Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Изменение J0 я А может быть вызвано поглощением света состояниями вблизи границы раздела, в объеме материала у перехода или в диэлектрическом слое элементов с МДП-структурой, причем в любом из этих случаев возможно изменение профиля распределения концентрации носителей заряда в переходе. В элементах на основе Си* S - CdS вариации J0 и А связаны с изменением при освещении концентрации ионизированных доноров или акцепторов, что в свою очередь сказывается на ширине обед-
137
10
-s
о 0,1 о,г о,г о,ь 0,5
Рис. 3.19. Темновая вольт-амперная характеристика (1) и зависимость Jsc от Voc
(2) для кремниевого солнечного элемента с р- п-переходом - наземного эталонного элемента NASA, имеющего в условиях АМ1 КПД 13,6%
rj0=3,91-10-9 А = 1,Ь7
ненного слоя, форме потенциального барьера в области перехода и, наконец, на процессе переноса носителей заряда через переход.
Известно, что такие же примесные центры обусловливают фотопроводимость однородного по составу сульфида кадмия CdS, легированного Си, при аналогичных спектральных и температурных характеристиках, однако в элементах со структурой Си* S - CdS процессы в области перехода не являются следствием лишь фотопроводимости [Fahrenbruch, Bube, 1974].
Существование различий между темновой зависимостью lgJ от V и lg Jsc от Voc, измеряемой при переменной облученности, свидетельствует о наличии связи J0 и А с уровнем светового потока. Данные для кремниевых солнечных элементов с гомогенным переходом приведены на рис. 3.19. Однако поскольку при этих измерениях облученность колеблется в широких пределах, то, как правило, невозможно установить, какой из параметров (J0 или А) изменяется. Кроме того, данный метод не позволяет разделить следующие эффекты: изменения J0 и Л, а также зависимость коэффициента собирания носителей заряда от напряжения смещения H(V). Однако на зависимость lg Jsc от Voc не оказывает влияния последовательное сопротивление, если его значение невелико. В солнечных элементах на основе Си* S-CdS изменения параметров /0 и А столь существенны, что световая и темновая вольт-амперные характеристики пересекаются1.
Более полную количественную информацию об изменении J0 и А иногда можно получить с помощью сравнения темновой вольт-амперной характеристики с аналогичной характеристикой, соответствующей постоянному уровню облученности (смещенной по отношению к предыдущей кривой на JL). В выбираемых для анализа данных следует использовать только высокие значения токов вследствие большой погрешности измерений JL. При этом зависимость #(F) будет проявляться очень слабо, в противном случае ее влияние необходимо учитывать теоретически.
1 Существование зависимости H(V) само по себе не может вызвать пересечения световой н темновой вольт-амперных характеристик, поскольку даже при H(V), приближающихся к нулю, J прн освещении не может превысить своего темнового значения.
138
3.4.2. Тепловые характеристики
При изучении температурной.зависимости КПД преобразования солнечной энергии можно раздельно рассмотреть аналогичные зависимости Jsc, У ос и // [Wysocki, Rappaport, 1960].
Зависимость Jsc от температуры обусловлена главным образом наличием связи последней с диффузионной длиной неосновных носителей заряда L = (цкТт/д)1/2. Если солнечный элемент обладает высоким начальным значением коэффициента собирания tjq , то изменения L при разных температурах влияют на него несущественно [см. (1.19)]; лишь у элементов с низкими начальными t]q изменения L могут значительно воздействовать на Ji. Помня об этом, рассмотрим влияние температуры на L nJL.
Сложная связь времени жизни г неосновных носителей заряда и температуры обусловлена тем, что на г оказывают влияние взаимное положение энергетических уровней рекомбинационных центров и квазиуровней Ферми, а также температурная зависимость сечений захвата этих центров. Простым примером может служить рекомбинационный центр донорного типа с энергетическим уровнем Ei и сечением захвата оп (обусловленным кулоновским взаимодействием), которое уменьшается с ростом температуры пропорционально Г-2. Следовательно, тп0 = = I/(Nranvth) изменяется пропорционально Г3/2.
Расчеты, выполненные с использованием соотношения Шокли-Рида, показывают, что время жизни электронов тп при температуре 300 К медленно возрастает при повышении температуры до тех пор, пока иг-не достигнет значения МАтп0/тр0. Наличие сильной температурной зависимости rtj (когда ее значения превышают NATnjTpQ) приводит к тому, что г увеличивается почти экспоненциально при возрастании Т. Экспериментально наблюдаемое в кремнии изменение тп представляет собой плавное возрастание тп при повышении Т (приближенно пропорциональное Т1 ,s при Т « 300 К в условиях низкого уровня инжекции) [Othmei, Chen, 1978].
Характер температурной зависимости подвижности носителей заряда определяется основным механизмом рассеяния. Например, если преобладает рассеяние носителей на акустических фононах, то подвижность изменяется пропорционально Т~т, где в наиболее простом случае т = 1,5. При невысоком уровне легирования кремния наблюдаемые вариации д можно описать приближенно ju го Г"2, и поэтому L почти не зависит от температуры. В случае же GaAs повышение Т сопровождается более ярко выраженным возрастанием L вследствие более сильной зависимости г от Т.
