ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Основные процессы при фотоэлектрическом преобразовании

     Процесс фотоэлектрического преобразования в полупроводниковом солнечном элементе включает три основные стадии:
- поглощение света;
- генерацию электронно-дырочных пар;
- разделение электронов и дырок и соответственно генерацию фототока.

Поглощение света

     Непременным условием преобразования солнечного излучения является его поглощение. Поскольку основная энергия солнечного излучения распределена в диапазоне от 0,4 мкм (энергия квантов ~ 3 эВ) до 1 мкм (энергия квантов ~ 1,24 эВ) именно в этом диапазоне должно находиться и фундаментальное поглощение материала, используемого для преобразования солнечного излучения.
   Толщина поглощающего (активного) слоя (d) должна быть достаточной для того, чтобы большая часть излучения поглощалась, т.е. должно соблюдаться условие - длина пробега фотонов (Lф) должна быть меньше толщины слоя: d < Lф = 1/K (K - коэффициент поглощения) во всей области спектра солнечного излучения. Не всё, падающее на поверхность солнечного элемента излучение поглощается, даже если энергия квантов больше ширины запрещенной зоны.
   Имеется два основных источника оптических потерь: отражение и пропускание.
   Для уменьшения отражения используют просветляющие покрытия. Пропускание так же уменьшают, увеличивая толщину активной области.
   Поглощение монохроматического излучения описывается соотношением Бугера:
   Nф(λ)=N0exp[-α(λ)x] или Nф(λ)=N0exp[-x/Lф(λ)] , где  Nф(λ) - число фотонов, поглощенных на глубине x, N0 - число фотонов, падающих на фронтальную поверхность, α(λ) - значение коэффициента поглощения на данной длине волны, Lф(λ)=1/α(λ) - глубина поглощения света с заданной длиной волны (длина свободного пробега фотона). Поскольку СЭ преобразуют в электричество только те фотоны, которые рождают электронно-дырочные пары, в дальнейшем будем рассматривать поглощение, только при >Eg. Зависимость α(λ) определяется строением энергетических зон, между которыми имеют место оптические переходы. Оптические спектры поглощения можно разделить на две большие группы :
- Спектры при прямых оптических переходах между зонами (без участия фононов). Например, в GaAs, CdTe. Для этих спектров характерна зависимость: α=Aexp(-Eg)3/2 , где A -некоторая слабо зависящая от энергии величина.
- Спектры при не прямых оптических переходах между зонами (с участием фононов). Например, в Si.
     На левом рисунке показана спектральная зависимость коэффициента поглощения GaAs. Сплошная линия соответствует экспериментальной кривой, пунктирная расчетной (см формулу выше). Как видно из графика вблизи энергии Eg (длинноволновая граница) коэффициент поглощения мал, в то время как для коротковолновой области спектра он чрезвычайно высок. На правой кривой показано распределение носителей в СЭ, где d1 обозначена толщина фронтального слоя и тыльного (базы) слоев, d2 толщина фронтального слоя.
     Как видно из графиков для длинноволновых фотонов СЭ оказывается прозрачным, в то же время значительна часть коротковолновых фотонов поглощается во фронтальном слое.
     С точки зрения эффективности СЭ желательно, чтобы основная часть фотонов поглощалась в области ОПЗ и на расстоянии от барьера, не превышающего диффузионную длину неосновных носителей заряда.

