Apparaat-Design – Minderheid Vervoerder Collectie
Wanneer het fabriceren van junctie of heterojunction solar cells van configuratie, de bulk of substraat regio van de halfgeleider is een licht of matig gedoteerd met onzuiverheden, terwijl de tweede regio (de bovenste of voorste “laag” of verlichte regio in een standaard configuratie van de cel, de onder-of niet-verlichte regio in een omgekeerde zonnecel en een dunne,-verlichte regio in een verticale zonnecel) is zwaar gedrogeerd. Deze zware concentratie van onzuiverheden is nodig om de serieweerstand van de zonnecel te verminderen en om ohmisch contact met dit gebied mogelijk te maken. Merk op dat de grote onzuiverheidsconcentratie de levensduur van de drager vermindert en een “dode laag”creëert. Deze “dode laag” is geen probleem in omgekeerde of verticale configuratie zonnecellen, maar is van groot belang voor standaard configuratie zonnecellen. Daarom, om redenen van kosten (hoe dikker een gebied van een zonnecel, hoe groter de kosten van fabricage) en, in standaard zonnecellen, om de “dode laag” breedte te minimaliseren, is het wenselijk om dit tweede gebied tot minimale dikte te houden.
uit Hoofdstuk III hebben we de volgende uitdrukkingen voor de omvang van het elektrische knooppuntveld in de P – en n-gebieden van een pn stap junctie zonnecel.
waarbij xn de expansieafstand in het n-gebied van de kruising is (genomen als x = 0), xp, is de expansie in het p-gebied, ∈ is de permittiviteit van de halfgeleider, ND is de onzuiverheidsconcentratie in het n-gebied, en NA is de onzuiverheidsconcentratie in het p-gebied. De hoeveelheid, VD, is de netspanning over het aansluitpunt en wordt gegeven door:
waarbij Vp de fotovoltage is en VB de ingebouwde spanning over het aansluitpunt en wordt bepaald uit:
waar k de constante van Boltzmann is, is T de absolute temperatuur van de verbinding en ni de intrinsieke dragerconcentratie*.
beschouw een pn stap kruising met NL N Ns#. In deze situatie zal de waarde van XL’, de ruimte lading (of elektrisch veld) breedte in de “voorste laag” nul zijn (zie vergelijking VI.1). In een heterojunctie zonnecel is dit ook effectief het geval, omdat het verschil in energiespleetbreedtes voor de twee materialen het elektrische veld dwingt om alleen uit te breiden naar de halfgeleider met de lagere energiespleet. In metaal/halfgeleider-of metaal-oxide / halfgeleider-verbindingen zet het elektrische veld ook hoofdzakelijk uit in de halfgeleidersubstraatlaag. De waarde van Xs, de laadbreedte van de ruimte in het substraat, is ten hoogste Xs’, waarbij:
Hier is Xs ‘ berekend uitgaande van een ingebouwde spanning gelijk aan de bandbreedte van de halfgeleider en een dragerconcentratie gelijk aan de intrinsieke waarde, ni.
tabel VI. 2 geeft een waarde van Xs’ voor de zes halfgeleiders.
tabel VI.2. Maximale omvang van het elektrische junctieveld (de depletie-of ruimtelaag), Xs’
| halfgeleider | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
| Xs’ (cm) | 0.031 | 0.891 | 2.08 | 3.45 | 19.66 | 53.1 |
merk op dat, onder de veronderstellingen, dit elektrische veld (de depletie regio) strekt zich uit in de halfgeleider in mos en schottky juncties, in de kleinere energie gap halfgeleider in heterojuncties, en in de licht gedoteerde substraat regio in pn stap juncties. Bedenk ook dat we zonnecellen overwegen met een praktische totale dikte van 150 µm*. De elektrische veldbreedte zoals aangegeven in Tabel VI.2 is voldoende om het substraatgebied volledig te vullen voor alle standaard, verticale en omgekeerde configuratie zonnecellen. Tabel VI. 2 is echter gebaseerd op drie veronderstellingen, waarvan geen enkele volledig kan worden gerealiseerd in een realistische zonnecel. De eerste veronderstelling is dat het substraat intrinsiek is. In de praktijk kan de technologie van het begin van de jaren negentig niet aan deze eis voldoen. Een redelijke technologie beperkte minimumwaarde voor Ns is in de Orde van 1014 / cm3. Bovendien, om de verzadigingslekkagestroom van de zonneceldiode te verlagen, moet Ns over het algemeen in de Orde van 1015/cm3 zijn. De tweede aanname is dat de aansluitspanning alleen de ingebouwde spanning van de stapkoppeling is en gelijk is aan de energiekloof van de PN-aansluiting (of de energiekloof van de substraat halfgeleider in een heterojunctie, mos of Schottky barrière zonnecel. In de praktijk is de aansluitspanning altijd kleiner dan de breedte van de energiespleet (zie vergelijking VI.3). Een derde factor die moet worden meegenomen in elke discussie over de breedte van de substraatdepletielaag is dat de zonnecel naar voren vertekend wordt, als gevolg van de scheiding/verzameling van de gaten-elektronenparen. Als gevolg hiervan wordt de spanning, VD, in vergelijking VI.2 snel verminderd tot een fractie van een volt#.
