tai pystysuora kokoonpano aurinkokennot, mutta on suuri huolenaihe standardin kokoonpano aurinkokennot. Siksi kustannussyistä (mitä paksumpi aurinkokennon alue, sitä suurempi valmistuskustannus) ja standardeissa aurinkokennoissa ”kuolleen kerroksen” leveyden minimoimiseksi on suotavaa pitää tämä toinen alue vähimmäispaksuudessa.

luvusta III meillä on seuraavat lausekkeet liitossähkökentän laajuudesta PN – porrasliitoksen aurinkokennon P-ja n-alueisiin.

missä xn on varausalueen laajenemisetäisyys n-alueelle liitoksesta (otetaan x = 0), xp, on laajeneminen p-alueelle, ∈ on puolijohteiden permittiivisyys, ND on epäpuhtauspitoisuus n-alueella ja NA on epäpuhtauspitoisuus p-alueella. Suure, VD, on liittymän poikki kulkeva nettojännite ja se saadaan seuraavasta kaavasta:

missä VP on aurinkosähkö ja VB on porrasliitoksen sisäinen jännite ja määritetään:

missä k on Boltzmannin vakio, T on liitoksen absoluuttinen lämpötila ja ni on sisäinen kantakonsentraatio*.

harkitse PN-askelliitosta, jossa on NL n Ns#. Tässä tilanteessa XL’: n arvo, ”etukerroksen” avaruusvarauksen (tai Sähkökentän) leveys on nolla (katso yhtälö VI.1). Heterojunktioisessa aurinkokennossa näin on myös käytännössä, sillä kahden materiaalin energiakuilun leveyksien ero pakottaa Sähkökentän laajenemaan vain puolijohteeksi, jossa on pienempi energiakuilu. Metalli / puolijohde-tai metalli-oksidi/puolijohde-liitoksissa sähkökenttä laajenee myös pääasiassa puolijohdesubstraattikerrokseksi. XS: n arvo, substraatin varausleveys, on korkeintaan Xs”, missä:

tässä XS ” on laskettu olettaen, että sisäänrakennettu jännite vastaa puolijohdekaistan leveyttä ja kantokonsentraatio on yhtä suuri kuin itseisarvo, ni.

huomaa, että tehtyjen oletusten mukaan tämä sähkökenttä (poistuma-alue) ulottuu puolijohteeseen Mos-ja Schottky-liitoksissa, pienempään energy gap-puolijohteeseen heterojunktioissa ja kevyesti seostettuun substraattialueeseen PN-vaihe-liitoksissa. Muista myös, että harkitsemme aurinkokennojen käytännöllistä kokonaispaksuutta 150 µm*. Sähkökentän leveys taulukon VI mukaisesti.2 riittää täyttämään substraatin alueen täysin kaikille standardeille, pystysuorille ja käänteisille kokoonpanoille aurinkokennoille. Taulukko VI. 2 perustuu kuitenkin kolmeen oletukseen, joista yksikään ei ole täysin toteutettavissa realistisessa aurinkokennossa. Ensimmäinen oletus on, että substraatti on sisäinen. Käytännössä 1990-luvun alun teknologia ei pysty täyttämään tätä vaatimusta. Kohtuullinen teknologia rajoitettu vähimmäisarvo Ns on luokkaa 1014 / cm3. Lisäksi Aurinkokennodiodin saturaatiovirran alentamiseksi Ns: n on yleensä oltava luokkaa 1015/cm3. Toinen oletus on, että liitosjännite on vain porrasliitoksen sisäänrakennettu jännite ja se on yhtä suuri kuin PN-liitoksen energiavaje (tai substraattipuolijohteiden energiavaje heterojunktiossa, mos-tai Schottky-esteisessä aurinkokennossa. Käytännössä liitosjännite on aina pienempi kuin energiaraon leveys (KS.yhtälö VI.3). Kolmas tekijä, joka on sisällytettävä mitään keskustelua Alustan ehtyminen kerroksen leveys on, että aurinkokenno tulee eteenpäin puolueellinen, koska erottaminen/kokoelma reikä-elektroni paria. Tämän seurauksena jännite, Vd, yhtälössä VI. 2, pienenee nopeasti kohti voltin#murto-osaa.

