Солнечные элементы
Шрифт:
Выше было показано, что в основной полосе поглощения полупроводника, определяющей область спектральной чувствительности солнечных элементов, изготовленных из этого материала, квантовый выход фотоионизации ?=1. Следовательно, эффективный квантовый выход солнечного элемента Qэф и коэффициент собирания носителей ? представляют собой практически одно и то же, поэтому обе эти величины будем теперь обозначать одинаково — коэффициент собирания Q.
Рис. 2.15.
1–0,5 мкм; 2–0,7; 3–0,8; 4–0,9; 5–0,95; 6–1,0; 7–1,05; 8–1,1;
1? — 0,5; 2? — 0,5; 3? — 0,7; 4? — 0,8; 5? — 0,9 мкм
Коэффициент собирания (по определению, отношение числа избыточных носителей заряда, разделенных p-n– переходом, к числу созданных светом электронно-дырочных пар), так же как и токи через p-n– переход представляет собой сумму коэффициентов собирания носителей из р- и тг-областей по обе стороны р-n– перехода
Q?=Qn+Qp=I?.3 /(1-r) qN1
где I?.3 определяется суммой электронного и дырочного токов из р- и n– областей, а распределение фотонов Ni солнечного света по глубине полупроводника l должно быть рассчитано, исходя из известной для данного полупроводника зависимости ? (?) (зависимости коэффициента поглощения ? от длины волны ?).
Результаты таких расчетов, выполненные с использованием зависимости ?(?) для кремния и арсенида галлия, представлены на рис. 2.15.
Для качественной оценки собирания носителей заряда из разных областей солнечного элемента или полупроводникового фотоприемника полезны также следующие данные о глубине проникновения в кремний оптического излучения различной длины волны ? (мкм), определяемой величиной 1/а (мкм):
Примечание. Два последних значения 1/? вычислены по данным рис. 2.1 и 2.15.
В ряде работ получены наглядные формулы расчета I?.3(?) и Q (?), позволяющие затем сделать некоторые обоснованные упрощения при определении отдельных оптических и электрофизических параметров полупроводникового материала, как правило сильно изменившихся в готовом солнечном элементе (по сравнению с исходными значениями) в ходе многочисленных термообработок во время длительного процесса изготовления элементов. Исходным моментом при выводе этих формул служат уравнения непрерывности, записываемые без учета поля[5] и с учетом его: в уравнения включаются члены, описывающие возрастание концентрации неосновных носителей заряда в единице, объема полупроводника при диффузии из окружающих областей материала, а также определяющие количество неосновных носителей, теряемых за счет рекомбинации, выражающие процесс генерации избыточных неосновных носителей светом или отражающие влияние электростатического поля и его градиента.
Составляющая I?.3,
I?.3б=qaLnN0 exp(-alп)/(1+aLn).
При базовом слое n– типа Ln в данном уравнении заменяется на Lp.
Это уравнение лежит в основе простого и достоверного метода определения диффузионной длины неосновных носителей в базовом слое солнечных элементов Ln (для базового слоя p– типа). Поскольку при измерениях I?.3 и Q в длинноволновой части спектра (длина волны около 1 мкм) поглощением в легированном слое можно пренебречь, то I?.3 и Q при этом обусловливаются базовым слоем. Например, спектральная зависимость коэффициента собирания представляется выражением
Q(?) =aLn exp(-?l?)/(1+?Ln).
В современных солнечных элементах In?0,15?0,5 мкм и для ?=1 мкм ?s1=80 см– 1, следовательно, член exp (-aln) близок к единице. Предыдущая формула еще больше упрощается:
Ln=Q(?)/?(1-Q(?)).
Измерив I?.3 солнечного элемента и коэффициент отражения при ?=1 мкм и зная Ni (см. рис. 2.15), а также q, легко определить Q при ?=1 мкм и затем Ln. Для более точной оценки аналогичные измерения целесообразно выполнить на трех близких длинах волн (например, 0,95; 1,0 и, 1,05 мкм) и взять затем среднее значение диффузионной длины, рассчитанное по трем измерениям.
Более сложными являются случаи, когда L как в легированном, так и в базовом слое неравномерна по глубине в результате преднамеренного создания тянущего поля повышенной эффективности или вследствие неоднородного введения радиационных или термических дефектов. Истинную диффузионную длину области базового слоя, подвергавшейся радиационному облучению, можно определить, если известны эффективная (суммарная — в поврежденной и неповрежденной частях базового слоя) диффузионная длина и диффузионная длина в неповрежденном материале. В настоящее время исследовано также влияние неравномерного повреждения базового слоя на спектральную чувствительность.
В ряде работ рассмотрены различные способы определения отдельных параметров солнечного элемента при некоторых упрощающих условиях расчета и эксперимента.
Так, предложен метод оценки диффузионной длины неосновных носителей в легированном слое по сопоставлению расчетных (при изменении параметра ln/L) и экспериментальных распределений коэффициента собирания в коротковолновой области спектра в том случае, если глубина залегания p-n– перехода измерена предварительно.