Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Эта теория была применена [Tansley, Owen, 1976] для анализа гетеропереходов. При параболической форме потенциального барьера интеграл в (2.48) можно вычислить в квадратурах и, применяя метод ВКБ, получить следующее выражение для вероятности туннелирования [Tansley, 1968]:
ПЮ =ехр{-(2/(<7Й))(е,т;/Л01/2(<7Ф6) [ [1 - (Я/(*Ф*))] 1/2 -- (Е/(яФь))1п[(яФь/Е)112 + [(*Фь/Ю - 1 ]1/2]]} =
= ехр[(-<?Ф4/?0о) 0(?/№))] • (2.56)
Здесь N — эффективная концентрация доноров или акцепторов; Е -энергия электрона; Фь - общая высота барьера. Обобщенная функция в(Е/(дФь)) при определенных параметрах барьера изображена на рис. 2.27 вместе 3" (Е) и (Е) ехр(—?7(fcT)). Следует отметить, что
максимальный ток соответствует энергии 0,15 зВ, несмотря на то, что 80
Таблица 2Л. Концентрации легирующих примесей и распределение приложенного напряжения в гетеропереходах
Номер Первая составляющая Np*, см
струк- гетероперехода
туры
Вторая состав- Ыд, см F** ляющая гетероперехода
1
2
3
4
5
6
n-Ge
1.2-1019
р-GaAs
р-GaAs
р-GaAs
р-GaAs
р-GaAs
р-GaAs
/J-GaQ^gj Ino 05As 2*10
18
7 -10*8 0,78
2 -1019 0,85
4 -1018 0,76
2 -1018 0,67
4 -1018 0,93
n-Ge ’ ' 3,5* 1018
H-Gaot995lno 0051,3 -1018
H-GaAso^Po.2 1*10*®
H-Gao,92 Ino,083-1017
n-Ge
* Значения, обеспечивающие наиболее точное соответствие теоретических и экспериментальных результатов (в большинстве случаев они почти совпадают со значениями концентраций, измеренными другими методами).
** F - доля приложенного напряжения, приходящаяся на обедненный слой материала проводимости и-типа.
в этом случае вероятность туннелирования чрезвычайно мала (менее 10”7). С учетом (2.56) и (2.52) для плотности потока электронов посредством интегрирования численными методами произведения Т (Е) и J(E) была найдена [Tansley, Owen, 1976] плотность полного тока в переходе1 . Для нахождения эквивалентного диодного коэффициента асимметричного перехода выражение Атр = Е0/кТ, входящее в (2.53), следует умножить на параметр, характеризующий распределение напряжения в асимметричном переходе. Так, для п* -р-гетероструктуры, в которой протекание тока ограничено процессом туннелирования электронов через обедненный слой л-типа, эквивалентный диодный коэффициент Af/j можно представить в виде [Tansley, Owen, 1976]
Как следует из рис. 2.28, расчетные и экспериментальные температурные зависимости AHJ для гетеропереходов, образованных р-GaAs в сочетании с w-Ge, л-Са*1п|_хAs и n-GaASyP,^ (концентрации легирующих примесей в этих материалах приведены в табл. 2.1), с высокой точностью согласуются между собой.
Аналогичный подход был применен для описания процесса протекания тока в солнечных элементах с гетеропереходом n-ZnO— р-CdTe [Aranovich е. а., 1980]. Поскольку в данном случае использовали вырожденный n-ZnO, диффузионный потенциал приходится в основном на слой CdTe. Авторы следовали ранее высказанному предположейию [Padovani,
1 Процесс переноса носителей заряда через границу раздела гетероперехода был рассмотрен и более подробно [Wu, Yang, 1979] с учетом квантовомеханического отражения носителей с энергией, превосходящей высоту барьера, и различия их эффективных масс в полупроводниках, образующих гетеропереход.
AHj =At_f (T,Np) [esnNj)/(esnND + eSpA^) ] .
(2.57)
81
1971] о том, что наличие внутри обедненного слоя большого количества глубоких акцепторных уровней может вызвать значительное сужение обедненного слоя, что делает возможным туннелирование носителей1. Наличие в этих диодах глубоких уровней энергетических состояний привело к появлению зависимости вольт-амперной характеристики от облученности элементов и продолжительности их экспозиции. Обнаружена отчетливо выраженная взаимосвязь между значением /о и плотностью состояний на поверхности раздела (зависящей от условий процесса изготовления) , которая влияет на высоту барьера, а также зависимость параметра диода Е0 от эффективной концентрации акцепторов в обедненном слое p-CdTe.
2.5.7. Гетероструктуры
При создании гетероструктуры на свободной поверхности слоя, образующего гомогенный переход, формируют оптическое окно из широкозонного материала. Из-за этого высокая исходная скорость поверхностной рекомбинации (5 106-Н07 см/с) снижается на несколько порядков и
достигает значений, свойственных скорости рекомбинации 5, на поверхности раздела. Значение S; зависит от условий обработки поверхности раздела и степени соответствия параметров кристаллических решеток. Кроме того, различие энергий сродства к электрону приводит к тому, что может возникнуть обогащенный слой, создающий электрическое поле, которое еще в большей степени уменьшает Sj. Для нахождения вольт-амперной характеристики диода с гетероструктурой следует воспользоваться соотношениями для определения диффузионного тока [заменив в (2.15) S ее эффективным аналогом 5,-] и рекомбинационно-генерационного тока в обедненном слое (2.27) или (2.30).
В качестве примера можно привести наиболее известный тип гетероструктуры, реализованной в солнечных элементах на основе AlxGai_xAs — GaAs, которые, как правило, обладают следующими свойствами.