Schottky-esteen aurinkokennossa todellisuudessa olevan liitosjännitteen arvioimiseksi on otettava huomioon Schottky-esteen aurinkokennon suurin sisäänrakennettu potentiaali, ϕBo. Koska tämä arvo, voimme korvata VB yhtälössä VI.2, ja siten määrittää poistokerroksen paksuus, sisäänrakennettu jännite yksin (eli oikosulku olosuhteissa), xss:

> huomaa, että taulukossa Vi.3 luetellut estoarvot riippuvat metallista, puolijohdeesta ja puolijohdetyypistä. Annetut arvot ovat kaikki alle yhden voltin ja energiavajetta pienemmät.

Mosin liittymää ei tunneta yhtä hyvin kuin Schottkyn liittymää. Vuodesta 1993 lähtien tämä aurinkokennotyyppi on rakennettu pääasiassa Piille, koska tarvittava ohut oksidikerros (katso luku V) on helppo valmistaa tällä puolijohteella. Tämäntyyppisen esteen estoenergian arvoiksi on ilmoitettu 0,85 (alumiini-piidioksidi-p-tyypin pii) ja 0,67 (Kromi-piidioksidi-p-tyypin pii). Muista lähteistä saadut tiedot sekä pii-että galliumarsenidisubstraattien mos-esteistä osoittavat samankaltaisia arvoja. Huomaa, että oksidikerroksesta johtuvat vähennetyt vuotovirrat tekevät näistä laitteista lupaavia; vaikka sitä ei vielä ymmärretä riittävästi.

heterojunktion efektiivistä estopotentiaalia on vaikea ennustaa. Karkea arvio voidaan tehdä havainnoimalla heterojunktion aurinkokennon avoimen piirin jännitettä. Sreedharista ja Sahista ja Milnesista jotkut avoimen piirin heterojunktion aurinkokennojännitteiden arvot ovat: (1) n-tyypin aukko p-tyypin Si: ssä, 0,67 V; (2) n-tyypin aukko p-tyypin GaAs: ssa, 0.82 V; (3) p-tyypin aukko n-tyypin GaAs: ssä, 1,05 V; ja (4) n-tyypin ZnSe: ssä, p-tyypin GaAs: ssä, 0,925 V. huomaa, että nämä arvot ovat taulukossa VI.5 esitettyjen arvojen luokkaa PN-liitosten osalta. Substraatin poistumiskerroksen leveyden laskeminen näitä estejännitteitä käyttäen johtaa suuruudeltaan samanlaisiin tuloksiin kuin taulukon Vi.4 Tulokset yhtälössä VI.5 Schottkylle ja taulukon VI.5 tulokset yhtälössä VI.3 pn-liitoksille.

huomaa, että taulukon VI.6 poistokerroksen leveydet eivät ole ainoastaan hyvin paljon pienempiä kuin taulukon VI.2 Sähkökentän leveydet, vaan ne ovat myös paljon pienempiä kuin puolijohteiden optinen absorboiva paksuus (150 µm). Jos elektroni-reikäparin erottaminen / keräys riippuisi yksinomaan depletaatiokerroksen leveydestä, vakio-ja käänteiskonfiguraation aurinkokennojen suorituskyky olisi suurelta osin negatiivinen. Onneksi on olemassa muita ilmiöitä, jotka voivat auttaa tuottamaan valovirtaa. Näitä ilmiöitä käytetään tuomaan optisesti syntyvät kantajat Sähkökentän kantaman sisään aurinkokennojen liitoskerroksen supistumiskerrokseen. Tarkastellaan ensin puolijohteessa olevaa diffuusiopituutta ja sitä, missä määrin se laajentaa tehokkaasti poistokerroksen keräilyaluetta.

kun fotoniabsorptio syntyy aurinkokennon bulkkialueilla (alueilla, joilla ei ole sähkökenttää), reikä-elektroni-parit liikkuvat satunnaisesti puolijohteessa. Jos puolijohdekiteessä on liitos, liitoksen läheisyydessä on tietenkin sähkökenttä. Tämä kenttä toimii elektroni-reikäparien keräämiseen ja niiden erottamiseen, jolloin saadaan aikaan konsentraatiogradientti elektroni-reikäpareille. Tarkastellaanpa nyt aurinkokennon p-tyypin aluetta. Elektronit tällä alueella, lähellä ehtymisaluetta, liikkuvat usein satunnaisesti sähkökenttään. Tällöin elektronit kiihtyvät liitoksen poikki n-tyypin puolelle. Samanlainen prosessi tapahtuu, tietenkin, että reiät satunnaisesti liikkuvat n-tyypin puolella, kun ne kiihtyvät kohti p-tyypin puolella. Tämän vähemmistökantajan poiston vaikutuksesta syntyy elektronikonsentraatiogradientti p-tyypin puolella olevan irtoalueen ja poistuma-alueen reunan välille. Näin saadaan kerättyä elektroni, jonka diffuusiopituus on liitoksessa p-tyypin puolella (sama pätee reikiin, joiden diffuusiopituus on liitoksen n-tyypin puolella). Diffuusiopituus, L, ilmoitetaan seuraavasti:

missä III luvusta:

esimerkkeinä tässä työssä käytettävien puolijohteiden elinaikoja τ ja liikkuvuutta μ on käsitelty luvussa III. muista, että nämä materiaalin ominaisuudet ovat lämpötilan ja epäpuhtauspitoisuuden funktioita. Tässä luvussa tarkastellaan aurinkokennon toimintaa huoneenlämmössä (27°C). Edellisessä tutkimuksessa, jossa tarkasteltiin depleetion layer width, käytettiin substraatin epäpuhtauspitoisuutta 1014/cm3 ja korkeaa epäpuhtauspitoisuutta ”front layer” 5 × 1019 / cm3. Muutama lisäsana näiden pitoisuuksien ”käytännöllisyydestä” on paikallaan. ”Etukerroksen” konsentraatio vaihtelee etäisyyden mukaan puolijohteeseen. Jos ”etukerros” on diffuusioprosessin tulos, epäpuhtauspitoisuus pinnalla on paljon suurempi kuin liitoskohdassa. Tyypillisesti NL (x) seuraa virhefunktiokäyrää, jonka pintakonsentraatio ylittää selvästi joko johtuvuuskaistan tai valenssikaistatiheyden (KS.lisäys B ja). Jos ”etukerros” on ioni-istutuksen tulos, epäpuhtaustiheys saavuttaa huippunsa jonkin matkan päässä puolijohteeseen; puolijohteesta määritetty etäisyys, sen kidesuuntaus, epäpuhtauslaji ja implantin energia . Nykyaikaisen teknologian, kuten molekyylisäteen epitaksian, avulla on mahdollista pitää ”etukerroksen” konsentraatio suunnilleen valtioiden tiheyden tasolla, joka on noin 5 × 1019 / cm3. Tämä epäpuhtauspitoisuus on tarpeeksi korkea vaikuttaakseen haitallisesti ”etukerroksen” elinikään, mutta se on myös tarpeeksi korkea tukemaan ohutta ”etukerrosta” ilman liiallista vastusta.

substraatin epäpuhtauspitoisuuden on oltava pieni diffuusiopituuden ja poistumiskerroksen leveyden parantamiseksi, mutta riittävän suuri aurinkokennon irtosarjavastuksen vähentämiseksi. Tämä irtotavarasarjan resistanssi, rD, saadaan seuraavasta kaavasta:

, jossa 1 on substraatin pituus (tässä työssä yleensä 150 µm); AD on aurinkokennon liitosalue, jonka oletamme olevan yhtä suuri kuin substraatin poikkipinta-ala; µSm on substraatin enemmistökantajan liikkuvuus; ja Ns on substraatin epäpuhtauspitoisuus. Luvussa V saturaatiovirran yhteydessä käytimme substraatin epäpuhtauspitoisuutta 1016 / cm3. Tämä tuotti alhaisen kylläisyysvirran tiheyden arvon. Aiemmin tässä luvussa käytimme substraatin epäpuhtauspitoisuus 1014 / cm3, koska tämä arvo tuottaa laajemman poistokerroksen leveys, kustannuksella lisääntynyt kyllästymisvirta tiheys. Käytännössä kantoaaltokonsentraatio noin 1015 / cm3 tarjoaa tyydyttävän tasapainon sarjavastuksen, diffuusiopituuden, kylläisyysvirran ja prosessointitekniikan välillä.

se on ala-arvoista. Taulukossa VI.7 esitetyt liikkuvuudet ja eliniät ovat kuitenkin saavutettavissa ja johtavat taulukon VI.8 diffuusiopituuksiin.

