Книги по разным темам Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 | 4 | 5 |

тотока Iph(V ), возбуждаемого излучением с = 400 нм Концентрация нескомпенсированных акцепторов в слое (для CdTe это соответствует = 3 105 см-1 [10]). Для CdTe находится в интервале (0.3-3) 1016 см-3. Для удобства сравнения каждая из рассчитанных зависимодальнейшего наиболее важно, что даже в высокоомстей (V ) нормировкой приведена к экспериментальной ной пленке CdTe концентрация нескомпенсированных кривой при V = -1.5 В. Как видно из рисунка, ход экспепримесей довольно высока, следствием чего является риментальной зависимости Iph(V ) практически совпадаотносительно узкая ширина области пространственного ет с кривой, рассчитанной при Na - Nd = 3 1015 см-3, заряда и, значит, высокая напряженность электрического и заметно расходится с кривыми, рассчитанными при других значениях Na - Nd. Если при расчете концен- поля, препятствующая поверхностной рекомбинации.

трацию нескомпенсированных акцепторов принять втрое большей или меньшей, рассчитанная кривая заметно 4.3. Время жизни неосновных носителей ДповорачиваетсяУ относительно экспериментальной по Фотоэлектрические измерения позволяют определить или против часовой стрелки соответственно.

Полученные результаты приводят к выводу, что и другой ключевой параметр, определяющий эффективконцентрация нескомпенсированных акцепторов в ность собирания заряда в гетероструктуре CdS/CdTe, Ч Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных... 5. Потери, обусловленные рекомбинацией в области пространственного заряда Генерация электронно-дырочной пары дает вклад в фототок в цепи фотовольтаической структуры при условии, что и электрон, и дырка пройдут область пространственного заряда без рекомбинации или захвата уровнем в запрещенной зоне полупроводника. Рассмотрим, какие условия для этого должны выполняться.

Расстояние, которое электрон проходит вдоль поля в течение времени жизни n без рекомбинации (захвата), определяется его подвижностью n (часто оперируют произведением nn) и напряженностью электрического поля F:

n = nFn. (31) Аналогично определяется и средняя длина дрейфа дырки:

Рис. 11. Сопоставление экспериментальных зависимостей p = pFp. (32) фототока Iph, возбуждаемого излучения с = 830 нм, от наПроблема эффективности собирания заряда усложпряжения с расчетом по формуле (30). Отсечка на оси абсцисс няется тем, что электроны и дырки имеют различдает значение -Ln/W1. 1, 2 Ч разные образцы.

ные времена жизни и подвижности. Пусть электроннодырочная пара возникла в обедненном слое толщиной W на расстоянии x от отрицательно заряженного электрода время жизни неосновных носителей (электронов) в (см. рис. 4). Чтобы покинуть обедненный слой, электрон нейтральной области слоя СdTe. В самом деле, при мадолжен пройти путь x, а дырка W - x. Если электрон лых значениях коэффициента поглощения числитель имеет большее время жизни и большую подвижноcть и знаменатель первого слагаемого в выражении (28) (для CdTe произведение nn не менее чем на порядок становится равным 1 и мы имеем известную формулу превышает произведение pp), наиболее благоприятные Гартнера [34] для разделения зарядов условия создаются вблизи сечения x = W, а наименее благоприятные вблизи x = 0.

exp(-W ) В случае однородного электрического поля () =1 -. (29) 1 + Ln (F = const) эффективность собирания заряда описывается известным уравнением Гехта [35,36]:

Если к тому же коэффициент поглощения настольn W - x p x ко мал, что W 1, разложение в ряд дает c = 1 - exp - + 1 - exp -.

exp(-W ) 1 - W и W n W p (33) Ln + W Ln + W1 0 - qV В диодной структуре проблема дополнительно услож() = =, (30) 1 + Ln 1 + Ln няется из-за неоднородности электрического поля в области пространственного заряда. Воспользуемся тем, т. е. при малых значениях коэффициента поглощения что согласно формуле (19) напряженность электриче-( W ) фотоэлектрическая эффективность становит ского поля линейно уменьшается от поверхности в глубь ся линейной функцией 0 - qV.