om de junctiespanning te schatten die daadwerkelijk bestaat in een Schottky barrière-zonnecel, overweeg dan het maximale ingebouwde potentieel, ϕBo, voor een Schottky barrière-zonnecel. Gegeven deze waarde kunnen we VB in vergelijking VI.2 vervangen en zo de dikte van de depletielaag bepalen, voor alleen ingebouwde spanning (d.w.z. voor kortsluitcondities), Xss:
tabel VI.3 presenteert waarden van Schottky barrière spanningen voor de zes voorbeeld halfgeleiders in kwestie en geselecteerde metalen.
tabel VI.3. Metaal-halfgeleider barrière energieën, ϕBo, in eV voor de zes voorbeeld halfgeleiders (10-15)
| Halfgeleider – | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Metalen | n-type halfgeleider – | |||||
| 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 | — | |
merk op dat de barrièrewaarden in Tabel VI.3 afhankelijk zijn van het metaal, de halfgeleider, en op het halfgeleidertype. De opgegeven waarden zijn allemaal minder dan één volt en minder dan de energiekloof.
het mos-knooppunt is minder goed begrepen dan het Schottky-knooppunt. Vanaf 1993 is dit type zonnecellen voornamelijk op silicium gebouwd vanwege het gemak waarmee de vereiste dunne oxidelaag (zie Hoofdstuk V) met deze halfgeleider kan worden vervaardigd. Voor dit type barrière zijn waarden van barrière-energie van 0,85 (aluminium-siliciumdioxide-op P-type silicium) en 0,67 (chroom-siliciumdioxide-op P-type silicium) gemeld . Gegevens uit andere bronnen voor mos-barrières op zowel silicium-als galliumarsenide-substraten geven vergelijkbare waarden aan. Merk op dat verminderde lekstromen, als gevolg van de oxidelaag, maken deze apparaten veelbelovende; zelfs als, tot nu toe, onvoldoende begrepen.
Het doel van dit hoofdstuk is het schatten van de efficiëntie van zonnecellen van “praktische” constructie. Laten we daarom Schottky-en mos-juncties onder één noemer (Schottky) bekijken en de “beste” barrièreenergieën uit tabel VI.3 en de literatuur selecteren. Vervolgens kunnen de maximale barrièreenergieën die in de praktijk bij Schottky-knooppunten kunnen worden aangetroffen, worden genomen als die in Tabel VI. 4.
tabel 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. Dus, metaal-halfgeleider (Schottky) aansluitingen op p-type CdSe noch CdSe pn aansluitingen zijn haalbaar. Het is mogelijk om heterojunctie apparaten te construeren met behulp van n-type CdSe als één kant van de verbinding. De in Tabel VI.6 vermelde waarden zijn ramingen voor dit geval.
om de ingebouwde potentialen van PN junction te berekenen gebruiken we vergelijking VI. 3. Zoals eerder vermeld, de minimale potentiële waarde voor substraatonzuiverheidsconcentratie, NS, is een onzuiverheidsconcentratie van 1014 / cm3. De waarde van de concentratie” frontlaag”, NL, hangt gedeeltelijk af van de vraag of dit gebied door diffusie of ionenimplantatie wordt geïntroduceerd. Een effectieve waarde voor NL van 5 × 1019/cm3 wordt vaak aangetroffen. Door deze waarden te combineren met die voor ni2 bij 300 ° K uit Hoofdstuk III, hebben we voor de ingebouwde spanning de waarden van tabel VI.5.
tabel 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 is niet beschikbaar, dus er is geen Schottky-barrière op P-type CdSe, maar er kan een heterojunctie zijn in een N-type halfgeleider.
