Boltzmann's Állandó

Eszköz Design – Kisebbségi Fuvarozó Gyűjtemény

Amikor gyártani pn junction vagy heterojunction napelemek minden konfiguráció, a teljes, illetve az aljzat régióban a félvezető eszköz enyhén vagy közepesen be a szennyeződéseket, miközben a második régió (a felső vagy “első réteg” vagy megvilágított régióban a szabványos konfigurációs sejt, az alsó, vagy a nem világító régió, egy fordított napelem, majd egy vékony, oldalsó megvilágított régió függőleges napelem) erősen doppingolt. A szennyeződések ilyen nagy koncentrációja szükséges a napelem sorozatos ellenállásának csökkentéséhez és ahhoz, hogy ohmikus érintkezést lehessen elérni ezzel a térséggel. Vegye figyelembe, hogy a nagy szennyezőanyag-koncentráció csökkenti a hordozó élettartamát, és létrehoz egy “halott réteget”. Ez a “halott réteg” nem jelent problémát fordított vagy függőleges konfigurációban napelemek, de nagy aggodalomra ad okot a standard konfiguráció napelemek. Ezért költség okokból (minél vastagabb a napelem régiója, annál nagyobb a gyártás költsége), és a standard napelem cellákban a “halott réteg” szélességének minimalizálása érdekében kívánatos, hogy ezt a második régiót minimális vastagságig tartsuk.

A III. Fejezet mi a következő kifejezések, amennyiben a csomópont elektromos mező a p – n-régiók a pn lépés junction napelem.

ahol xn az n-régió térségi tágulási távolsága a csomóponttól (x = 0), xp, A P-régióba való terjeszkedés, ∈ a félvezető permittivitása, ND az n-régió szennyezőanyag-koncentrációja, na pedig a P-régió szennyezőanyag-koncentrációja. A mennyiség, VD, a nettó feszültség át az elágazáshoz, adja meg:

amennyiben az Alelnök a photovoltage valamint a VB a beépített feszültség át a lépés elágazáshoz, határozza meg a:

ahol K Boltzmann állandója, T a csomópont abszolút hőmérséklete, ni pedig a belső hordozókoncentráció*.

fontolja meg a PN lépés csomópont NL ≫ ns#. Ebben a helyzetben az XL’ értéke, az “elülső réteg” tértöltési (vagy elektromos mező) szélessége nulla lesz (lásd a VI. 1 egyenletet). Egy heterojunction napelem esetében ez is hatékonyan így van, mivel a két anyag energiahézag-szélességének különbsége arra kényszeríti az elektromos mezőt, hogy csak az alacsonyabb energiahézagú félvezetőbe terjeszkedjen. Fém / félvezető vagy fém-oxid/félvezető csomópontokban az elektromos mező elsősorban a félvezető szubsztrátrétegbe terjed ki. Az XS értéke, a tér töltésének szélessége a hordozóban, legfeljebb Xs’, ahol:

itt az Xs’-t úgy számították ki, hogy a félvezető sávszélességével megegyező beépített feszültséget és a belső értékkel egyenlő vivőkoncentrációt feltételeztek, ni.

Megjegyezzük, hogy a feltételezések, ez az elektromos mező (a kimerülése régió) kiterjed a félvezető, mos pedig Schottky csomópontok, a kisebb energia-szakadék félvezető a heterojunctions, valamint azt, hogy az enyhén átitatott szubsztrát régió pn lépés csomópontok. Emlékezzünk arra is, hogy figyelembe vesszük a 150 µm*gyakorlati teljes vastagságú napelemeket. A VI. táblázatban megadott elektromos térszélesség.2 elegendő ahhoz, hogy teljes mértékben kitöltse a szubsztrát régió minden szabványos, függőleges, fordított konfiguráció napelemek. A VI. 2. táblázat azonban három feltevésen alapul, amelyek közül egyik sem valósítható meg teljes mértékben egy reális napelem során. Az első feltételezés az, hogy az aljzat belső. A gyakorlatban az 1990-es évek elején alkalmazott technológia nem felel meg ennek a követelménynek. Egy ésszerű technológia korlátozott minimális érték Ns van a sorrendben 1014 / cm3. Ezenkívül a napelem dióda telítettségi szivárgási áramának csökkentése érdekében az Ns-nek általában 1015/cm3 sorrendben kell lennie. A második feltételezés az, hogy a csatlakozási feszültség csak a lépéscsatlakozás beépített feszültsége, és megegyezik a PN-csomópont energiahézagával (vagy a szubsztrát félvezető energiahézagával heterojunkcióban, mos vagy Schottky barrier napelemcellában. A gyakorlatban a csatlakozási feszültség mindig kisebb, mint az energiahézag szélessége (lásd a VI.3 egyenletet). Egy harmadik tényező, amelyet figyelembe kell venni a szubsztrát kimerülési réteg szélességének minden megbeszélésében, az, hogy a napelem a lyuk-elektron Párok elválasztása/összegyűjtése miatt előre torzul. Ennek eredményeként a feszültség, a Vd, A Vi.2 egyenletben gyorsan csökken, egy volt#törtrésze felé.