From practical considerations we have set the maximum solar cell thickness to a value of 150 μm. Tämä johtaa piipohjaisten aurinkokennojen mahdollisesti muunnettavissa olevan aurinkoenergian noin 5 prosentin menetykseen. Huomaa, että toisissa esimerkeissä puolijohteissa absorptio tapahtuu niin nopeasti, että tällä aurinkokennon rajallisella paksuudella ei ole vaikutusta. Vertaamalla taulukon VI.9 optisen absorptiosyvyyden arvoja taulukossa VI.8 esitettyihin diffuusiopituuksiin näemme, että 150 µm: n paksuisten aurinkokennojen diffuusiopituudet kaikissa kuudessa esimerkissä puolijohteissa riittävät keräämään kaikki optisesti luodut varauskantajat standardikokoonpanon aurinkokennoille*.

tarkastellaan käänteisiä ja pystysuuntaisia aurinkokennoja. Kuvien VI.1 ja VI.2 sekä taulukoiden VI.9 yhteydessä käymiemme keskustelujen perusteella on mahdollista, että näissä kokoonpanoissa optinen reikä-elektroni-pari syntyy etäisyydellä, joka on noin 150 µm liitoksesta. Ottaen huomioon taulukon VI.8 vähemmistökantajan diffuusiopituudet toteamme, että jos substraatti on p-tyyppiä, piillä, indiumfosfidilla, galliumarsenidilla ja kadmiumtelluridilla on mahdollisuus kerätä lähes kaikki reikä-elektroni-parit. Eivät kaikki, sillä jopa piin tapauksessa, jossa on 557 µm vähemmistökantajan diffuusiopituus, diffuusiopituus ei missään näistä esimerkeistä ole koskaan yli neljä kertaa 150 µm: n raja. Indiumfosfidilla ja galliumarsenidilla diffuusiopituus on suunnilleen yhtä suuri kuin suurin generointietäisyys 150 µm. N-tyypin substraattien tapauksessa vain piillä on riittävän suuri vähemmistökantajan diffuusiopituus, joka on riittävän pitkä varmistamaan useimpien reikä-elektroni-parien keräämisen.

on olemassa lisälähde latauskuljettajan menetykselle. Aurinkokennojen pystysuuntaisten liitoskokonaisuuksien valaistu pinta muodostetaan jakamalla alkuperäinen Kiekko (KS. Kuvan VI yhteydessä esitetty keskustelu). Tämä menettely parantaa pinnan rekombinaationopeutta ja vähentää näiden laitteiden valovirtaa. Huomaa, että tämä ongelma ei ole niin vakava Käänteinen kokoonpano aurinkokennot. Tätä laitteen kokoonpanoa varten valmistusprosessi on räätälöity minimoimaan pinnan rekombinaationopeus. Standardikokoonpanossa aurinkokennoissa pinnan rekombinaatio edistää ”kuollutta kerrosta” ja on siten jo otettu huomioon. Lopuksi on huomattava, että substraattikosketuksessa pinnan rekombinaation oletetaan olevan olennaisesti ääretön (katso III luvussa oleva keskustelu). Tämä tuottaa substraattikosketuksen läheisyydessä vähemmistökonsentraatiogradientin, joka ohjaa latauskantajia väärään suuntaan. Kuvan VI tutkiminen.1 osoittaa lukijalle, että tämä ongelma ei ole tärkeä vakiokokoonpanon aurinkokennot ja ne ylösalaisin kokoonpano aurinkokennot niiden substraattikoskettimet ei-valaistu pinta. Se on kuitenkin tärkeää pystysuora junction aurinkokennot, jolloin ”kuollut kerros” lähellä Alustan kosketus ja vähentää yleistä suorituskykyä aurinkokenno.

kuva VI.3. Aurinkokenno, jonka epäpuhtauspitoisuus substraatissa vaihtelee. EC on johtuvuuskaistan alareuna, EF on Fermi-taso ja Ev on valenssikaistan yläreuna.