Het is moeilijk om het effectieve barrièrepotentieel van een heterojunctie te voorspellen. Een ruwe schatting kan worden gemaakt door de open circuit spanning van een heterojunctie zonnecel te observeren. Van Sreedhar en Sahi en Milnes enkele waarden van open circuit heterojunctie zonnecel voltages zijn: (1) N-Type GaP op P-type Si, 0.67 V; (2) N-Type GaP op p-type GaAs, 0.82 V; (3) P-type hiaat op n-type GaAs, 1,05 V; en (4) n-type ZnSe op p-type GaAs, 0,925 V. merk op dat deze waarden liggen in de volgorde van die van tabel VI.5 voor PN-kruispunten. Berekeningen van de breedte van de substraatdepletielaag met behulp van deze barrière-spanningen leiden tot resultaten die in grootte vergelijkbaar zijn met die met behulp van de resultaten van tabel VI.4 in vergelijking VI.5 voor Schottky en tabel VI.5 in vergelijking VI.3 voor PN-juncties.
voor een substraatonzuiverheidsconcentratie van 1014 / cm3 kunnen we een schatting maken van de breedte van de substraatdepletielaag in een zonnecel onder kortsluitomstandigheden (de fotovoltage gelijk aan nul). Deze depletiebreedtes voor de halfgeleiders zijn vermeld in Tabel VI. 6.
tabel VI.6. De “praktische” maximale uitputting laag breedte (in µm) in de halfgeleider-substraten voor de zes voorbeeld halfgeleiders, als een functie van de verschillende knooppunt soorten en bij een temperatuur van 300°K
| Halfgeleider – | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Metaal-halfgeleider barrière op n-type halfgeleider substraat | ||||||
| 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 is niet beschikbaar, dus er is geen Schottky-barrière op P-type CdSe, maar er kan een heterojunctie zijn in een N-type halfgeleider.
merk op dat de depletielaagbreedtes van tabel VI.6 niet alleen veel kleiner zijn dan de elektrische veldbreedtes van tabel VI.2, maar ook veel minder dan de optische absorberende dikte van de halfgeleider (150 µm). Indien de scheiding/verzameling van elektronengatparen uitsluitend afhankelijk was van de breedte van de depletielaag, zouden de prestaties van standaard-en omgekeerde configuratiezonnecellen grotendeels teniet worden gedaan. Gelukkig zijn er andere verschijnselen die kunnen helpen bij de productie van fotocurrent. Deze verschijnselen worden gebruikt om de optisch gegenereerde dragers binnen het bereik van het elektrische veld in de uitputtingslaag van een zonnecelverbinding te brengen. Overweeg eerst de diffusielengte in een halfgeleider en in welke mate het effectief het verzamelbereik van de uitputtingslaag uitbreidt.