полупроводника и поэтому учет неоднородности поля В соответствии с выражением (30) на рис. 11 приможет быть сведен к замене F в формулах (31) и (32) ведены зависимости фототока, возбуждаемого излучесредними значениями F на участке (0, x) для электронов нием с = 850 нм ( 500 см-1, т. е. -1 = 20 мкм, и на участке (x, W ) для дырок:

что намного больше W ), от 0 - qV. Как вид1 2(0 - qV ) x но, полученные зависимости хорошо аппроксимируF(x,W) = 1 - + ются прямыми линиями. Пересечение с осью абс- 2 qW W цисс одной из них (точки и прямая 1) дает зна- (0 - qV ) x чение -1.72 эВ-1/2, которое согласно (30) равно = 1 -, (34) qW W -Ln/W1. Принимая Na - Nd = 3 1015 см-3, получа ем W1 = W / 0 - qV = 6 10-5 см эВ-1/2, и далее 1 2(0 - qV ) 2(0 - qV ) x Ln 9 10-4 см. Используя соотношение Ln =(nDn)1/2 F(0,x) = 2 qW + qW 1 - W и приняв Dn = 25 см2/с, находим время жизни электронов n 5 10-10 с. Для другого образца (точки и (0 - qV ) x = 2 -. (35) прямая 2) n 4 10-11 с.

qW W Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 742 Л.А. Косяченко Рис. 12. Эффективность собирания заряда в диоде Шоттки на p-CdTe в зависимости от координаты возникновения электроннодырочной пары при различной концентрации нескомпенсированных акцепторов, времени жизни носителей 10-10 с (a) и различном времени жизни носителей, концентрации нескомпенсированных акцепторов 1015 см-3 (b).

Итак, для диода Шоттки на основе p-CdTe уравнение скорость поверхностной рекомбинации S. Акцентируя Гехта приобретает вид внимание на достижении максимальной эффективности собирания заряда, ограничим диапазон изменения паpF(x,W)p W - x раметров: Na - Nd > 1015 см-3, времена жизни носиc = 1 - exp W pF(x,W)p телей > 10-9 с. Верхний предел изменения установим Na - Nd = 1018 см-3 и n0 = p0 = 3 10-6 с Чвеличина, nF(0,x)n x близкая к рекордному времени жизни, наблюдаемому + 1 - exp -. (36) W nF(0,x)n для CdTe. Важно, что при таких условиях практически можно пренебречь рекомбинацией в области пространНа рис. 12 приведены кривые эффективности собиственного заряда, т. е. при расчетах эффективности собирания заряда c(x), рассчитанные по формуле (36) при рания заряда можно пользоваться формулой (28).

фиксированном времени жизни носителей и различных Расчет плотности тока короткого замыкания Jsc значениях Na - Nd (a), а также при фиксированном проведем для условий солнечного облучения АМ1.5, значении Na - Nd и различном времени жизни носитеиспользуя для спектрального распределения излучелей (b). Как видно, при низкой концентрации нескомния таблицы Международной организации стандартипенсированных акцепторов (1014-1015 см-3) и малом зации ISO 9845-1 (1992) [37]. Спектральную плотвремени жизни носителей (10-9-10-10 с) потери на реность потока фотонов излучения найдем как /hi, i комбинацию в области пространственного заряда могут где Ч спектральная плотность мощности излучения i быть значительными. Однако при Na - Nd > 1016 см-3 (мВтсм-2 нм-1), hi Ч энергия фотона (эВ). Тогда и времени жизни носителей больше 10-8 с такого типа (i) потерями можно пренебречь.

i Jsc = q T (i) (i) i, (37) hi i 6. Плотность тока короткого где q Ч как и раньше, заряд электрона, (i) Чмозамыкания и коэффициент нохроматический квантовый выход, определяемый выраполезного действия солнечного жением (28), T (i) Ч коэффициент пропускания слоев, элемента CdS/CdTe предшествующих поглощающему слою CdTe (с учетом отражений на границах раздела) на длине волны i, Полученные результаты позволяют уточнить неко- i Ч интервал длин волн между соседними в таблице торые требования к параметрам материала и барьер- значениями i. Скорость поверхностной рекомбинации ной структуры, обеспечивающим высокую эффектив- примем равной 107 см/с, а 0 - qV = 0.7эВ.

ность собирания заряда в солнечных элементах на На рис. 13, a приведены результаты расчета Jsc при основе CdTe. Из изложенного следует, что наиболее условии, что все фотоны полного (а не только прямого) важными такими параметрами являются концентрация солнечного излучения АМ1.5 достигают фронтальной нескомпенсированных акцепторов Na - Nd, время жиз- поверхности слоя CdTe, т. е. при K(i) =1. Из предни носителей заряда в обедненном слое n = p и ставленных результатов следуют важные практические 0 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных... Рис. 13. a Ч плотность тока короткого замыкания Jsc в условиях солнечного облучения АМ1.5 в зависимости от времени жизни носителей при различных концентрациях нескомпенсированных акцепторов Na - Nd (значения указаны); J0 Ч значение Jsc sc при полном собирании заряда. b Ч отражательная способность солнечного модуля CdS/CdTe (R) и пропускание слоя CdS (TCdS).

выводы: эффективное собирание заряда происходит при значение Jsc = 26.7 мА/см2 [5]) соответствует 61% условии, что время жизни носителей и концентрация мощности падающей солнечной энергии, т. е. нескомпенсированных акцепторов Na - Nd превышают из 96 мВт/см2 при условии полного облучения АМ1.5.

10-7-10-8 с и 1016-1017 см-3 соответственно. При Приходится, таким образом, внести коррективы в меньших Na - Nd плотность тока короткого замыка- сформулированные выше требования к концентрации ния уменьшается из-за поверхностной рекомбинации, нескомпенсированных акцепторов и времени жизни ноа при меньшем времени жизни электронов Ч из-за сителей. Главной причиной низкой эффективности исуменьшения вклада диффузионной составляющей фото- следуемых модулей CdS/CdTe является малое время тока. Плотность тока короткого замыкания Jsc вплот- жизни носителей (10-10-10-11 с), что обусловлено именую приближается к максимально возможному значе- ющимися в CdTe примесями и дефектами.

нию J0 = 29.2 мА/см2, когда Na - Nd > 1017-1018 см-Рассмотрим теперь влияние оптических потерь на sc (значение J0 найдено из (37) при (i) =1). Хотя эффективность фотоэлектрического преобразования в sc при столь высокой концентрации нескомпенсированных гетеропереходе CdS/CdTe на стеклянной подложке Ч акцепторов в области пространственного заряда по- наиболее распространенной конструкции солнечного глощается относительно малая часть излучения, высо- элемента на основе CdTe. Для такой конструкции плоткая эффективность фотоэлектрического преобразования ность тока короткого замыкания Jsc уменьшается из-за достигается за счет диффузионной компоненты фото- отражения от границ раздела воздух/стекло, стекло/ITO, тока, для чего время жизни носителей должно быть ITO/CdS, CdS/CdTe, а также из-за поглощения главным достаточно большим ( 10-6 с). Заметим, что значе- образом в слое CdS. Потери на отражение могут быть нию J0 = 29.2 мА/см2 (рекордное экспериментальное существенно уменьшены в результате нанесения анsc тиотражающего покрытия. Большую проблему составляет поглощение излучения в слое CdS, поскольку при его Плотность тока короткого замыкания тонкопленочной фотоутоньшении возникает угроза ДнемонолитностиУ слоя.