Генерация фотоносителей

     В фотоэлектрическом преобразователе каждый поглощенный в активной области фотон должен создавать одну электронно-дырочную пару, т.е. генерировать заряд 1.6 10-19 кулона. При этом следует отметить, что такой заряд будут генерировать любые фотоны с энергией как незначительно, так и значительно превышающей ширину запрещенной зоны Eg (но не более 3 Eg), таким образом, избыточная над Eg энергия не будет давать дополнительный вклад в электрический ток, а будет приводить к разогреву материала. Поэтому для повышения эффективности преобразования желательно, чтобы каждый фотон поглощался именно в том месте активного слоя, в которой ширина запрещенной зоны примерно равна энергии кванта, т.е. желательно иметь активную область с переменной запрещенной зоной (варизонный материал).
     Попробуем грубо оценить максимальный ток, который можно получить в земных условия с 1 см2 поверхности под солнечным излучением максимальной интенсивности 1000 Вт/м2 (100 мВт/см2). Допустим, что все излучение удалось преобразовать в монохроматическое с длиной волны 1 мкм (1,24 эВ). Тогда на 1 см2 должно падать примерно 5·1018 фотонов (оценочный расчет очень прост - мощность излучения делится на энергию квантов:
100·10-3 / (1,24·5 10-18·1,6·10-19).
     Этому соответствовал бы ток примерно 0,08 A/cм2. Это высокое значение. У лучших современных фотоэлектрических преобразователей эта величина почти в два раза меньше (см. предыдущую лекцию).  
      Разделение электронов и дырок в стандартных кремниевых фотопреобразователях осуществляется электрическим полем электронно-дырочного перехода (см. рисунок справа). Разделяются только те дырки, которые генерируются в непосредственной близости от p-n-перехода. Неосновные носители, генерируемые на расстоянии от перехода, превышающем диффузионную длину, до барьера не доходят и не разделяются.
     Это накладывает определенные требования на диффузионную длину неосновных носителей. Она должна быть такой, чтобы обеспечить собирание носителей генерируемых фотонами вне области пространственного заряда (ОПЗ) барьера. Согласно принципу суперпозиции генерируемый фототок равен сумме составляющих из трех областей элемента:
- из n-области;
из p>-области;
- из обедненной области барьера.
     Не все носители, созданные светом, будут участвовать в образовании тока и, следовательно, в выделении мощности в нагрузке. Некоторая их часть прорекомбинирует в объеме или на поверхности. Для характеристики эффективности участия фотоносителей в создании тока вводят коэффициент собирания Q, представляющий отношение числа носителей, проходящих во внешней цепи, т.е. экспериментально измеряемого тока короткого замыкания, к полному числу носителей, генерируемых в единицу времени в полупроводнике:

Полагают, что носители заряда, генерируемые в обедненном слое, полностью собираются.

Максимальный коэффициент полезного действия солнечного элемента

     Максимальный кпд СЭ определяется как отношение максимальной энергии, получаемой от фотопреобразователя, к энергии солнечной радиации падающей на него:
,

где Nph - полное число фотонов в солнечном спектре, Еср - их средняя энергия, Ump - напряжение на согласованной нагрузке. Максимальный КПД зависит от ширины запрещенной зоны активной области, в которой происходит генерация фотоносителей.

Расчётная зависимость к.п.д. однокаскадного СЭ от ширины запрещенной зоны п.п. материала

Так как Nph(Eg) уменьшается с ростом Eg, в то время как Ump возрастает, то зависимость КПД от Eg имеет максимум (см. рисунок выше). Из рисунка видно, что оптимальная ширина запрещенной зоны для материала активная области находится в пределах от 1,4 эВ до 1,6 эВ. В этот диапазон попадают такие материалы как арсенид галлия и теллурид кадмия.

Энергетические потери

     Энергетические потери снижают эффективность преобразования солнечной энергии (максимально 33%).Современные СЭ с pn-переходом обладают кпд 10 -25%. Основные источники оптических потерь: отражение, затенение активной области контактами.
Значительная энергия теряется непосредственно в СЭ. Основные процессы, приводящие к потерям энергии в СЭ показаны на рисунке справа:
1 - потери на термализацию,
2 -потери на рассеяние,
3 - потери в контактах,

4 - рекомбинационные потери.

Спектральная характеристика фототока
     Спектральная характеристика СЭ, характеризующая зависимость фототока от длины волны, определяется спектральной характеристикой поглощенных фотонов и эффективностью их разделения электрическим полем барьера. Фотоприемники часто характеризуют отношение фототока к мощности, монохроматического излучения, вызывающего фототок. S(λ)=Iф/Pпад [А/Вт].


    Ni- число разделенных электронно-дырочных пар.
Соответственно можно записать следующие соотношения, где Q - коэффициент собирания, равный отношению поглощенных фотонов к числу разделенных электронно-дырочных пар.

 Работа над темой