Device Design – Minority Carrier Collection
ved fremstilling av pn-kryss eller heterojunction solceller av hvilken som helst konfigurasjon, er bulk-eller substratområdet til halvlederanordningen lett eller moderat dopet med urenheter mens den andre regionen (topp-eller «frontlaget» eller opplyst område i en standardkonfigurasjonscelle, den nedre eller ikke-Belyste regionen i en invertert Solcelle og En Tynn, sidebelyst Region i En Vertikal solcelle) er tungt DOP. Denne tunge konsentrasjonen av urenheter er nødvendig for å redusere seriemotstanden til solcellen og for å tillate ohmisk kontakt til denne regionen. Merk at den store urenhetskonsentrasjonen reduserer transportørens levetid og skaper et «dødt lag». Dette «døde laget» er ikke et problem i inverterte eller vertikale konfigurasjonssolceller, men er av stor bekymring for standardkonfigurasjonssolceller. Derfor, på grunn av kostnadene (jo tykkere en region av en solcelle, jo større bekostning av fabrikasjon) og i standard solceller, for å minimere» døde lag » bredde, er det ønskelig å holde denne andre regionen til minimum tykkelse.
Fra Kapittel III har vi følgende uttrykk for omfanget av krysset elektrisk felt i p – og n-regioner av en pn trinn veikryss solcelle.
hvor xn er ekspansjonsavstanden til romladningsområdet i n-regionen fra krysset (tatt som x = 0), xp, er utvidelsen til p-regionen, ∈ er halvlederens permittivitet, ND er urenhetskonsentrasjonen i n-regionen, OG NA er urenhetskonsentrasjonen i p-regionen. Mengden, VD, er nettspenningen over krysset og er gitt av: (VI.2)vd=VB-Vp,
hvor Vp er fotovoltage og VB er den innebygde spenningen over trinnkrysset og bestemmes fra:
hvor k Er Boltzmanns konstant, t er den absolutte temperaturen til krysset og ni er den iboende bærerkonsentrasjonen*.
Vurder et pn-trinnkryss med NL ≫ Ns#. I denne situasjonen VIL VERDIEN AV XL’, romladningen (eller elektrisk felt) bredden i «frontlaget» være null (se Ligning VI.1). I en heterojunksjons solcelle er dette også effektivt tilfelle siden forskjellen i energigapbredder for de to materialene tvinger det elektriske feltet til å ekspandere bare inn i halvlederen med det lavere energigapet. I metall/halvleder eller metalloksid / halvlederkryss ekspanderer det elektriske feltet også hovedsakelig inn i halvledersubstratlaget. Verdien Av Xs, romladningsbredden i underlaget, er høyst Xs’, hvor:
Her har Xs’ blitt beregnet ut fra en innebygd spenning som er lik båndgapbredden til halvlederen og en bærerkonsentrasjon som er lik den indre verdien, ni.
Tabell VI. 2 presenterer En verdi På Xs ‘ for de seks prøve halvledere.
Tabell VI.2. Maksimal grad av krysset elektrisk felt (uttømming eller plass kostnad lag), Xs’
| Halvleder | Si | Inp | GaAs | CdTe | alsb | cdse | xs’ (cm) | 0.031 | 0,891 | 2,08 | 3,45 | 19,66 | 53,1 |
merk at under forutsetningene som er gjort, strekker dette elektriske feltet (uttømmingsregionen) inn i halvlederen i mos og schottky-veikryss, inn i den mindre energigaphalvlederen i heterojunctions, og inn i det lettdopede substratområdet i pn-trinnkryss. Husk også at vi vurderer solceller med en praktisk total tykkelse på 150 µ*. Den elektriske feltbredden som gitt I Tabell VI.2 er tilstrekkelig til å fylle substratområdet helt for alle standard -, vertikale og inverterte konfigurasjonssolceller. TABELL VI. 2 er imidlertid basert på tre forutsetninger; ingen av dem kan realiseres fullt ut i en realistisk solcelle. Den første antakelsen er at substratet er iboende. I praksis kan teknologien fra begynnelsen av 1990-tallet ikke oppfylle dette kravet. En rimelig teknologi begrenset minimumsverdi For Ns er i størrelsesorden 1014 / cm3. Videre, For å senke metningslekkasjestrømmen til solcelledioden, Må Ns generelt være i størrelsesorden 1015 / cm3. Den andre antakelsen er at koblingsspenningen bare er den innebygde spenningen til trinnforbindelsen og er lik energigapet til pn-krysset (eller energigapet til substrathalvlederen i en heterojunksjon, mos eller Schottky barriere solcelle. I praksis er koblingsspenningen alltid mindre enn energigapets bredde (se Ligning VI.3). En tredje faktor som må inkluderes i enhver diskusjon av substratutarmingslagets bredde er at solcellen blir foroverforspent, på grunn av separasjon/samling av hull-elektronparene. Som et resultat reduseres spenningen, VD, i Ligning VI.2, raskt, mot en brøkdel av en volt#.
for å estimere koblingsspenningen som faktisk eksisterer I En Schottky barrier solcelle, bør du vurdere det maksimale innebygde potensialet For En Schottky barrier solcelle. Gitt denne verdien kan Vi erstatte VB I Ligning VI.2, og dermed bestemme uttømmingslagets tykkelse, for innebygd spenning alene (dvs.for kortslutningsforhold), Xss:
Tabell VI.3 presenterer verdier Av Schottky barrierespenninger for de seks halvledere som vurderes og utvalgte metaller.
TABELL VI.3. Metall-semiconductor barriere energier, ϕ, i eV for de seks eksempel halvledere (10-15)
| Halvleder | Si | Inp | GaAs | CdTe | alsb | cdse |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Halvleder Av N-Type | ||||||
| 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 | — |
vær Oppmerksom på at barrieren verdier som er oppført i Tabell VI.3 er avhengig av metall, halvleder, og på den type halvleder. Verdiene som tilbys er alle mindre enn en volt og er mindre enn energigapet.mos-krysset er mindre godt forstått enn Schottky-krysset. Fra 1993 har denne solcelletypen hovedsakelig blitt konstruert på silisium på grunn av det enkle å fremstille det nødvendige tynne oksidlaget (Se Kapittel V) med denne halvlederen. For denne typen barriere er det rapportert verdier av barriereenergi på 0,85 (aluminium-silisiumdioksyd-på p-type silisium) og 0,67 (krom-silika-på p-type silisium). Data fra andre kilder for mos-barrierer på både silisium-og galliumarsenidsubstrater indikerer lignende verdier. Merk at reduserte lekkasjestrømmer, som kommer fra oksidlaget, gjør disse enhetene lovende; selv om det ennå ikke er tilstrekkelig forstått.
formålet med dette kapitlet er å estimere effektiviteten av solceller av «praktisk» konstruksjon. For dette formål, la Oss vurdere Schottky og mos veikryss under en enkelt overskrift (Schottky) og velg de «beste» barriereenergiene FRA Tabell VI.3 og litteraturen. Deretter kan de maksimale barriereenergiene som i praksis kan oppstå For Schottky-veikryss, tas som De I Tabell VI.4.
Tabell 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. Således er verken metall-halvleder (Schottky) kryss på p-Type CdSe eller CdSe pn kryss mulig. Det er mulig å konstruere heterojunction enheter ved hjelp Av N-Type CdSe som en side av krysset. Verdiene gitt I Tabell VI.6 er estimater for denne saken.
for å beregne pn junction innebygde potensialer bruker Vi Ligning VI.3. Som nevnt tidligere er minimumspotensialverdien FOR substraturenhetskonsentrasjon, NS, en urenhetskonsentrasjon på 1014 / cm3. Verdien for» frontlag » – konsentrasjonen, NL, avhenger delvis av om denne regionen innføres ved diffusjon eller ionimplantasjon. En effektiv verdi for NL på 5 × 1019 / cm3 er vanlig. Kombinere disse verdiene, med de for ni2 ved 300°K Fra Kapittel III, har vi for den innebygde spenningen, verdiene I Tabell VI.5.
TABELL 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 | * |
* P-Type CdSe er ikke tilgjengelig, så Det er Ingen Schottky barriere på P-Type CdSe, men det kan være en heterojunksjon i en n-type halvleder.
det er vanskelig å forutsi det effektive barrierepotensialet til en heterojunksjon. Et grovt estimat kan utføres ved å observere den åpne kretsspenningen til en heterojunksjons solcelle. Fra Sreedhar Og Sahi Og Milnes noen verdier av åpen krets heterojunction solcelle spenninger er: (1) n-Type GaP på P-Type Si, 0.67 V; (2) n-Type GaP på p-Type GaAs, 0.82 V; (3) p-Type GaP på n-Type GaAs, 1.05 V; Og (4) n-Type ZnSe på p-Type GaAs, 0.925 V. Merk at disse verdiene er på rekkefølgen Av De I Tabell VI.5 for pn veikryss. Beregninger av substratutarmningslagbredde ved bruk av disse barrierespenningene fører til resultater som er like i størrelse som de som bruker resultatene AV Tabell VI.4 I Ligning VI.5 FOR Schottky og Tabell vi. 5 I Ligning VI.3 for pn-veikryss.
for en substraturenhetskonsentrasjon på 1014 / cm3 kan vi få et estimat av substratutarmningslagets bredde i en solcelle under kortslutningsforhold (fotovoltage lik null). Disse uttømmingsbredder, for eksempel halvledere er gitt I Tabell VI.6.
Tabell VI.6. Den «praktiske» maksimale uttømmingslagets bredde (i µ) i halvledersubstratene for de seks halvledere, som en funksjon av de forskjellige koblingstypene og ved en temperatur på 300°k
| Semiconductor | Si | InP | gaas | cdte | cdse | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| metall-halvlederbarriere På halvledersubstrat av n-type | ||||||
| 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 | |
* P-Type CdSe er ikke tilgjengelig, så Det er Ingen schottky barriere på P-Type CdSe, men det kan være en heterojunksjon i en n-type halvleder.
Legg merke til at uttømmingslagets bredder I TABELL VI.6 ikke bare er veldig mye mindre enn de elektriske feltbreddene I Tabell VI.2, men de er også mye mindre enn halvlederens optiske absorberende tykkelse (150 µ). Hvis elektron-hull par separasjon / samling avhenger utelukkende på uttømming lag bredde, vil ytelsen til standard og invertert konfigurasjon solceller i stor grad bli negert. Heldigvis finnes det andre fenomener som kan bistå i produksjon av photocurrent. Disse fenomenene brukes til å bringe de optisk genererte bærerne innenfor rekkevidde av det elektriske feltet i uttømmingslaget av en solcelle-kryss. Først bør du vurdere diffusjonslengden i en halvleder og i hvilken grad den effektivt utvider oppsamlingsområdet for uttømmingslaget.Når generert av fotonabsorpsjon I bulkområdene (områder uten elektrisk felt) av solcellen, beveger hullelektronparene tilfeldig gjennom halvlederen. Skulle det være et kryss i halvlederkrystallet, vil det selvsagt være et elektrisk felt i nærheten av krysset. Dette feltet tjener til å samle elektronhullspar og å skille dem, og dermed produsere en konsentrasjonsgradient i elektronhullspar. Nå vurderer p-type regionen av en solcelle. Elektroner i denne regionen, nær uttømmingsområdet, flytter ofte tilfeldig inn i det elektriske feltet. Når dette skjer, akselereres elektronene over krysset til n-type siden. En lignende prosess skjer, selvfølgelig, til hullene tilfeldig beveger seg på n-type side som de er akselerert mot p – type side. Effekten av denne minoritetsbærerfjerningen er å skape en elektronkonsentrasjonsgradient mellom bulkområdet på p-type siden og kanten av uttømmingsområdet. Således vil et elektron innenfor en diffusjonslengde av krysset på siden av p-typen samles inn (det samme gjelder for hull i en diffusjonslengde av krysset på siden av n-typen). Diffusjonslengden, L, er gitt av:
hvor, Fra Kapittel III:
livstidene, τ og mobilitetene, μ for halvlederne som brukes som eksempler i dette arbeidet, ble omtalt I Kapittel III. Husk at disse materialegenskapene er funksjoner av temperatur og urenhetskonsentrasjon. I dette kapitlet vurderer vi solcelledrift ved romtemperatur (27°C). Den foregående diskusjonen om uttømmingslagbredde brukte en substraturenhetskonsentrasjon på 1014 / cm3 og en høy urenhetskonsentrasjon «frontlag» på 5 × 1019 / cm3. Noen få ekstra ord om «praktisk» av disse konsentrasjonene er i orden. Konsentrasjonen av» frontlag » varierer med avstanden til halvlederen. Hvis «frontlaget» er et resultat av en diffusjonsprosess, er urenhetskonsentrasjonen på overflaten mye høyere enn ved krysset. VANLIGVIS vil NL(x) følge en feilfunksjonskurve med en overflatekonsentrasjonsbrønn som overstiger enten ledningsbåndet eller valensbåndets tetthet av tilstander(se Vedlegg B og). Hvis «frontlaget» er et resultat av ionimplantasjon, når urenhetstettheten en topp i noen avstand inn i halvlederen; avstanden bestemt av halvlederen, dens krystallorientering, urenhetsartene og implantatets energi . Ved hjelp av moderne teknologier , som molekylær stråle epitaxy, er det mulig å holde «frontlag» konsentrasjonen på omtrent tettheten av tilstandsnivå, som er omtrent 5 × 1019 / cm3. Denne urenhetskonsentrasjonen er høy nok til å påvirke levetiden til «frontlaget» negativt, men det er også høyt nok til å støtte et tynt «frontlag» uten overdreven motstand.
konsentrasjonen av substratforurensning må være liten for å øke diffusjonslengden og uttømmingslagets bredde, men må være tilstrekkelig høy for å redusere solcellens bulkseriemotstand. Denne masseseriemotstanden, rD, er gitt av:
hvor 1 er lengden på substratet (vanligvis tatt for å være 150 µ i dette arbeidet); AD er kryssområdet til solcellen, som vi antar er lik tverrsnittsarealet til substratet; µ er substratets majoritetsbærermobilitet; Og Ns er urenhetskonsentrasjonen i substratet. I Kapittel V, i forbindelse med metningsstrøm, brukte vi en substraturenhetskonsentrasjon på 1016 / cm3. Dette ga en lav verdi av metningsstrømtetthet. Tidligere i dette kapitlet benyttet vi en substraturenhetskonsentrasjon på 1014 / cm3 fordi denne verdien gir en bredere uttømmingslagbredde, på bekostning av økt metningsstrømtetthet. I praksis gir en bærerkonsentrasjon på ca.1015/cm3 en tilfredsstillende balanse mellom seriemotstand, diffusjonslengde, metningsstrøm og prosesseringsteknologi.
Ved å bruke en verdi PÅ NS lik 1015 / cm3 og en verdi PÅ NL lik 5 × 1019 / cm3, sammen med mobilitetene og levetidsverdiene Til Vedlegg B, litteraturen OG Kapittel III, har vi dataene gitt I Tabell VI.7. Dette vil bli brukt som input for beregning av minoritetsbærerdiffusjonslengder i substratene til solceller laget av våre halvledere.
Tabell VI.7. Estimerte verdier av urenhetskonsentrasjon, minoritetsbærermobilitet og levetid, som halvlederens funksjoner for en temperatur på 300°K og de seks halvledere
| Halvleder | Si | InP | GaAs | cdte | alsb | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| «frontlag» | ||||||||||||||||
| konsentrasjon (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 | ||||||||||
TABELL VI.8. Estimert minoritet carrier diffusjon lengder for n – og p-type regioner av solceller ansette eksempel halvledere, på 300°k
| Halvleder | Si | InP | GaAs | CdTe | alsb | cdse |
|---|---|---|---|---|---|---|
| «frontlag» Diffusjonslengde (diffusjonslengde) | ||||||
| p-type lag | 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 |
Siden denne regionen har en lav levetid (Se TABELL VI.7), og overflatenes rekombinasjonshastighet for slike tungt dopet regioner er høy, er det usannsynlig at en stor andel av bærere vil bli samlet inn og separert i denne regionen. Diffusjonslengdene for «frontlaget» gitt I Tabell VI.8 er derfor tilstrekkelig. Underlaget er imidlertid en annen sak. For enhver konfigurasjon av solcelle vil elektronhullparene bli generert av fotonabsorpsjon innen en avstand fra den opplyste overflaten. FRA Figurene IV.7 OG IV. 8 er denne avstanden gitt I Tabell vi.9.
Tabell 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. Dette resulterer i et tap i den potensielt konvertible solenergien på ca 5% for silisiumbaserte solceller. Merk at for de andre halvlederne skjer absorpsjonen så raskt at denne begrensede tykkelsen av solcellen ikke har noen effekt. Sammenligning av verdiene for optisk absorpsjonsdybde I Tabell VI. 9 med diffusjonslengdene presentert I Tabell VI.8, ser vi at for 150 µ tykke solceller er diffusjonslengdene for alle seks halvledende materialer tilstrekkelig til å samle alle optisk genererte ladningsbærere for standardkonfigurasjon solceller*.
