Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 5.4.1 представлен солнечный спектр н спектральные кривые для обычного солнечного элемента на основе a-Si: Н с р-/'-и-переходом и для каскадного солнеч-
Рис. 5.4.1. Солнечный спектр в условиях АМ-1:
1 - расчетная эффективность собирания; (а - общая; 6 — верхний элемент; в - нижний элемент); 2 - солнечный спектр
ного элемента, содержащего в активной зоне два слоя нз материалов, различакнцих-ся шириной запрещенной зоны'[59, 60]. Расширение области спектральной чувствительности обусловлено вторым Элементом, состоящим из слоя собственного а-SiGe : Н н слоев a-Si: Н р- и «-типов.
Ожидаемая более высокая эффективность солнечных элементов каскадного типа по сравнению с обычными элементами с одним переходом является результатом расширения области спектральной чувствительности н более высокого напряжения холостого хода в них. Напряжение холостого хода в каскадных солнечных элементах есть сумма напряжений холостого хода каждого перехода в элементе. Другими словами, энергетические потери нз-за неоптимапьности соотношения hv - Eg уменьшаются в каждом переходе для соответствующих спектральных областей.
Структуры каскадного типа были предложены для солнечных элементов на основе кристаллических полупроводников, таких как GaAs и родственных соединений в качестве составляющих материалов [ 61 ].
Многие исследователи стремились реализовать теоретические предсказания, но экспериментальные условия к успеху не привели. Это, с одной стороны, обусловлено несоответствием постоянных решетки материалов, различающихся шириной запрещенной зоны, а, с другой стороны, связано с трудностью получения высококачественного материала с узкой шириной запрещенной зоны.
Аморфные полупроводники обладают относительно большой "эластичностью" постоянных решетки. Поэтому в структурах каскадного типа, изготовленных из аморфных полупроводниковых материалов, упругие напряжения в решетке относительно ниже, чем в элементах на основе кристаллических материалов.
Солнечные элементы со структурой каскчдного типа на основе аморфных полупроводников были предложены независимо Марфаингом [62], Делалом [25, 63] и Ханаком [64, 65]. Их ранние экспериментальные результаты были малообещающими. Одним из факторов, лимитирующих совершенство элемента, является сложность осаждения материалов с более узкой шириной запрещенной зоны; другой проблемой является потеря согласования между верхними и нижними переходами.
258
В разделе 4.1 описаны недавние результаты по улучшению условий осаждения и оптоэлектронных свойств материала с узкой оптической шириной запрещенной зоны, такого как пленка a-SiGe. В данной работе представлены результаты, относящиеся к конструированию, производству н фотовольтаическим характеристикам элементов каскадного типа с применением пленок a-Si: Н н a-SiGe : Н. Рассмотрены некоторые аспекты их дальнейшего совершенствования, связанные с конструкцией элементов на улучшенных пленках. Выполнены теоретические расчеты, учитывающие влияние плотности локализованных состояний и прямого напряжения смещения на эффективность собирания носителей.
5.4.2. Конструкция многослойных или каскадных солнечных элементов
Справедливость использованного анализа оценивалась путем его применения к солнечным элементам с одним переходом.
В случае солнечного элемента на основе a-Si: Н диффузионная длина неосновных носителей находится в пределах 0,15 мкм, так что фототок главным образом создается и движется под действием диффузионного поля в истощенном слое. Таким образом, поведение истощенного слоя в солнечном элементе под действием света и приложенного напряжения и процессы рекомбинации носителей существенно отличаются от таковых в кристаллическом материале.
Расчет солнечных элементов с одним переходом
Сначала рассматриваются результаты теоретического расчета процесса фотовольтаического преобразования в a-Si: Н-солнечном элементе с р -i-«-переходом.
При расчете распределения заряда в пленке a-Si: Н предполагается следующая U-образная функция распределения состояний в запрещенной зоне:
g(E) = l/2^mini|exp (ВД,) +ехр (-?/?02)}+ + 1/2аГтш2jexp да02) + ехр (-да02)}, (5.4.1)
где значения параметров E0i, Е02, ?Tminl и ?fmin2 определяются из условия согласия их с экспериментом. При условии плоской зоны никаких зарядов в массивном материале не существует, так что уровень Ферми располагается по середине запрещенной зоны. При добавлении атомов примеси уровень Ферми сдвигается вверх или вниз. Распределение поля в слоях на границах перехода между р- и /-слоями и между i- и «-слоями можно определить решением уравнения Пуассона:
d2E q Г EF -Е
?mini?oi sinh—^- +
dx
i
+ Smin2sinb^j!-\+Nd. (5.4.2)
259
Как видно на рис. 5.4.2, поле распределяется на область сильного поля (^2 и IV3) и область слабого поля внутри /-слоя.
Расчет фотогенерированного тока проводится с учетом эффекта реком-
Рис. 5.4.2. Схема профиля зоны при условии короткого замыкания
бинации носителей в области слабого поля, а не области сильного поля. Поэтому ток для области сильного поля дается выражением:
