Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Оптоэлектронные микро- и наноструктуры». Свистова Т.В
ной энергии используется фундаментальное физическое свойство полупроводников, а именно то, что фотон способен при поглощении генерировать электронно-дырочные пары в кристаллах, которые могут затем разделяться внутренним электрическим полем, и затем собираться на паре внешних контактов.
Для работы СЭ необходим хотя бы один p-n-переход, как показано схематически на рис. 1.1. Обычный n+-p- кремниевый солнечный элемент состоит из мелкого перехода, сформированного вблизи фронтальной поверхности, переднего омического контакта, изготовленного в виде полосок и штырей, и тыльного омического контакта, закрывающего всю обратную поверхность элемента. При освещении элемента носители заряда генерируются во всем его объеме, и тогда полный фототок можно рассчитать, зная плотность фототока в эмиттере, базе и обедненной области.
Рис. 1.1. Типичная структура солнечного элемента с p-n-переходом: 1 - контакт от лицевой поверхности предыдущего элемента; 2 - добавочный потенциальный
барьер p+ 0,2 мкм; 3 – слой p 250 - 400 мкм; 4 – слой n+ 0,2 - 1,0 мкм; 5 - противоотражательное покрытие; 6 - лицевой контакт; 7 - к тыльному контакту следующего элемента; 8 - металлический контакт с тыльной стороны.
4
Преобразование энергии в фотоэлементе (ФЭ) основывается на фотовольтаическом эффекте. ФЭ представляет собой систему из двух полупроводников с проводимостями p- и n-типа, находящихся в тесном контакте друг с другом. Переходная зона между областями с противоположными типами проводимости располагается внутри полупроводникового материала и называется p-n-(электронно-дырочным) переходом.
Благодаря тому, что по одну сторону от p-n-перехода в избытке находятся свободные электроны (n-область), а по другую – дырки (p-область), каждый тип этих свободных носителей тока будет иметь тенденцию диффундировать в ту часть полупроводникового материала, где имеется их недостаток (тепловая самодиффузия). Таким образом, дырки будут стремиться диффундировать из p-области в n-область, а электроны – наоборот.
Однако эта диффузия основных носителей тока не будет продолжаться до бесконечности. Диффузия электронов в p- область заряжает ее отрицательно, причем n-область вследствие ухода из нее некоторой части электронов заряжается положительно. Самодиффузия дырок действует в том же направлении, т.е. p-область заряжается отрицательно, а n- область – положительно. Диффундирующие дырки и электроны в виде двух слоев объемных зарядов скапливаются у p-n- перехода, создавая разность потенциалов между этими слоями. При этом в темноте вблизи от p-n-перехода со стороны p- области сосредотачивается отрицательный, а со стороны n- области – положительный объемный заряды. Электрической поле, образованное этими объемными зарядами, будет препятствовать дальнейшей самодиффузии основных носителей тока через p-n-переход.
Под действием света атомы полупроводника возбуждаются и в кристалле как в n-, так и p-областях возникают дополнительные пары электрон-дырка. Образовавшиеся электроны и дырки, участвуя в тепловом движении, перемещают-
5
ся в различных направлениях, в том числе и по направлению к p-n-переходу.
Благодаря наличию потенциального барьера электроннодырочный переход будет разделять главным образом диффундирующие к нему неосновные избыточные носители тока. В результате такого разделения в n-области кристалла будут накапливаться избыточные электроны, а в p-области – избыточные дырки. Скопление избыточных разделенных переходом электронов в n-области и дырок в p-области фотопреобразователя будет приводить к компенсации объемного заряда, сосредоточенного у p-n-перехода, т.е. к созданию электрического поля, направленного в сторону, противоположную тому полю, которое уже имелось там раньше. Энергетические диаграммы полупроводникового фотоэлемента показаны на рис. 1.2.
p |
|
n |
p |
h |
||||
|
|
диф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е |
|
|
|
||
Е |
|
|
|
|
|
qUxx |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
уровень |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ферми |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
q к |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n
h
q( к-Uxx)
а |
б |
Рис. 1.2. Энергетические диаграммы полупроводникового фотоэлемента: а - без освещения; б - при освещении, но без подключения к нагрузке
Образованное светом электрическое поле заряжает слой p-типа положительно, а слой n-типа – отрицательно. Между p- и n-областями возникает фотоэдс. Концентрация образованных светом избыточных носителей тока у p-n-перехода, а,
6
следовательно, и величина фотоэдс. зависят от интенсивности светового потока и величины нагрузочного сопротивления, включенного во внешнюю цепь ФЭ.
Если цепь ФЭ разомкнута (сопротивление нагрузки равно бесконечности), то все избыточные, разделенные переходом носители тока скапливаются у p-n-перехода и на максимально возможную величину компенсируют потенциальный барьер на переходе, создавая максимальное значение фото-
эдс, равное напряжению холостого хода Uxx.
Если ФЭ замкнут накоротко (сопротивление нагрузки равно нулю), то часть разделенных переходом избыточных носителей тока будут иметь возможность передвигаться через эту короткозамкнутую цепь, создавая максимальное значение тока – ток короткого замыкания. При этом у p-n-перехода никакого скопления избыточных носителей не будет. Потенциальный барьер имеет ту же высоту, что и в темноте, фотоэдс ФЭ равна нулю.
Если ФЭ замкнут на какое-то конечное сопротивление, то часть разделенных переходом избыточных носителей заряда затратит свою энергию на снижение потенциального барьера у p-n-перехода, а оставшаяся часть носителей создаст ток через нагрузку (ток короткого замыкания).
По своей сути СЭ представляют собой фотодиод с большой площадью p-n-перехода, спроектированный таким образом, чтобы обеспечить максимальный ввод света и его наиболее эффективное преобразование.
Для изготовления СЭ диодного типа применяется целый ряд материалов: 1) элементарные полупроводники (Si, Ge); 2) полупроводники типа AIIIBV(например, GaAs); 3) полупроводники типа AIIBVI (например, CdS); 4) органические материалы.
В зависимости от структуры используемого полупроводника солнечные элементы подразделяются на СЭ на основе кристаллических, поликристаллических, микрокристаллических, аморфных материалов.
7
В зависимости от используемой технологии СЭ диодного типа могут быть разделены на три больших класса: 1) на основе объемных кристаллических подложек (кремниевых, GaAs, Ge); 2) на основе тонких пленок кристаллического, аморфного и микрокристаллического кремния, CdTe, CuInSe2,(CIS), Cu(In1−xGax)Se2, (CIGS); 3) фотоэлектрические ячейки, в которых используется сенсибилизация красителями.
Основным материалом для изготовления солнечных элементов в настоящее время является кристаллический кремний. На рынке фотовольтаики доля солнечных элементов и модулей, произведенных на основе кристаллического кремния, сейчас превышает 90 %, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 - на монокристаллический. Столь широкое применение кристаллического кремния в фотовольтаике обусловлено развитой кремниевой технологией вообще и возможностью изготовления на его основе солнечных элементов наземного использования с наиболее приемлемым отношением эффективность/стоимость. Остальная часть рынка фотовольтаики приходится на пленочные элементы на основе других материалов, в том числе более 5 % составляют СЭ на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния.
Солнечные элементы на основе объемных монокристаллических и поликристаллических материалов обладают высоким КПД, стабильностью, но имеют высокую стоимость.
При тонкопленочной технологии на основе материалов с высоким коэффициентом поглощения, таких как CdTe, Cu(In, Ga)Se2, которые применяются в виде поликристаллических пленок, аморфный гидрогенизированный кремний ( -Si:H ) позволяет значительно снизить расход и стоимость используемого материала. Подобная технология является высокоэффективной при использовании таких материалов, менее энергозатратной и дешевой. К недостаткам таких СЭ можно отне-
8