Vurdere invertert og vertikal konfigurasjon solceller. Fra våre diskusjoner i Forbindelse MED Figurene VI. 1 OG VI. 2 og Tabellene VI.9 er det i disse konfigurasjonene mulig å generere optiske hull-elektronpar i en avstand på ca. 150 µ fra krysset. Med tanke på minoritetsbærerdiffusjonslengder Av TABELL VI.8 merker vi at hvis substratet er p-type, så har silisium, indiumfosfid, galliumarsenid og kadmiumtellurid potensialet til å samle nesten alle hull-elektronparene. Ikke alt, for selv når det gjelder silisium med sin 557 µ minoritetsbærerdiffusjonslengde, er diffusjonslengden i noen av disse halvledereksemplene aldri mer enn fire ganger 150 µ-grensen. For indiumfosfid og galliumarsenid er diffusjonslengden omtrent lik den maksimale generasjonsavstanden på 150 µ. I tilfelle av n-type underlag har bare silisium en tilstrekkelig stor minoritetsbærerdiffusjonslengde, lang nok til å sikre samlingen av de fleste hullelektronparene.
Det er en ekstra kilde til kostnadsbærer tap. Den opplyste overflaten av vertikale krysskonfigurasjon solceller dannes ved å snitte den opprinnelige waferen(se diskusjonen i forbindelse MED Figur VI.2). Denne prosedyren forbedrer overflaten rekombinasjon hastighet og reduserer photocurrent for disse enhetene. Merk at dette problemet ikke er så alvorlig med inverterte konfigurasjon solceller. For denne konfigurasjonen av enheten er fabrikasjonsprosessen skreddersydd for å minimere overflatekombinasjonshastighet. I standardkonfigurasjon solceller bidrar overflatekombinasjonen til det «døde laget» og har derfor allerede blitt tatt i betraktning. Til slutt merk at ved substratkontakten antas overflatekombinasjonen å være i det vesentlige uendelig (se diskusjonen I Kapittel III). Dette gir en minoritet konsentrasjonsgradient i nærheten av substratet kontakt som trakter lade bærere i feil retning. Studie Av Figur VI.1 vil demonstrere for leseren at dette problemet er ubetydelig for standardkonfigurasjonssolceller og de inverterte konfigurasjonssolceller med deres substratkontakter på den ikke-opplyste overflaten. Det er imidlertid av betydning for vertikale krysssolceller, noe som resulterer i et «dødt lag» nær substratkontakten og reduserer total ytelse for solcellen.
Det er en løsning på alle disse problemene; en løsning som har den ekstra fordelen av å redusere substratseriemotstanden. Vurder energi-versus-avstandsdiagrammet for solcellen som vises I Figur VI.3.
FIGUR VI.3. En solcelle med en variabel urenhetskonsentrasjon i substratet. Ec er den nedre kanten av ledningsbåndet, EF Er Fermi-nivået og Ev er den øvre kanten av valensbåndet.
I FIGUR VI.3 det tungt dopet «frontlaget» antas å ha en konstant urenhetskonsentrasjon på ca. 5×1019 / cm3 ved x = 0 (krysset) substratet er relativt lett dopet (en urenhetskonsentrasjon på ca. 1019 / cm3), men urenhetskonsentrasjonen (akseptor i Eksemplet PÅ FIGUR VI.3) av substratet økes ettersom avstanden fra krysset økes. Resultatet er et innebygd elektrisk felt som driver minoritetsbærere mot krysset. Dette elektriske feltet er gitt av:
Hvor Ns (x) er substratets urenhetskonsentrasjon. Dette varierer fra omtrent 1014 / cm3 til en verdi i størrelsesorden 1017 til 1018 / cm3 (en verdi mindre enn en tiendedel av den effektive tettheten av tilstandsverdien for substratet*). Merk at Hvis vi ønsker en konstant verdi av elektrisk felt, Vil e så substraturenhetskonsentrasjonen være:
Hvor Ns(o) er substraturenhetskonsentrasjonen ved krysset og x er positiv inn i substratet#.
Anta et substrat av 150 µ bredde. Så, for et elektrisk felt i substratet på 16 volt / cm, er forholdet Ns (150) / Ns (o) ti tusen. Gitt et slikt felt, som utvider bredden på substratet, kan vi samle i hovedsak alle hull-elektronparene som genereres i substratet og transportere dem til kanten av uttømmingslaget. I sin tur separerer uttømmingslaget hull-elektronparene. Som en ekstra fordel tjener det graderte substratet som diskuteres her, også å avkoble overflatenes rekombinasjonshastighet ved substratkontakten .
Vurder photocurrent som kan forventes i en solcelle av standard, invertert eller vertikal konfigurasjon. Anta at vi har en invertert konfigurasjon solcelle, med et gradert substrat, 95% effektivt antirefleksjonsbelegg og 100% innsamlingseffektivitet for alle genererte hullelektronpar. Den forventede photocurrent tetthet er At Av Tabell VI. 10.
Tabell 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 |
FIGUR VI.8. Fotovoltage når den leverte solcellekraften er maksimalt, VD’, for standardkonfigurasjonssolceller, som en funksjon av barriere og substrat, UNDER AM1 lys, ved 300°K og for seks halvledere.
Kryss symboler: H for heterojunction, P For pn junction, S For Schottky barriere og B for både pn og heterojunction.
Substratsymboler: n for n-type, p for p-type og e for begge typer.
TABELL VI.11. Den estimerte photocurrent tetthet (mA/cm2) i en vertikal konfigurasjon solcelle på 300°k
| Halvleder | Si | InP | GaAs | CdTe | alsb | cdse |
|---|---|---|---|---|---|---|
| am0-betingelser | 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. Det er ytterligere rekombinasjonstap på grunn av det » døde laget «(som er et resultat av det tungt dopet» frontlaget») i pn-trinnkryss, fra grensesnitteffekter i en heterojunksjons solcelle og fra refleksjonseffekter i tilfelle mos og Schottky junction solceller. I tabellen nedenfor er estimert photocurrent tetthet for en standard konfigurasjon solcelle gitt. Ved et pn-trinnskryss er «frontlaget» tynt for å minimere tykkelsen på det» døde laget » (holder dette laget fra 0,3 til 0,6 µ tykt). Det» døde » laget fyller ikke helt «frontlaget», men består av den øverste tredjedelen eller så. Forutsatt at dette «døde laget» faktisk er helt dødt, og bruk Av Tallene IV. 10 OG IV.11 er den estimerte maksimale fotocurrent tettheten for standardkonfigurasjon pn step junction solceller gitt I Tabell VI.12. De estimerte mulige photocurrents for standard konfigurasjon heterojunctions er høyere fordi den «døde lag» er ikke til stede-halvleder danner «front lag» være gjennomsiktig for fotoner av interesse. Photocurrent er også beregnet For Schottky barriere standard konfigurasjon solceller. Eksistensen av et metalllag på den opplyste siden av solcellen reduserer drastisk den potensielle photocurrent og verdier angitt I Tabell VI. 12 er i beste fall estimater.
Tabell VI.12. Den estimerte photocurrent tetthet (mA/cm2) i en standard konfigurasjon solcelle, for pn trinn veikryss, heterojunction Og Schottky krysset enheter på 300°k
| Semiconductor | Si | InP | GaAs | cdte | cdse | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| heterojunksjons Solceller | ||||||
| am0-betingelser | 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 det er klart at den høye absorpsjonskoeffisienten Til InP resulterer i uvanlig høye rekombinasjonstap i trinn pn junction standardkonfigurasjon solceller. Vær også oppmerksom på at for hver av halvledereksemplene er det en nedgang i forventet fotocurrent tetthet fra invertert konfigurasjon gjennom vertikal konfigurasjon og til standardkonfigurasjon. Denne nedgangen er liten når vertikale og inverterte solceller sammenlignes, men av store proporsjoner når standardkonfigurasjonssolceller vurderes. Det kan ikke overemphasized at verdiene av forventet photocurrent tetthet I Tabellene VI.10 TIL VI.12 er estimater og sterkt avhengig av fabrikasjonsteknikkene som brukes til å bygge solceller, på overflatekrystallorientering og på halvlederen selv. Verdiene nevnt ovenfor bør realiseres, hvis tilstrekkelig forsiktighet utøves, men «feil» i fabrikasjonsteknologi og overflatebehandling kan føre til betydelige reduksjoner.
det overordnede formålet med dette kapittelet er å gi et estimat av ytelse for flere «realistiske» situasjoner. Den heterojunction og pn trinn veikryss photocurrent tetthet estimater Av Tabell VI. 12 er rimelig. Schottky photocurrent tetthetsestimater er mer problematiske. For å tillate fotoninntrengning av metalllaget på Toppen Av En Schottky-diode må laget være veldig tynt (< 500 Å). Likevel er det betydelig tap på grunn av fotonrefleksjon og photocurrent tetthet i slike enheter er liten.