eenmaal gegenereerd door fotonabsorptie in de bulkgebieden (gebieden zonder elektrisch veld) van de zonnecel, bewegen gatenelektronenparen willekeurig door de halfgeleider. Mocht er een kruising zijn in het halfgeleiderkristal, dan is er natuurlijk een elektrisch veld in de buurt van de kruising. Dit veld dient om elektronengatparen te verzamelen en te scheiden, waardoor een concentratiegradiënt in elektronengatparen ontstaat. Denk nu eens aan het p-type gebied van een zonnecel. Elektronen in dit gebied, dicht bij het uitputtingsgebied, bewegen vaak willekeurig in het elektrische veld. Wanneer dit gebeurt, worden de elektronen versneld over de kruising naar de N-type zijde. Een soortgelijk proces vindt plaats, natuurlijk, om de gaten willekeurig bewegen op de n-type kant als ze worden versneld naar de P-Type Kant. Het effect van deze verwijdering van minderhedendragers is een elektronenconcentratiegradiënt te creëren tussen het bulkgebied aan de p-typezijde en de rand van het depletiegebied. Zo zal een elektron binnen een diffusielengte van de kruising aan de zijde van het p-type worden verzameld (hetzelfde geldt voor gaten binnen een diffusielengte van de kruising aan de zijde van het n-type). De diffusielengte, L, wordt gegeven door:
waarbij, uit Hoofdstuk III:
de levensduur, τ, en mobiliteit, μ, voor de halfgeleiders die in dit werk als voorbeelden worden gebruikt, werden besproken in hoofdstuk III. bedenk dat deze materiaaleigenschappen functies zijn van temperatuur en onzuiverheidsconcentratie. In dit hoofdstuk overwegen we de werking van zonnecellen bij kamertemperatuur (27°C). In de voorgaande bespreking van de breedte van de depletielaag werd een onzuiverheidsconcentratie van het substraat van 1014/cm3 en een hoge onzuiverheidsconcentratie “voorste laag” van 5 × 1019/cm3 gebruikt. Nog een paar woorden over de” uitvoerbaarheid ” van deze concentraties zijn op zijn plaats. De “voorste laag” concentratie varieert met de afstand in de halfgeleider. Als de “voorste laag” het resultaat is van een diffusieproces, is de onzuiverheidsconcentratie aan het oppervlak veel hoger dan die op de kruising. Typisch zal NL (x) een foutfunctiecurve volgen met een oppervlakteconcentratie ruim boven de geleidingsband of de valentiebanddichtheid van toestanden (zie Bijlage B en ). Als de” frontlaag ” het resultaat is van ionenimplantatie, bereikt de onzuiverheidsdichtheid op enige afstand een piek in de halfgeleider; de afstand die wordt bepaald door de halfgeleider, de kristaloriëntatie ervan, de onzuiverheid en de energie van het implantaat . Met behulp van moderne technologieën, zoals moleculaire bundel epitaxie, is het mogelijk om de “voorste laag” concentratie op ongeveer de dichtheid van staten niveau, die ongeveer 5 × 1019/cm3. Deze onzuiverheidsconcentratie is hoog genoeg om de levensduur van de “voorste laag” negatief te beïnvloeden, maar het is ook hoog genoeg om een dunne “voorste laag” te ondersteunen zonder overmatige weerstand.
De onzuiverheidsconcentratie van het substraat moet klein zijn om de diffusielengte en de depletielaagbreedte te vergroten, maar moet hoog genoeg zijn om de weerstand van de zonnecel in bulkreeksen te verminderen. Deze bulkreeksweerstand, rD, wordt gegeven door:
waarbij 1 de lengte van het substraat is( in dit werk wordt meestal aangenomen dat het 150 µm is); AD is het verbindingsoppervlak van de zonnecel, waarvan we aannemen dat het gelijk is aan de dwarsdoorsnede van het substraat; µSm is de mobiliteit van de drager van de meerderheid van het substraat; en Ns is de onzuiverheidsconcentratie in het substraat. In hoofdstuk V, in verband met verzadigingsstroom, gebruikten we een substraat onzuiverheid concentratie van 1016/cm3. Dit leverde een lage waarde van de verzadigingsstroomdichtheid op. Eerder in dit hoofdstuk gebruikten we een substraatonzuiverheidsconcentratie van 1014/cm3 omdat deze waarde een bredere depletie laagbreedte oplevert, ten koste van een verhoogde verzadigingsstroomdichtheid. In de praktijk zorgt een dragerconcentratie van ongeveer 1015 / cm3 voor een bevredigende balans tussen de reeksweerstand, de diffusielengte, de verzadigingsstroom en de verwerkingstechnologie.
gebruikmakend van een waarde van NS gelijk aan 1015/cm3 en een waarde van NL gelijk aan 5 × 1019/cm3, in combinatie met de waarden voor mobiliteit en levensduur van bijlage B, de literatuur en Hoofdstuk III, hebben we de gegevens in Tabel VI.7. Dit zal worden gebruikt als input voor de berekening van de minority carrier diffusie lengtes in de substraten van zonnecellen gemaakt van onze voorbeeld halfgeleiders.
tabel VI.7. De geschatte waarden van de onzuiverheid van de concentratie van minderheden vervoerder mobiliteit en leven, als functies van halfgeleiders voor een temperatuur van 300°K) en de zes voorbeeld halfgeleiders
| Halfgeleider – | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| “Front Laag” | ||||||
| Concentratie (in 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 |
In een” realistische ” zonnecel kunnen zowel de mobiliteit als de levensduur van de minderhedendrager kleiner zijn dan de waarden in Tabel VI.7, met name als de verwerking van de zonnecel niet aan de normen voldoet. De in Tabel VI.7 vermelde mobiliteit en levensduur zijn echter haalbaar en leiden tot de diffusielengten van tabel VI.8.
tabel VI.8. Geschatte minderheid vervoerder diffusie lengtes voor de n – en p-type regio ‘ s van de zonne-cellen, gebruikmakend van het voorbeeld van halfgeleiders, bij 300°K
| Halfgeleider – | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| “front laag” diffusie lengte (µm) | ||||||
| p-type laag | 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 |
uit de discussie met betrekking tot de dikte van de” dode laag “in hoofdstuk V, moet het sterk gedoteerde gebied van de” voorste laag ” in standaard of verticale configuratie stap junctie en heterojunctie zonnecellen klein zijn, met een maximale dikte onder een micron. Aangezien dit gebied een lage levensduur heeft (zie tabel VI.7) en de oppervlakte-recombinatiesnelheid van dergelijke sterk gedoteerde gebieden hoog is, is het onwaarschijnlijk dat een groot percentage dragers in dit gebied zal worden verzameld en gescheiden. De diffusielengtes voor de “frontlaag” in Tabel VI.8 zijn derhalve voldoende. Het substraat is echter een andere zaak. Voor elke configuratie van zonnecellen worden de elektronengatparen gegenereerd door fotonabsorptie binnen enige afstand van het verlichte oppervlak. Uit de figuren IV. 7 en IV. 8 blijkt deze Afstand in Tabel VI. 9.
tabel 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. Dit resulteert in een verlies van de potentieel converteerbare zonne-energie van ongeveer 5% voor op silicium gebaseerde zonnecellen. Merk op dat Voor de andere halfgeleiders de absorptie zo snel plaatsvindt dat deze beperkte dikte van de zonnecel geen effect heeft. Als we de waarden van de optische absorptiediepte in Tabel VI.9 vergelijken met de diffusielengtes in Tabel VI.8, zien we dat Voor 150 µm dikke zonnecellen de diffusielengtes voor alle zes voorbeeldmaterialen geschikt zijn om alle optisch gegenereerde ladingsdragers voor standaardconfiguratiezonnecellen te verzamelen*.
overweeg omgekeerde en verticale configuratie zonnecellen. Uit onze besprekingen in verband met de figuren VI.1 en VI.2 en de tabellen VI.9 is het in deze configuraties mogelijk dat de optisch gat-elektronenpaargeneratie plaatsvindt op een afstand van ongeveer 150 µm van de verbinding. Rekening houdend met de in Tabel VI.8 genoemde diffusielengten van minder belangrijke dragers stellen wij vast dat, indien het substraat van het P-type is, silicium, indiumfosfide, galliumarsenide en cadmiumtelluride de potentie hebben om bijna alle gatelektronenparen op te vangen. Niet allemaal, want zelfs in het geval van silicium met zijn 557 µm – minderheid dragerdiffusielengte, is de diffusielengte in een van deze halfgeleiders nooit meer dan vier keer de grens van 150 µm. Voor indiumfosfide en galliumarsenide is de diffusielengte ongeveer gelijk aan de maximale generatieafstand van 150 µm. In het geval van substraten van het n-type heeft alleen silicium een voldoende grote minderheidsdiffusielengte, lang genoeg om de verzameling van de meeste gaten-elektronenparen te verzekeren.