Kuvassa VI.3 voimakkaasti seostetulla ”etukerroksella” oletetaan olevan vakio epäpuhtauspitoisuus noin 5×1019/cm3, kun X = 0 (liitos) substraatti seostetaan suhteellisen kevyesti (epäpuhtauspitoisuus noin 1019/cm3), mutta substraatin epäpuhtauspitoisuus (hyväksyjä Kuvassa VI.3 olevassa esimerkissä) kasvaa, kun etäisyys liitoksesta kasvaa. Tuloksena on sisäänrakennettu sähkökenttä, joka pakottaa vähemmistökantajat kohti risteystä. Tämän Sähkökentän antaa:

missä Ns(x) on substraatin epäpuhtauspitoisuus. Tämä vaihtelee noin 1014 / cm3 arvoon, joka on luokkaa 1017-1018/cm3 (arvo alle kymmenesosa efektiivisen tiheyden valtioiden arvosta substraatille*). Huomaa, että jos haluamme Sähkökentän vakion arvon, E niin substraatin epäpuhtauspitoisuus on:

missä Ns(o) on substraatin epäpuhtauspitoisuus liitoksessa ja x on positiivinen substraatille#.

Oletetaan, että substraatti on 150 µm leveä. Silloin Sähkökentän ollessa substraatissa 16 volttia / cm suhde Ns (150) / Ns(o) on kymmenentuhatta. Koska tällainen kenttä, laajentaa leveys substraatin, voimme kerätä olennaisesti kaikki reikä-elektroni paria syntyy substraatin ja kuljettaa ne reunalle ehtymisen kerros. Depletaatiokerros puolestaan erottaa reikä-elektroni-parit. Lisäetuna tässä käsitelty lajiteltu substraatti auttaa myös irrottamaan pinnan rekombinaationopeuden substraattikontaktissa .

pystysuuntaisen konfiguraation aurinkokennon tapauksessa on otettava huomioon pinnan rekombinaation aiheuttamat lisähäviöt, koska valaistu pinta on leikattu kiekkosta (katso oheinen kuva VI.2). Oletetaan kohtuullinen pinnan rekombinaationopeus 10 000 cm/S käyttäen taulukon VI.7 ja kuvan III tietoja.8, voimme arvioida, että suurin realisoitavissa oleva valokennon tiheys on noin 5% tai niin alle käänteisen aurinkokennon valokurvien, jolloin saadaan taulukon VI. 11 numerot.

kuva VI.8. Aurinkosähkö, kun toimitetun aurinkokennon teho on enintään VD’ standardikokoonpanon aurinkokennoille esteen ja substraatin funktiona AM1-valossa, 300°K: ssa ja kuudessa esim.puolijohteessa.

Liitossymbolit: H heterojunktiolle, P PN-liitokselle, S Schottky-esteelle ja B sekä PN-että heterojunktioille.

Substraattisymbolit: n n-tyypille, p-tyypille ja E kummalle tahansa tyypille.

In studying Table VI.12 on selvää, että INP: n korkea absorptiokerroin johtaa epätavallisen suuriin rekombinaatiohäviöihin vaiheen pn liitosstandardikokoonpanon aurinkokennoissa. Huomaa myös, että jokainen esimerkki puolijohteiden, on lasku odotetun valovirtatiheyden ylösalaisin kokoonpano kautta pystysuora kokoonpano ja vakiokokoonpano. Tämä lasku on vähäinen vertikaalisten ja käänteiskonfiguraatioiden aurinkokennojen vertailussa, mutta merkittävä, kun otetaan huomioon standardikokoonpanojen aurinkokennot. Ei voida liiaksi korostaa, että taulukoissa VI.10-VI.12 esitetyt valovirran odotetun tiheyden arvot ovat arvioita ja voimakkaasti riippuvaisia aurinkokennojen rakentamisessa käytetyistä valmistustekniikoista, pintakiteen suuntautumisesta ja itse puolijohteesta. Yllä lueteltujen arvojen pitäisi olla toteutettavissa, jos noudatetaan riittävää huolellisuutta, mutta” virheet ” valmistustekniikassa ja pintakäsittelyssä voivat johtaa huomattaviin vähennyksiin.

tämän luvun yleisenä tarkoituksena on esittää suoritusarvio useissa ”realistisissa” tilanteissa. Taulukon VI.12 heterojunktio-ja PN-askelliitosvalovirran tiheysarviot ovat kohtuullisia. Schottkyn valovirran tiheysarviot ovat ongelmallisempia. Jotta metallikerros läpäisisi fotonin Schottky-diodin päällä, kerroksen on oltava hyvin ohut (<500 Å) . Myös fotoniheijastuksen aiheuttama häviö on huomattava, ja valovirran tiheys tällaisissa laitteissa on pieni.