Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
Новые успехи в области многопереходных (каскадных) солнечных элементов и технологии, связанной с новыми аморфными материалами, описываются в соответствующих разделах настоящей книги. В этой статье рассматриваются некоторые новые аспекты в области физики солнечных элементов ср- /-«-переходом на основе a-Si и результаты исследований по повышению их к.п.д., приведенных в Японии с 1981 г.
210
5.1.2. Фотовольтаический процесс дрейфового типа в солнечных элементах с р- г- «-переходом на основе a-Si
В рабочем слое солнечного элемента с р- і- м-переходом на основе а-Бі плотность фотонаведенных избыточных носителей б„ и бр обычно значительно превышает плотность термически равновесных носителей п0 и р0. В таком случае скорость рекомбинации носителей Я может быть представлена в виде
R = 5п5р/(5пТр + 6рт„).
(5.1.1)
При амбиполярной проводимости, когда п$>8п~8р>р0, скорость рекомбинации главным образом контролируется составляющей неосновных носителей (дырок). Для /-слоя в a-Si, если выполняется условие ^л/ти>5р/тр, дырочная составляющая может определять скорость рекомбинации. Таким образом, дырки ведут себя как неосновные носители в процессе межзонной фотопроводимости, что подобно их поведению в кристаллических полупроводниках и-типа. Аналогичным образом электроны становятся неосновными носителями, когда выполняется условие бр/Тр>бп/тп [13]. Поэтому уравнение (5.1.1) можно аппроксимировать следующими выражениями:
R~8p/Tp для 8п/тп>8р/тр, (5.1.2) Л~5„/г„ для &р1тр>Ьп!тп. (5.1.3)
Термическое равновесие I П
Рис. 5.1.3. Схематическое изображение запрещенной зоны элемента с p-i-n-nepcxo-дом па основе a-Si
211
Рассмотрим элемент с р- /- п- переходом, бесконечно распространяющимся в плоскости YZ и с омическими контактами на обеих сторонах перехода. Ситуация схематически представлена на рис 5.1.3 /-слой простирается от х = 0 (^//-граница раздела) до х-l (//«-граница раздела). При установившемся освещении при коротком замыкании (а) или условии прямого смещения (в темноте) (б) фотогенерированные или инжектированные избыточные носители должны были бы отклоняться в направлении изгиба зоны или расщеплять квази-уровни Ферми. Однако не всегда очевидно, какая из величин 5«/т„ или 5р/гр является большей, т.е. какой из носителей может рассматриваться в качестве основного. Другими словами, часто может наблюдаться ситуация, при которой уравнение (5.1.2) предсталяет скорость рекомбинации в одной части /-слоя (область II), а уравнение (5.1.3) описывает ее в другой части (область Г). Т.е., электроны и дырки выступают в качестве неосновных носителей в областях / и II, соответственно. Эти две области разделяются характеристической границей Хс. Положение Хс соответствует границе р- «-перехода в случае кристаллического материала. Эта граница в р- /- «-переходе в a-Si может быть первоначально определена на основании распределения избыточных носителей через выражение
8п(Хс)/тп=8р(Хс)/тр ' (5.1.4)
и она может смещаться при изменении внешних условий, спектра падающего света, напряжения смещения Va и т.п.
Окамото и др., базируясь на другой концепции неосновных носителей, присущей солнечным элементам на основе a-Si, вывели основные соотношения для эффективности собирания носителей, темновой и световой ВАХ в зависимости от приложенного напряжения смещения VJ и от спектра падающего света [13]. Физическими параметрами в этих соотношениях являются: произведения подвижности на время жизни для электронов (д„т„) и дырок (ДрТр); параметры эффективной поверхностной рекомбинации Sn и Sp, определенные как скорости эффективных поверхностных рекомбинаций на рЦ (5р/,)- и //« (S,-/„)-границах раздела, деленные на подвижность электронов и дырок соответственно; внутреннее электрическое поле в пределах /-слоя Е(х). Такое теоретическое рассмотрение учитывает как диффузионную, так и дрейфовую компоненты потока заряда в процессе собирания носителей. В этом смысле такая теория является общей для свойств перехода и может быть применена не" только к солнечным элементам на основе a-Si, но с некоторым видоизменением и к солнечным элементам на основе кристаллического материала.
В.то же время распределение внутреннего электрического поля Е(х) в пределах рабочего /-слоя солнечного элемента с переходом определяется главным образом плотностью состояний в запрещенной зоне [5, 6, 9]. Модельные расчеты, выполненные в предположении упрощенных, 'но реальных, распределений состояний в запрещенной зоне, показывают, что в /-слое р- /- «-перехода реальных размеров, изготовленного из a-Si: И пленок относительно хорошего качества, существует почти постоянное электрическое поле, за исключением областей вблизи р//-и //«-границ 212
[5, 6, 9, 14]. Основываясь на этом, в настоящей работе исходим из допущения о существовании постоянного внутреннего электрического поля. Внутреннее электрическое поле может быть представлено как (Кь —Va)ll в единицах диффузионного потенциала V?,. Это приближение было подтверждено экспериментально на различных солнечных элементах на основе a-Si, имеющих к.п.д. более чем 5 %, путем электрооптических измерений, описанных в следующем разделе. Однако если есть необходимость рассмотреть солнечные элементы на основе a-Si, в которых внутреннее электрическое поле сильно зависит от положения, расчет должен быть соответствующим образом видоизменен. Кроме того, в рассматриваемом случае предполагается, что распределение внутреннего электрического поля не нарушается эффектами пространственного заряда от фотогенери-рованных и (или) инжектированных носителей.