Er is een extra bron van verlies van ladingdragers. Het verlichte oppervlak van verticale junctieconfiguratie zonnecellen wordt gevormd door het indelen van de oorspronkelijke wafer (zie de discussie in samenhang met Figuur VI.2). Deze procedure verbetert de oppervlakte recombinatiesnelheid en vermindert de fotocurrent voor deze apparaten. Merk op dat dit probleem niet zo ernstig is met omgekeerde configuratie zonnecellen. Voor deze configuratie van het apparaat, is het fabricageproces afgestemd om de oppervlakte recombinatiesnelheid te minimaliseren. In de standaardconfiguratie zonnecellen draagt de recombinatie van het oppervlak bij aan de” dode laag ” en is daarmee al rekening gehouden. Merk tenslotte op dat bij het contact met het substraat wordt aangenomen dat de oppervlakte-recombinatie in wezen oneindig is (zie de bespreking in hoofdstuk III). Dit leidt tot een minieme concentratiegradiënt in de omgeving van het substraatcontact, waardoor ladingdragers in de verkeerde richting worden geleid. Studie van figuur VI.1 zal de lezer laten zien dat dit probleem onbelangrijk is voor standaardconfiguratie zonnecellen en die omgekeerde configuratie zonnecellen met hun substraatcontacten op het niet-verlichte oppervlak. Het is echter van belang voor verticale junctie zonnecellen, wat resulteert in een” dode laag ” in de buurt van het substraatcontact en het verminderen van de algehele prestaties van de zonnecel.
er is een oplossing voor al deze problemen; een oplossing die het extra voordeel heeft dat de weerstand van de substraatseries wordt verminderd. Denk aan het energie-versus-afstand diagram voor de zonnecel weergegeven in Figuur VI. 3.
figuur VI.3. Een zonnecel met een variabele onzuiverheidsconcentratie in het substraat. Ec is de onderrand van de geleidingsband, EF is het Fermi-niveau en Ev is de bovenrand van de valentieband.
in Figuur VI.3 de sterk gedoteerde “frontlaag” wordt verondersteld een constante onzuiverheidsconcentratie van ongeveer 5×1019/cm3 te hebben bij x = 0 (de verbinding) het substraat is relatief licht gedoteerd (een onzuiverheidsconcentratie van ongeveer 1019/cm3), maar de onzuiverheidsconcentratie (acceptor in het voorbeeld van figuur VI.3) van het substraat wordt verhoogd naarmate de afstand tot de verbinding wordt vergroot. Het resultaat is een ingebouwd elektrisch veld dat minderheidsdragers naar de kruising drijft. Dit elektrische veld wordt gegeven door:
waarbij Ns(x) de onzuiverheidsconcentratie van het substraat is. Dit varieert van ongeveer 1014 / cm3 tot een waarde in de Orde van 1017 tot 1018 / cm3 (een waarde minder dan een tiende van de effectieve dichtheid van toestanden waarde voor het substraat*). Merk op dat als we een constante waarde van het elektrische veld willen, E dan zal de substraatonzuiverheidsconcentratie zijn:
waarbij Ns(o) de substraatonzuiverheidsconcentratie is op de kruising en x positief is in het substraat#.
neem een substraat van 150 µm breed aan. Vervolgens is voor een elektrisch veld in het substraat van 16 volt/cm de verhouding Ns(150) / Ns(o) tienduizend. Gezien een dergelijk veld, dat de breedte van het substraat uitbreidt, kunnen we in wezen alle gaten-elektronenparen verzamelen die in het substraat worden gegenereerd en ze naar de rand van de uitputtingslaag transporteren. Op zijn beurt scheidt de uitputtingslaag de gaten-elektronenparen. Als extra voordeel dient het hier besproken gesorteerde substraat ook om de oppervlakte-recombinatiesnelheid bij het substraatcontact te ontkoppelen .
overweeg de fotocurrent die kan worden verwacht in een zonnecel met standaard, omgekeerde of verticale configuratie. Stel dat we een omgekeerde configuratie zonnecel hebben, met een gesorteerd substraat, 95% efficiënte antireflectie coating en 100% collectieefficiëntie voor alle gegenereerde gat-elektronenparen. De verwachte dichtheid van de fotocurrent is die van tabel VI. 10.
tabel 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 |
in het geval van een verticale configuratie zonnecel moeten extra verliezen door recombinatie van het oppervlak worden opgenomen omdat het verlichte oppervlak uit een wafer is gesneden (zie de discussie bij Figuur VI.2). Uitgaande van een redelijke oppervlakte recombinatiesnelheid van 10.000 cm/seconde, en met behulp van de gegevens van tabel VI.7 en figuur III.8, kunnen we schatten dat de maximale realiseerbare fotocurrentdichtheid ongeveer 5% onder de fotocurrenten van de omgekeerde zonnecel zal liggen, wat de nummers van tabel VI.11 oplevert.
figuur VI.8. Fotovoltage wanneer het geleverde zonnecelvermogen maximaal is, VD’, voor standaardconfiguratiezonnecellen, als functie van barrière en substraat, onder AM1-licht, bij 300°K en voor zes voorbeeldgeleiders.