a Schottky barrier napelem cellájában ténylegesen létező csatlakozási feszültség becsléséhez vegye figyelembe a maximális beépített potenciált, ϕBo, egy Schottky barrier napelem számára. Tekintettel erre az értékre, helyettesíthetjük a VB-t a VI. 2 egyenletben, így meghatározhatjuk a kimerülési réteg vastagságát, csak a beépített feszültség esetén (azaz rövidzárlat esetén), Xss:

Megfigyelni, hogy a korlát-értékek Táblázatban felsorolt VI.3 attól függ, hogy a fém, a félvezető, s amikor a félvezető típus. A megadott értékek mindegyike kevesebb, mint egy volt, és kisebb, mint az energiahézag.

A Mos csomópont kevésbé érthető, mint a Schottky csomópont. 1993-tól ez a napelem típus elsősorban szilíciumon készült, mivel a szükséges vékony oxidréteg könnyen előállítható (lásd az V. fejezetet) ezzel a félvezetővel. Az ilyen típusú gátak esetében 0,85 (alumínium-szilícium-dioxid-a P-típusú szilíciumon) és 0,67 (króm-szilícium-dioxid-a P-típusú szilíciumon) barrier-értékeket jelentettek . A szilícium – és a gallium-arzenid szubsztrátokra vonatkozó mos-korlátok más forrásokból származó adatai hasonló értékeket mutatnak. Ne feledje, hogy az oxidrétegből származó csökkentett szivárgási áramok ígéretessé teszik ezeket az eszközöket; még akkor is, ha még nem eléggé megértették.

nehéz megjósolni a heterojunkció hatékony akadálypotenciálját. Durva becslés történhet egy heterojunkciós napelem nyitott áramköri feszültségének megfigyelésével. Sreedhar, Sahi és Milnes-től a nyílt áramkörű heterojunkciós napelem feszültségek egyes értékei a következők: (1) N-típusú rés P-típusú Si-n, 0,67 V; (2) n-típusú rés P-típusú GaAs-on, 0.82 V; (3) p-típusú rés az n-típusú GaAs-on, 1,05 V; és (4) n-típusú ZnSe a P-típusú GaAs-on, 0,925 V. vegye figyelembe, hogy ezek az értékek a VI.5.táblázat sorrendjében vannak a pn-csomópontok esetében. A szubsztrátréteg-kimerülés rétegszélességének kiszámítása ezen barrier feszültségek alkalmazásával nagyságrendileg hasonló eredményekhez vezet, mint a VI.4.táblázat eredményei a VI.5 egyenletben a Schottky esetében és a VI.5 táblázatban a VI.3 egyenletben a pn-csomópontok esetében.

vegye figyelembe, hogy a VI.6.táblázat kimerülési rétegszélességei nemcsak nagyon kisebbek, mint a VI.2. táblázat elektromos mezőszélességei, hanem sokkal kisebbek is, mint a félvezető optikai elnyelő vastagsága (150 µm). Ha az elektron-lyuk pár elválasztása / összegyűjtése kizárólag a depléciós réteg szélességétől függne, akkor a standard és fordított konfigurációjú napelemek teljesítménye nagyrészt negatív lenne. Szerencsére vannak más jelenségek is, amelyek segíthetnek a fényáram előállításában. Ezeket a jelenségeket arra használják, hogy az optikailag generált hordozókat az elektromos mező tartományába hozzák egy napelem csomópont kimerülési rétegében. Először is, fontolja meg a félvezető diffúziós hosszát, valamint azt, hogy milyen mértékben terjeszti ki hatékonyan a kimerülési réteg gyűjtési tartományát.

a foton abszorpciója által a napelem ömlesztett területein (elektromos mező nélküli területeken) generált lyuk-elektron Párok véletlenszerűen mozognak a félvezetőn keresztül. Ha a félvezető kristályban csomópont van, természetesen elektromos mező lesz a csomópont közelében. Ez a mező arra szolgál, hogy elektronlyuk-párokat gyűjtsön össze, és elkülönítse őket, így koncentrációs gradienst hoz létre elektron-lyuk párokban. Most vegye figyelembe a napelem P-típusú régióját. Az elektronok ebben a régióban, közel a kimerülési régióhoz, gyakran véletlenszerűen mozognak az elektromos mezőbe. Amikor ez megtörténik, Az elektronok felgyorsulnak az N típusú oldal csomópontján. Hasonló folyamat történik természetesen az n-típusú oldalon véletlenszerűen mozgó lyukakhoz, mivel azok felgyorsulnak a p-típusú oldal felé. Ennek a kisebbséghordozó-eltávolításnak az a hatása, hogy elektronkoncentrációs gradienst hoz létre az ömlesztett terület között a P-típusú oldalon és a kimerülési régió szélén. Így a P-típusú oldalon lévő csomópont diffúziós hosszán belül egy elektront gyűjtünk össze (ugyanez vonatkozik az N-típusú oldalon lévő csomópont diffúziós hosszán belüli lyukakra is). A diffúziós hossz, L, a következő:

ahol, a III.fejezetből:

Az ebben a munkában használt félvezetők élettartamát, τ és mobilitását a III. fejezetben tárgyaltuk. Ebben a fejezetben figyelembe vesszük a napelem működését szobahőmérsékleten (27°C). A depléciós réteg szélességének előzetes megbeszélése során 1014/cm3 szubsztrát szennyezőanyag-koncentrációt és 5 × 1019/cm3 magas “elülső réteget” alkalmaztak. Ezen koncentrációk “gyakorlatiasságára” vonatkozó néhány további szó rendben van. Az” elülső réteg ” koncentráció a félvezetőbe eső távolságtól függ. Ha az” elülső réteg ” diffúziós folyamat eredménye, akkor a szennyeződés koncentrációja a felületen sokkal magasabb, mint a csomópontnál. Az NL (x) általában egy hibafunkciós görbét fog követni, amelynek felületi koncentrációja jóval meghaladja a vezetési sávot vagy az államok valenciasűrűségét (lásd a B. függeléket és ). Ha az” elülső réteg ” az ionbeültetés eredménye, akkor a szennyeződés sűrűsége bizonyos távolságra eléri a csúcsot a félvezetőbe; a félvezető által meghatározott távolság, annak kristályorientációja, a szennyező faj és az implantátum energiája . A modern technológiák, például a molekuláris gerenda epitaxia felhasználásával az “elülső réteg” koncentrációját körülbelül az államok sűrűségének szintjén lehet tartani, ami nagyjából 5 × 1019 / cm3. Ez a szennyezőanyag-koncentráció elég magas ahhoz, hogy hátrányosan befolyásolja az “elülső réteg” élettartamát, de elég magas ahhoz, hogy egy vékony “elülső réteget” támogasson túlzott ellenállás nélkül.

a szubsztrát Szennyeződési koncentrációjának kicsinek kell lennie a diffúziós hossz és a kimerülési réteg szélességének növelése érdekében, de kellően magasnak kell lennie ahhoz, hogy csökkentse a napelem ömlesztett sorozatú ellenállását. Ezt az ömlesztett sorozat ellenállását, az rD-t a következők adják:

ahol 1 az aljzat hossza (ebben a munkában általában 150 µm); AD a napelem csomópontja, amely feltételezhetően megegyezik az aljzat keresztmetszeti területével; µSm a hordozó többségi mobilitása; az NS pedig a szubsztrátum szennyezőanyag-koncentrációja. Az V. fejezetben a telítettségi árammal kapcsolatban 1016/cm3 szubsztrát szennyezőanyag-koncentrációt használtunk. Ez a telítettség áramsűrűségének alacsony értékét eredményezte. Korábban ebben a fejezetben egy 1014/cm3-es szubsztrát szennyezőanyag-koncentrációt használtunk, mivel ez az érték szélesebb rétegszélességet eredményez, a megnövekedett telítettségi áramsűrűség költségén. A gyakorlatban a körülbelül 1015/cm3 hordozókoncentráció kielégítő egyensúlyt biztosít a sorozatállóság, a diffúzió hossza, a telítettségi áram és a feldolgozási technológia között.

From practical considerations we have set the maximum solar cell thickness to a value of 150 μm. Ez azt eredményezi, hogy a potenciálisan átalakítható napenergia körülbelül 5% – kal csökken a szilícium alapú napelemek esetében. Vegye figyelembe, hogy a másik példában a félvezetők esetében az abszorpció olyan gyorsan történik, hogy a napelem korlátozott vastagságának nincs hatása. Összehasonlítva az értékek optikai abszorpciós mélység Táblázat VI.9 a diffúziós hossz Táblázat VI.8 azt látjuk, hogy a 150 µm vastag napelemek a diffúziós hossz mind a hat példa semiconducting anyagok megfelelőek, hogy összegyűjti az összes a optikailag generált felelős fuvarozó a szabványos konfigurációs napelemek*.

fontolja meg a fordított és függőleges konfigurációjú napelem cellákat. A megbeszélések kapcsán Adatok VI.1. VI.2 Táblázatok VI.9 lehetséges, ezek a konfiguráció, optikai lyuk-elektron pár generáció kerül sor közelítő távolság 150 µm-a csomópont. Figyelembe véve a VI.8. táblázat kisebbséghordozó diffúziós hosszát, megjegyezzük, hogy ha a szubsztrát p-típusú, akkor a szilícium, az indium-foszfid, a gallium-arzenid és a kadmium-tellurid képes szinte az összes lyuk-elektron pár összegyűjtésére. Nem minden, mert még az 557 µm-es kisebb hordozó diffúziós hosszúságú Szilícium esetében is, a diffúziós hosszúság ezen példákban a félvezetőkben soha nem haladja meg a 150 µm-es határérték négyszeresét. Az indium-foszfid és a gallium-arzenid esetében a diffúziós hossz megközelítőleg megegyezik a maximális 150 µm-es generációs távolsággal. N típusú szubsztrátok esetében csak a szilíciumnak van elég nagy kisebbségi vivődiffúziós hossza, elég hosszú ahhoz, hogy biztosítsa a lyuk-elektron párok nagy részének gyűjtését.

van egy további forrása a díj fuvarozó veszteség. A függőleges csomópont konfigurációjú napelemek megvilágított felületét az eredeti ostya metszésével alakítják ki (lásd a VI.2.ábrával kapcsolatos vitát). Ez az eljárás növeli a felületi rekombinációs sebességet, valamint csökkenti ezeknek az eszközöknek a fényáramát. Ne feledje, hogy ez a probléma nem olyan súlyos a fordított konfigurációjú napelemek esetében. Az eszköz ezen konfigurációjához a gyártási folyamat a felületi rekombinációs sebesség minimalizálására van kialakítva. A standard konfigurációjú napelemek esetében a felületi rekombináció hozzájárul a “halott réteghez”, ezért már figyelembe vették. Végül vegye figyelembe, hogy a szubsztrátum érintkezésénél a felületi rekombináció lényegében végtelennek minősül (lásd a III.fejezetben található vitát). Ez kisebb koncentrációs gradienst eredményez az aljzat érintkezőjének közelében, amely a rossz irányba tölti a hordozókat. A VI. ábra tanulmányozása.1 bizonyítani fogja, hogy az olvasó, hogy ez a probléma szempontjából lényegtelen szabványos konfigurációs napelemek, valamint azok a fordított konfigurációs napelemek a hordozó kapcsolatok a nem megvilágított felület. Fontos azonban a napelemek függőleges összekapcsolása, ami a szubsztrátum érintkező közelében “elhalt réteget” eredményez, és csökkenti a napelem teljes teljesítményét.

VI.3.ábra. Napelem, változó szennyezőanyag-koncentrációval a szubsztrátumban. Az Ec a vezetősáv alsó széle, az EF a Fermi szint, az Ev pedig a valence sáv felső széle.

a VI. ábrán.3 feltételezzük, hogy az erősen adalékolt “elülső réteg” állandó szennyezőanyag-koncentrációja körülbelül 5×1019/cm3 x = 0-nál (a csomópont) az aljzat viszonylag enyhén adalékolt (körülbelül 1019/cm3 szennyeződés-koncentráció), de a szennyeződés koncentrációja (a VI.3 ábra példáján szereplő akceptor) növekszik, mivel a csomóponttól való távolság növekszik. Az eredmény egy beépített elektromos mező, amely a kisebbségi hordozókat a csomópont felé kényszeríti. Ezt az elektromos mezőt a következők adják:

ahol Ns (x) a szubsztrát Szennyeződési koncentrációja. Ez körülbelül 1014/cm3-től 1017-től 1018/cm3-ig terjedő értékig változik (a szubsztrátum tényleges sűrűségének egytizedénél kisebb érték*). Vegye figyelembe, hogy ha az elektromos mező állandó értékét kívánjuk, E, akkor a szubsztrát Szennyeződési koncentrációja a következő lesz:

ahol Ns (o) a szubsztrát Szennyeződési koncentrációja a csomóponton, és x pozitív a szubsztrátumba#.

feltételezzen egy 150 µm széles hordozót. Ezután a 16 volt/cm hordozóban lévő elektromos mező esetében az NS(150)/Ns(o) Arány tízezer. Tekintettel egy ilyen mezőre, amely kiterjeszti az aljzat szélességét, lényegében összegyűjthetjük az aljzatban keletkező összes lyuk-elektron párot, és a kimerülési réteg szélére szállíthatjuk őket. A kimerülési réteg viszont elválasztja a lyuk-elektron párokat. További előnyként az itt tárgyalt Osztályozott szubsztrát a felületi rekombinációs sebesség leválasztását is szolgálja a szubsztrátum érintkezésénél .