Dispositivo de Design Minoria Portadora Coleção
Quando a fabricação de junção pn ou heterojunction de células solares de qualquer configuração, a granel ou substrato região do dispositivo semicondutor é levemente ou moderadamente dopados com impurezas, enquanto a segunda região (o de cima ou de frente “camada” ou iluminado região em um padrão de configuração de célula, o fundo ou não iluminado da região em uma invertida da célula solar e uma fina e lado iluminado da região na vertical da célula solar) é fortemente dopar. Esta elevada concentração de impurezas é necessária para reduzir a resistência em série da célula solar e para permitir o contacto ohmico nesta região. Note que a grande concentração de impureza reduz a vida útil do portador e cria uma “camada morta”. Esta “camada morta” não é um problema em células solares de configuração invertida ou vertical, mas é de grande preocupação para as células solares de configuração padrão. Portanto, por razões de custo (quanto mais espessa uma região de uma célula solar, maior a despesa de fabricação) e, em células solares padrão, para minimizar a largura da “camada morta”, é desejável manter esta segunda região a uma espessura mínima.
do Capítulo III temos as seguintes expressões para a extensão do campo elétrico de junção para as regiões p – E n-de uma célula solar de junção PN step.
onde xn é o espaço de carga da região de expansão de distância para a n-região de junção (tomado como x = 0), xp, é a expansão para o p-região, a ∈ é a permissividade do semicondutor, ND é a concentração de impurezas no n-região, e NA é a concentração de impurezas no p-região. A quantidade, VD, é a tensão líquida através da junção e é dada por:
em que Vp é a fotovoltagem e VB é a tensão incorporada através da junção step e é determinada a partir de::
, onde k é de Boltzmann constante, T é a temperatura absoluta da junção e ni é a intrínseca portador de concentração*.
considere uma junção pn step com NL ≫ Ns#. Nesta situação, o valor de XL’, a largura da carga de espaço (ou campo elétrico) na “camada frontal” será zero (ver equação VI. 1). In a heterojunction solar cell this is also effectively the case since the difference in energy gap widths for the two materials forces the electric field to expand only into the semiconductor with the lower energy gap. Nas junções metal/semicondutor ou metal-óxido/semicondutor, o campo elétrico também se expande principalmente para a camada de substrato semicondutor. O valor de Xs, a largura de carga do espaço no substrato, é, no máximo, Xs’, onde:
Aqui, Xs ‘ foi calculado assumindo uma tensão incorporada igual à largura de intervalo de banda do semicondutor e uma concentração portadora igual ao valor intrínseco, ni.
a tabela VI. 2 apresenta um valor de Xs’ para os seis semicondutores de amostra.
tabela VI. 2. Extensão máxima da junção de campo elétrico (esgotamento ou de espaço de carga da camada), Xs’
| Semicondutores | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
| Xs’ (cm) | 0.031 | 0.891 | 2.08 | 3.45 | 19.66 | 53.1 |
Note-se que, sob as hipóteses feitas, esse campo elétrico (o esgotamento região) se estende para o semicondutor em mos e junções Schottky, no menor energia de gap do semicondutor em heterojunctions, e para a levemente dopado substrato região em pn passo cruzamentos. Lembre-se, também, que estamos considerando células solares com uma espessura prática total de 150 µm*. A largura do campo eléctrico indicada no quadro VI.2 é suficiente para preencher completamente a região do substrato para todas as células solares de configuração padrão, vertical e invertida. No entanto, a tabela VI. 2 baseia-se em três pressupostos; nenhum dos quais pode ser plenamente realizado em uma célula solar realista. A primeira suposição é que o substrato é intrínseco. Na prática, a tecnologia do início dos anos 90 não pode satisfazer esta exigência. Um valor mínimo de tecnologia razoável e limitado para Ns é da ordem de 1014 / cm3. Além disso, a fim de diminuir a corrente de fuga de saturação do diodo da célula solar, Ns geralmente precisa estar na ordem de 1015/cm3. A segunda suposição é que a tensão de junção é apenas a tensão embutida da junção passo e é igual à diferença de energia da junção pn (ou o gap de energia do semicondutor substrato em uma heterojunction, mos ou Schottky barreira célula solar. Na prática, a tensão de junção é sempre inferior à largura do intervalo de energia (ver equação VI. 3). Um terceiro fator que deve ser incluído em qualquer discussão sobre a largura da camada de depleção do substrato é que a célula solar se torna enviesada para a frente, devido à separação/coleta dos pares de furos-elétrons. Como resultado, a tensão, VD, na equação VI. 2 é reduzida, rapidamente,para alguma fração de um volt#.
para estimar a tensão de junção que realmente existe em uma célula solar de barreira de Schottky, considere o potencial máximo incorporado, ϕBo, para uma célula solar de barreira de Schottky. Dado esse valor, podemos substituir VB na Equação VI.2, e assim determinar a espessura da camada de depleção, built-in de tensão sozinho (por exemplo, para curtos-circuitos), Xss:
tabela VI.3 apresenta valores de voltagens de barreira de Schottky para os seis semicondutores em consideração e metais selecionados.
quadro VI. 3. Metal-semicondutor barreira de energias, ϕBo, em eV para os seis exemplo semicondutores (10-15)
| Semicondutores | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Metal | n-tipo de semicondutor | |||||
| 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 a barreira de valores listados na Tabela VI.3 depender de metais, semicondutores e sobre o semicondutor tipo. Os valores fornecidos são todos inferiores a um volts e inferiores ao intervalo de energia.
a junção mos é menos bem compreendida do que a junção Schottky. A partir de 1993, este tipo de célula solar foi construído principalmente em silício por causa da facilidade em fabricar a camada de óxido fino requerida (ver Capítulo V) com este semicondutor. Para este tipo de barreira, foram comunicados valores de energia de barreira de 0,85 (dióxido de alumínio e silício-sobre silício do tipo p) e 0,67 (crómio-sílica-sobre silício do tipo p). Os dados de outras fontes relativos às barreiras mos em substratos de arsenieto de silício e de gálio indicam valores semelhantes. Note-se que as correntes de fuga reduzidas, resultantes da camada de óxido, tornam estes dispositivos promissores; mesmo que, por enquanto, não seja suficientemente compreendido.
o objectivo do presente capítulo é estimar as eficiências das células solares de construção “prática”. Para isso, consideremos Schottky e mos junções sob um único título (Schottky) e selecionemos as melhores energias de barreira da tabela VI. 3 e da literatura. Em seguida, as energias máximas de barreira a serem encontradas, na prática, para as junções de Schottky podem ser consideradas como as do quadro VI. 4.
tabela 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. Assim, nem as junções metal-semicondutoras (Schottky) em CdSe tipo p nem as junções PN CdSe são viáveis. É possível construir dispositivos heterojunções usando CdSe tipo n como um lado da junção. Os valores indicados no quadro VI. 6 são estimativas para este caso.
para calcular potenciais incorporados de junção pn utilizamos a equação VI. 3. Como referido anteriormente, o valor potencial mínimo para a concentração de impureza do substrato, NS, é uma concentração de impureza de 1014/cm3. O valor para a concentração da “camada frontal”, NL, depende, em parte, se esta região é introduzida por difusão ou implantação iônica. É comum encontrar um valor efectivo para NL de 5 × 1019 / cm3. Combinando estes valores, com os valores de ni2 a 300 ° K do Capítulo III, temos para a tensão incorporada, os valores da tabela VI. 5.
tabela 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 | * |
* tipo-P CdSe não está disponível, então não há nenhuma barreira Schottky no tipo p CdSe, mas não pode ser um heterojunction em um n-tipo semicondutor.
é difícil prever o potencial de barreira eficaz de uma heterojunção. Uma estimativa aproximada pode ser efectuada observando a tensão de circuito aberto de uma célula solar heterojuncional. A partir de Sreedhar e Sahi e Milnes alguns valores de tensão de células solares de heterojunções de circuito aberto são: (1) n-Tipo GaP em P-tipo Si, 0,67 V; (2) n-Tipo GaP em P-tipo GaAs, 0.82 V; (3) GaP do tipo p em n-Tipo GaAs, 1.05 V; e (4) n-Tipo ZnSe em p-tipo GaAs, 0.925 V. Note-se que estes valores estão na ordem dos Do Quadro VI. 5 para junções pn. Cálculos de substrato depleção da camada de largura usando estes barreira tensões de conduzir a resultados semelhantes em magnitude para as pessoas que utilizam os resultados da Tabela VI.4 na Equação VI.5 para Schottky e Tabela VI.5 na Equação VI.3 para junções pn.para uma concentração de impureza de substrato de 1014 / cm3, podemos obter uma estimativa da largura da camada de depleção do substrato numa célula solar em condições de curto-circuito (a fotovoltagem é igual a zero). Estas larguras de depleção, por exemplo os semicondutores, são indicadas no quadro VI. 6.
tabela VI. 6. A “prática” máxima depleção da camada de largura (em µm) em semicondutores substratos para as seis exemplo semicondutores, como uma função dos vários tipos de junção e a uma temperatura de 300°K
| Semicondutores | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Metal-semicondutor barreira do tipo n, o semicondutor substrato | ||||||
| 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 | |
* CdSe do tipo P não está disponível por isso não há barreira de Schottky em CdSe do tipo p, mas pode haver uma heterojunção em um semicondutor do tipo n.
Observe que as larguras das camadas de depleção do quadro VI. 6 não são apenas muito menores que as larguras de campo elétricas do quadro VI. 2, mas também muito menores que a espessura de absorção óptica do semicondutor (150 µm). Se a separação/coleta de par de furos eletrônicos dependesse apenas da largura da camada de depleção, o desempenho das células solares de configuração padrão e invertida seria em grande parte negada. Felizmente, existem outros fenômenos que podem ajudar na produção de fotocorrentes. Estes fenômenos são usados para trazer os portadores opticamente gerados dentro do alcance do campo elétrico na camada de depleção de uma junção de células solares. Primeiro, considere o comprimento de difusão em um semicondutor e em que medida ele efetivamente estende a gama de coleta da camada de depleção.
uma vez gerado pela absorção de fótons nas regiões maiores (áreas sem campo elétrico) da célula solar, pares de furos-elétrons movem-se aleatoriamente através do semicondutor. Se houver uma junção no cristal semicondutor, haverá, naturalmente, um campo elétrico na vizinhança da junção. Este campo serve para coletar pares de buracos de elétrons e separá-los, produzindo assim um gradiente de concentração em pares de buracos de elétrons. Agora considere a região tipo p de uma célula solar. Elétrons nesta região, perto da região de depleção muitas vezes, aleatoriamente, movem-se para o campo elétrico. Quando isso ocorre, os elétrons são acelerados através da junção para o lado do tipo n. Um processo semelhante ocorre, é claro, para os buracos movendo-se aleatoriamente no lado do tipo n como eles são acelerados em direção ao lado do tipo p. O efeito desta remoção do portador minoritário é criar um gradiente de concentração de elétrons entre a região de massa no lado do tipo p e a borda da região de depleção. Assim, um elétron dentro de um comprimento de difusão da junção no lado do tipo p será coletado (o mesmo vale para buracos dentro de um comprimento de difusão da junção no lado do tipo n). O comprimento de difusão, L, é dado por:
em que, a partir do Capítulo III:
O tempo de vida τ, e mobilidades, μ, para os semicondutores sendo utilizadas como exemplos neste trabalho foram discutidos no Capítulo III. De recordar que estas propriedades do material são funções da temperatura e concentração de impurezas. Neste capítulo estamos considerando a operação de células solares à temperatura ambiente (27°C). A discussão anterior sobre a largura da camada de depleção utilizou uma concentração de impureza do substrato de 1014/cm3 e uma concentração de impureza elevada de “camada frontal” de 5 × 1019/cm3. Algumas palavras adicionais sobre a “praticidade” destas concentrações estão em ordem. A concentração da “camada frontal” varia com a distância para o semicondutor. Se a “camada frontal” é o resultado de um processo de difusão, a concentração de impureza na superfície é muito maior do que a da junção. Normalmente, NL (x) seguirá uma curva de função de erro com uma concentração superficial bem acima da banda de condução ou da densidade da banda de Valência dos Estados (ver Apêndice B e). Se a “camada frontal” é o resultado da implantação iônica, a densidade de impureza atinge um pico a alguma distância do semicondutor; a distância determinada pelo semicondutor, sua orientação cristalina, as espécies de impureza e a energia do implante . Utilizando tecnologias modernas , como a epitaxia do feixe molecular, é possível manter a concentração da “camada frontal” em aproximadamente a densidade do nível dos estados, que é de aproximadamente 5 × 1019/cm3. Esta concentração de impureza é alta o suficiente para afetar negativamente a vida útil da” camada frontal”, mas também é alta o suficiente para suportar uma fina” camada frontal ” sem resistência excessiva.
a concentração de impureza do substrato deve ser pequena a fim de aumentar o comprimento de difusão e a largura da camada de depleção, mas precisa ser suficientemente alta para reduzir a resistência da célula solar em série. Esta massa resistência em série, rD, é dada por:
, onde 1 é o comprimento do substrato (geralmente considerado como sendo de 150 µm neste trabalho); AD é a junção da área da célula solar, que assumimos é igual à área da seção transversal do substrato; µSm é o substrato maioria mobilidade do portador de; e Ns é a concentração de impureza no substrato. No Capítulo V, em conexão com a corrente de saturação, usamos uma concentração de impureza de substrato de 1016/cm3. Isto produziu um baixo valor de densidade de corrente de saturação. Anteriormente neste capítulo utilizávamos uma concentração de impureza de substrato de 1014 / cm3 porque este valor produz uma maior largura da camada de depleção, ao custo do aumento da densidade da Corrente de saturação. Na prática, uma concentração portadora de aproximadamente 1015/cm3 proporciona um equilíbrio satisfatório entre a resistência em série, o comprimento de difusão, a corrente de saturação e a tecnologia de processamento.
Usando um valor de NS igual a 1015/cm3 e um valor de NL igual a 5 × 1019/cm3, em conjunto com o mobilidades e valores de vida útil do Apêndice B, a literatura e o Capítulo III, temos os dados fornecidos na Tabela VI.7. Isto será usado como entrada para o cálculo dos comprimentos de difusão minoritários nos substratos de células solares feitos a partir de nosso exemplo semicondutores.
quadro VI. 7. Os valores estimados de concentração de impurezas, minoria portadora de mobilidade e tempo de vida, como funções de semicondutores para uma temperatura de 300°K e seis exemplo semicondutores
| Semicondutores | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| “Frente Camada” | ||||||
| Concentração (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 |
Em um “realista” da célula solar, tanto a minoria portadora de mobilidades e vidas pode ser bem menor do que os valores fornecidos na Tabela VI.7, especialmente se o processamento envolvido na fabricação da célula solar é de grande qualidade. No entanto, as mobilidades e as vidas fornecidas no quadro VI. 7 são realizáveis e levam aos comprimentos de difusão do quadro VI. 8.
tabela VI. 8. Estimado minoria portadora de difusão de comprimentos n e tipo-p regiões de células solares, empregando o exemplo de semicondutores, a 300°K
| Semicondutores | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| “frente camada de” difusão de comprimento (µm) | ||||||
| p-tipo de camada | 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 |
a Partir de uma discussão sobre “dead layer” de espessura, no Capítulo V, é fortemente dopado “frente camada de” região no padrão ou configuração vertical etapa de junção e heterojunction células solares deve ser pequeno, com uma espessura máxima em um mícron. Uma vez que esta região tem uma vida útil baixa (Ver quadro VI. 7), e a velocidade de recombinação da superfície de regiões fortemente dopadas é elevada, é improvável que uma grande percentagem de portadores seja recolhida e separada nesta região. Os comprimentos de difusão para a “camada frontal” fornecidos na tabela VI. 8 são, portanto, adequados. O substrato, no entanto, é outra questão. Para qualquer configuração da célula solar, os pares de furos de elétrons serão gerados pela absorção de fótons dentro de alguma distância da superfície iluminada. Das figuras IV. 7 e IV. 8, esta distância é indicada no quadro VI. 9.
quadro 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. Isto resulta em uma perda na energia solar potencialmente convertível de aproximadamente 5% para células solares à base de silício. Note que, para o outro exemplo semicondutores, a absorção ocorre tão rapidamente que esta espessura limitada de células solares não tem efeito. Comparando os valores de absorção óptica profundidade na Tabela VI.9 com a difusão comprimentos apresentados na Tabela VI.8, vemos que, para 150 µm de espessura de células solares a difusão comprimentos para todos os seis exemplo semicondutor materiais são adequados para coletar todas as opticamente gerado portadores de carga para a configuração padrão de células solares*.
considere as células solares de configuração invertida e vertical. Das nossas discussões sobre as figuras VI. 1 e VI. 2 e as tabelas VI. 9, é possível, nestas configurações, que a geração de par de furos ópticos-electrões ocorra a uma distância que se aproxima de 150 µm da junção. Considerando os comprimentos de difusão minoritários da tabela VI. 8, observamos que, se o substrato é tipo p, então silício, fosforeto de índio, arsenieto de gálio e telureto de cádmio têm o potencial de coletar quase todos os pares de furos-elétrons. Nem todos, porque, mesmo no caso do Silício com o seu comprimento de difusão minoritário de 557 µm, o comprimento de difusão em qualquer um destes semicondutores exemplo nunca é mais de quatro vezes o limite de 150 µm. Para o fosforeto de índio e o arsenieto de gálio, o comprimento de difusão é aproximadamente igual à distância máxima de geração de 150 µm. No caso de substratos do tipo n, apenas o silício tem um comprimento de difusão minoritária suficientemente grande, o suficiente para assegurar a coleção da maioria dos pares de furos-elétrons.
Existe uma fonte adicional de perda portadora de carga. A superfície iluminada das células solares de configuração da junção vertical é formada por seccionamento da bolacha original (ver a discussão em associação com a figura VI. 2). Este procedimento aumenta a velocidade de recombinação da superfície e reduz a fotocorrente destes dispositivos. Note que este problema não é tão grave com as células solares de configuração invertida. Para esta configuração do dispositivo, o processo de fabricação é adaptado para minimizar a velocidade de recombinação da superfície. Em Configuração padrão células solares a recombinação da superfície contribui para a” camada morta ” e, portanto, já foi levado em consideração. Finalmente, note que, no contato com o substrato, assume-se que a recombinação da superfície é essencialmente infinita (veja a discussão no Capítulo III). Isto produz um gradiente de concentração minoritário na vizinhança do contacto com o substrato, que funde os porta-cargas na direcção errada. Estudo da figura VI.1 irá demonstrar ao leitor que este problema não é importante para as células solares de configuração padrão e para as células solares de configuração invertida com o seu substrato contactos na superfície não iluminada. É, no entanto, de importância para as células solares de junção vertical, resultando em uma “camada morta” perto do contato do substrato e reduzindo o desempenho geral para a célula solar.
existe uma solução para todos estes problemas; uma solução que tem a vantagem adicional de reduzir a resistência da série de substratos. Considere o diagrama energia / distância para a célula solar apresentado na figura VI. 3.
Figura VI.3. Uma célula solar com uma concentração variável de impureza no substrato. Ec é a aresta inferior da banda de condução, EF é o nível de Fermi e Ev é a aresta superior da banda de Valência.
na figura VI.3 altamente dopado “frente camada” supõe-se que a uma constante concentração de impurezas de aproximadamente 5×1019/cm3 Em x = 0 (junção) o substrato é relativamente pouco dopado (uma impureza com concentração de cerca de 1019/cm3), mas a concentração de impurezas (aceitador no exemplo da Figura VI.3) do substrato é maior a distância da junção é maior. O resultado é um campo elétrico incorporado que impele os portadores minoritários para a junção. Este campo elétrico é dado por:
em que Ns (x) é a concentração de impureza do substrato. Isto varia de aproximadamente 1014 / cm3 a um valor na ordem de 1017 a 1018/cm3 (um valor inferior a um décimo da densidade efetiva de estados para o substrato*). Observe que, se desejamos um valor constante do campo elétrico, E, em seguida, o substrato concentração de impurezas serão:
onde Ns(s) é o substrato concentração de impurezas na junção e x é positivo para o substrato#.
Assume um substrato de 150 µm de largura. Em seguida, para um campo elétrico no substrato de 16 volts/cm, a razão Ns(150)/Ns(o) é de dez mil. Dado esse campo, estendendo a largura do substrato, podemos coletar essencialmente todos os pares de furos-elétrons gerados no substrato e transportá-los para a borda da camada de depleção. Por sua vez, a camada de depleção separa os pares buraco-elétrons. Como vantagem adicional, o substrato Classificado aqui discutido também serve para dissociar a velocidade de recombinação da superfície no contato com o substrato .
considere a fotocorrente que pode ser esperada em uma célula solar de configuração padrão, invertida ou vertical. Suponha que temos uma célula solar de configuração invertida, com um substrato graduado, revestimento anti-reflexo 95% eficiente e 100% de eficiência de coleta para todos os pares de buracos-elétrons gerados. A densidade de fotocorrentes prevista é a da tabela VI. 10.
quadro 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 |
No caso de uma configuração vertical da célula solar, devemos incluir perdas adicionais de recombinação de superfície, devido ao fato de que a superfície, que é iluminado tem sido cortadas a partir de um wafer (ver a discussão que acompanha a Figura VI.2). Assumindo uma velocidade razoável de recombinação superficial de 10 000 cm/segundo e utilizando os dados dos quadros VI. 7 e III.8, podemos estimar que a densidade máxima de fotocorrentas realizável será de cerca de 5% abaixo das fotocurrents da célula solar invertida, rendendo os números da tabela VI. 11.
Figura VI.8. Fotovoltage when the delivered solar cell power is a maximum, VD’, for standard configuration solar cells, as a function of barrier and substrate, under AM1 light, at 300°K and for six example semiconductors.
Símbolos de junção: H para heterojunction, P para PN junction, S para Schottky barrier e B para PN e heterojunctions.símbolos de substrato: n para o tipo n, p para o tipo p E e para cada tipo.
quadro VI. 11. A estimativa de densidade de fotocorrente (mA/cm2) em uma configuração vertical da célula solar a 300°K
| Semicondutores | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AM0-condições | 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. Há perdas adicionais de recombinação devido à” camada morta “(que é um resultado da” camada frontal ” fortemente dopada) em junções de passo pn, a partir dos efeitos de interface em uma célula solar heterojunction e a partir de efeitos de reflexão no caso de mos e células solares de junção Schottky. Na tabela seguinte é fornecida a densidade estimada de fotocorrentas para uma célula solar de configuração padrão. No caso de uma junção de passo pn, a “camada frontal” é fina para minimizar a espessura de “camada morta” (mantendo esta camada de 0,3 a 0,6 µm de espessura). A camada” morta “não preenche completamente a” camada frontal”, mas compreende o terço superior ou assim. Assumindo que esta “camada morta” está, de facto, totalmente morta, e utilizando as figuras IV. 10 e IV. 11, a densidade máxima estimada de fotocorrentas para as células solares de junção PN step de configuração padrão é fornecida no quadro VI. 12. As possíveis fotocurrents estimadas para heterojunctions de configuração padrão são maiores porque a ” camada morta “não está presente–o semicondutor formando a” camada frontal ” sendo transparente para os fótons de interesse. A fotocorrent também é estimada para as células solares de configuração padrão Schottky barrier. A existência de uma camada de metal no lado iluminado da célula solar reduz drasticamente a potencial fotocorrente e os valores indicados na tabela VI. 12 são, na melhor das hipóteses, estimativas.
quadro VI. 12. A estimativa de densidade de fotocorrente (mA/cm2) em uma configuração padrão da célula solar, para pn etapa de junção, heterojunction e Schottky de junção de dispositivos de 300°K
| Semicondutores | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| heterojunction de células solares | ||||||
| AM0-condições | 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 é evidente que o elevado coeficiente de Absorção Do InP resulta em perdas invulgarmente elevadas de recombinação nas células solares de configuração padrão da junção PN. Note também que, para cada um dos exemplos de semicondutores, há um declínio na densidade esperada de fotocorrentas de configuração invertida através de configuração vertical e para configuração padrão. Este declínio é menor quando as células solares de configuração vertical e invertida são comparadas, mas de grandes proporções quando as células solares de configuração padrão são consideradas. Ele não pode ser subestimada-se que os valores esperados densidade de fotocorrente em Tabelas VI.10 a VI.12 são estimativas e fortemente dependente do de técnicas de fabricação empregadas na construção de células solares, sobre a superfície do cristal de orientação, e no semicondutor de si. Os valores listados acima devem ser realizáveis, se o cuidado suficiente for exercido, mas” erros ” na tecnologia de fabricação e preparação superficial podem resultar em reduções substanciais.o objectivo geral do presente capítulo é fornecer uma estimativa do desempenho para várias situações “realistas”. As estimativas da densidade das fotocorrentes da heterojunction e da junção pn step da tabela VI. 12 são razoáveis. As estimativas de densidade de fotocorrent de Schottky são mais problemáticas. Para permitir a penetração de fótons na camada de metal no topo de um diodo Schottky, a camada deve ser muito fina (<500 Å) . Mesmo assim, há uma perda considerável devido à reflexão de fótons e a densidade de fotocorrentes em tais dispositivos é pequena.