Junctiesymbolen: H voor heterojunctie, P voor PN junction, S voor Schottky barrier en B voor zowel pn als heterojunctions.
Substraatsymbolen: n voor n-type, p voor p-type en E voor elk type.
tabel VI.11. De geschatte photocurrent stroomdichtheid (mA/cm2) in een verticale configuratie zonnecel op 300°K
| Halfgeleider – | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AM0-voorwaarden | 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. Er zijn extra recombinatieverliezen als gevolg van de” dode laag “(die het gevolg is van de zwaar gedoteerde” voorste laag”) in PN step junctions, van de interface-effecten in een heterojunctie zonnecel en van reflectie-effecten in het geval van mos en Schottky junction zonnecellen. In de volgende tabel wordt de geschatte fotocurrentdichtheid voor een standaardconfiguratiezonnecel verstrekt. In het geval van een pn stap kruising, de “voorste laag” is dun om de “dode laag” dikte te minimaliseren (het houden van deze laag van 0,3 tot 0,6 µm dik). De “dode” laag vult niet volledig de “voorste laag”, maar bestaat uit de bovenste derde of zo. Ervan uitgaande dat deze “dode laag” inderdaad volledig dood is, en uitgaande van de figuren IV.10 en IV.11 wordt de geschatte maximale fotocurrentdichtheid voor de standaardconfiguratie PN step junction zonnecellen gegeven in Tabel VI.12. De geschatte mogelijke fotocurrents voor standaard configuratie heterojuncties zijn hoger omdat de” dode laag “niet aanwezig is–de halfgeleider die de” voorste laag ” vormt is transparant voor de fotonen van belang. De fotocurrent wordt ook geschat voor Schottky barrier standaard configuratie zonnecellen. Het bestaan van een metaallaag aan de verlichte zijde van de zonnecel vermindert de potentiële fotocurrent drastisch en de in Tabel VI.12 aangegeven waarden zijn hoogstens schattingen.
tabel VI.12. De geschatte photocurrent stroomdichtheid (mA/cm2) in een standaard configuratie zonnecel, voor pn stap junction, heterojunction en Schottky knooppunt apparaten bij 300°K
| Halfgeleider – | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| heterojunction solar cells | ||||||
| AM0-voorwaarden | 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 Het is duidelijk dat de hoge absorptiecoëfficiënt van INP leidt tot ongewoon hoge recombinatieverliezen in de standaardconfiguratiezonnecellen van stap pn-knooppunten. Merk ook op dat, Voor elk van de voorbeeld halfgeleiders, er een daling is in de verwachte fotocurrentdichtheid van omgekeerde configuratie via verticale configuratie en standaardconfiguratie. Deze daling is gering wanneer verticale en omgekeerde configuratie zonnecellen worden vergeleken, maar van grote proporties wanneer standaard configuratie zonnecellen worden beschouwd. Men kan niet genoeg benadrukken dat de waarden van de verwachte dichtheid van de fotocurrent in de tabellen VI.10 tot en met VI.12 schattingen zijn en sterk afhankelijk zijn van de fabricagetechnieken die worden toegepast bij de bouw van de zonnecellen, op de oriëntatie van het kristaloppervlak en op de halfgeleider zelf. De hierboven genoemde waarden moeten realiseerbaar zijn, als voldoende zorg wordt uitgeoefend, maar “fouten” in fabricagetechnologie en oppervlaktevoorbereiding kunnen leiden tot aanzienlijke reducties.
het algemene doel van dit hoofdstuk is een raming te geven van de prestaties voor verschillende “realistische” situaties. De schattingen van de heterojunctie en de PN stapkoppeling van de fotocurrentdichtheid van tabel VI. 12 zijn redelijk. De Schottky fotostroomdichtheid schattingen zijn problematischer. Om fotonenpenetratie van de metaallaag bovenop een Schottky-diode mogelijk te maken, moet de laag zeer dun zijn (<500 Å) . Toch is er aanzienlijk verlies als gevolg van fotonreflectie en de fotocurrentdichtheid in dergelijke apparaten is klein.