вольтаической структуры на основе CdTe для условий прямого Учесть потери на поглощение в слое CdS можно, и полного солнечного облучения, рассчитанная для концентравоспользовавшись результатами измерения оптического ции нескомпенсированных примесей 1015-1017 см-3, времени жизни электронов 10-8-10-6 с пропускания стеклянной подложки с нанесенным слоем ITO (TITO), а также двойным слоем ITO + CdS (TITO+CdS).

Jsc, мА/см2 Для оценки можно принять, что пропускание слоя CdS определяется как Прямое Полное Конфигурация TITO+CdS облучение облучение TCdS =, (38) TITO 1. Базовая структура 13.5-14.4 17.0-18.хотя условия отражения на границе раздела CdS/ITO 2. Антиотражающее покрытие, 16.2-17.2 21.0-22.и CdS/CdTe отличаются (коэффициент отражения в поглощение слоем CdS последнем случае меньший, поэтому пропускание, най3. Антиотражающее покрытие, 18.5-20.6 27.2-28.минимизация поглощения в CdS денное по формуле (38), оказывается несколько зани4. Отсутствие потерь 21.9 29.женным). Найденное таким путем пропускание слоя Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 744 Л.А. Косяченко Рис. 14. a Ч вольт-амперные характеристики при освещении солнечного элемента CdS/CdTe с антиотражающими покрытиями при различных временах жизни электронов и Na - Nd = 1016 см-3 (условия облучения АМ1.5). b Ч предельные значения коэффициента полезного действия солнечного элемента CdS/CdTe в зависимости от времени жизни носителей : 1 Ч без принятия каких-либо мер, 2 Ч со 100%-ми антиотражающими покрытиями, 3 Ч с антиотражающими покрытиями и устранением поглощения слоем CdS; концентрация нескомпенсированных акцепторов в слое CdTe Ч 1016 см-3 (сплошные линии) и 1017 см-(штриховые).

CdS показано на рис. 13, b. Чтобы оценить потери, обу- достаточно низкоомным ( = 0.1-1Омсм), чтобыможсловленные отражением от фронтальной поверхности но было пренебречь падением напряжения на послемодуля CdS/CdTe без антиотражающего покрытия, там довательном сопротивлении нейтральной части слоя же приведена кривая 1 - R, где R Ч измеренная от- CdTe и принять формулу (39) без поправок. Чтобы пренебречь влиянием рекомбинации в обедненном слое, ражательная способность модуля. Как видно, отражение будем считать, что время жизни неосновных носителей на границах раздела и поглощение слоем CdS приводит (электронов) превышает 10-8 с (его максимальное знак заметному уменьшению плотности тока короткого чение в CdTe не превышает нескольких микросекунд), а замыкания (10Ц20%).

чтобы исключить влияние поверхностной рекомбинации, В таблице сведены результаты расчетов Jsc, провеконцентрацию нескомпенсированных акцепторов в слое денных для различных структур солнечного элемента CdTe примем Na - Nd = 1016-1017 см-3. Для оценки CdS/CdTe. Приведены данные для случая, когда какиепредельно возможных значений коэффициента полезнолибо меры по уменьшению оптических потерь не предго действия будем также считать, что высота барьера на принимаются, при сведении отражательной способности контакте составляет не менее 1.1-1.3эВ.

модуля к нулю в результате использования антиотражаНа рис. 14, a представлены вольт-амперные хающих покрытий, при минимизации поглощения в слое рактеристики, рассчитанные по формуле (39) при CdS и, наконец, при полном отсутствии каких-либо Na - Nd = 1016 см-3 и трех значениях времени жизоптических потерь. Как видно, если не предпринимать ни носителей n0 = p0 (10-8-10-6 с). Плотность тока специальных мер, потери, обусловленные отражением короткого замыкания принята равной 22.4 мА/см2, что от границ раздела и поглощением в слое CdS, могут сосоответствует полному солнечному облучению источставлять 25Ц30% от максимально возможной плотности ником АМ1.5 диодной структуры с антиотражающими тока короткого замыкания.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 | 4 | 5 |    Книги по разным темам