Вплив розмірних обмежень на нерівноважні процеси в фотоелектричних перетворювачах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми.

На сьогодні частка електроенергії, яка отримується в світі завдяки використанню сонячних батарей, ще незначна, але на протязі 30 - 40 років її планується довести до десятків відсотків. Зараз для цієї мети використовуються так звані сонячні елементи (СЕ) другого покоління, переважним чином кремнієві. Перед науковцями стоять сьогодні наступні завдання: 1) спрощувати технологію виготовлення та найкращим чином оптимізувати параметри вже розроблених СЕ з метою їх здешевлення, 2) розробляти нові види СЕ, так звані СЕ третього покоління. До СЕ третього покоління, зокрема, відносять багатоперехідні СЕ, СЕ з квантовими ямами та квантовими точками, СЕ на основі фулеренів та нанотрубок і т.п. Зараз існує також тенденція до використання в більших масштабах концентрованого випромінювання, що дозволяє істотно збільшити ККД СЕ.

СЕ вже на сьогодні є високотехнологічним продуктом, а ступінь високотехнологічності СЕ третього покоління буде ще вищим. Зрозуміло, що це вимагає глибокого розуміння фізичних процесів, які відбуваються в СЕ, та їх повноцінного комп'ютерного моделювання. Більш того, оптимізація параметрів нинішніх та майбутніх СЕ з метою отримання максимальної ефективності фотоперетворення не може бути досягнена „методом проб та помилок”.

Хоча на сьогодні і існують комп'ютерні програми розрахунку параметрів сонячних елементів, наприклад, програма PC1D та її наступні версії, а також програма SimWindows, але вони мають певні недоліки. Так, наприклад, функціональні залежності деяких фізичних величин, що використовуються в цих програмах, визначаються не з фізичних міркувань, а з усереднених експериментальних даних. Жодна з вказаних програм не дозволяє виконати теоретичне моделювання кремнієвих СЕ з тиловою металізацією та моделювання СЕ на основі аморфного гідрогенізованого кремнію. У даній роботі комп'ютерне моделювання було здійснено з врахуванням сучасного стану фізичних досліджень для напівпровідникових бар'єрних структур, що є основою СЕ, і в певній мірі ліквідувало існуючі прогалини.

В дисертації розраховуються фотовольтаїчні ефекти в напівпровідникових бар'єрних структурах в залежності від співвідношення розмірів тих областей, які дають свій внесок в фотострум та фотонапругу, з характеристичними довжинами, якими є як класичні дифузійні довжини, так і квантові характеристичні довжини. Це довжина дифузії нерівноважних електронно-діркових пар Ld, довжина вільного пробігу lp, довжина остигання lE, дебаївська довжина екранування LD, дебройлівська довжина хвилі л та борівський радіус екситона aB. Метою даної дисертаційної роботи є теоретичне моделювання ефективності фотоперетворення та споріднених фотоефектів для випадків, коли відповідні теорії відсутні, або виконані в спрощеному варіанті, з акцентуванням на аналізі розмірних ефектів, які при цьому виникають.

Другою особливістю підходу даної роботи до розрахунку фотоперетворення в високоефективних СЕ є врахування декількох складових об'ємного часу життя в базовій та емітерній областях та деталізований розрахунок величин швидкостей поверхневої рекомбінації, яка відбувається на фронтальній та тиловій поверхнях СЕ. Зокрема, при визначенні об'ємного часу життя враховуються рекомбінація Шоклі-Ріда-Хола, міжзонна випромінювальна рекомбінація, екситонна випромінювальна і безвипромінювальна рекомбінація та міжзонна оже-рекомбінація. В СЕ на основі монокристалічного кремнію в залежності від рівня легування та рівня збудження можуть реалізуватися всі, перераховані вище, рекомбінаційні механізми. В існуючих роботах їх повне врахування відсутнє.

Ефективні швидкості поверхневої рекомбінації на фронтальній та тиловій поверхнях СЕ розраховуються самоузгоджено з врахуванням рекомбінації за механізмом Шоклі-Ріда на поверхневих центрах, величин вигинів зон біля фронтальної та тилових поверхней СЕ, а також таких параметрів емітерної та колекторної областей як час життя неосновних носіїв заряду, рівень легування та товщини цих областей.

Мета і завдання дослідження.

Метою даного дослідження був аналіз впливу розмірних обмежень на нерівноважні процеси у фотоелектричних перетворювачах та визначення на його основі оптимальних умов для їх роботи. Для досягнення цієї мети були сформульовані наступні завдання:

1) дослідити об'ємний час життя в монокристалічному кремнії з врахуванням різних механізмів рекомбінації, включаючи рекомбінацію Шоклі-Ріда, квадратичну випромінювальну та безвипромінювальну рекомбінацію, а також міжзонну рекомбінацію Оже;

2) вивчити вплив концентрації надлишкових носіїв заряду та звуження забороненої зони на поверхневу рекомбінацію в кремнієвих фоточутливих структурах;

3) дослідити ефективність фотоперетворення в кремнієвих сонячних елементах (СЕ) з тиловою металізацією та дати рекомендації щодо оптимізації їх параметрів, зокрема, в умовах концентрованого освітлення;

4) дослідити особливості фотоперетворення в p-i-n структурах на основі аморфного гідрогенізованого кремнію з врахуванням реалізації в них дифузійної теорії випрямлення та високого значення опору квазінейтральної області бази;

5) проаналізувати ефективність фотоперетворення СЕ з квантовими ямами у порівнянні із звичайними СЕ в різних умовах за освітленням та дати рекомендації щодо реалізації оптимальних умов їх функціонування.

Особистий внесок автора.

В ході роботи над статтями, що склали основу дисертаційної роботи автор брав безпосередню участь у проведенні аналітичних та чисельних розрахунків, обговоренні отриманих результатів, особисто проводив чисельне моделювання з використанням програми SimWindows, а також доповідав матеріали виконаних робіт на семінарах.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися на конференціях:

1. V Міжнародна школа-конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” Україна, Дрогобич, 27-30 червня 2005 р. Саченко А. В., Горбань А. П., Костильов В. П., Соколовський І. О. Гранична ефективність електролюмінісценції в кремнієвих бар'єрних структурах. Тези доповідей , с. 69.

2. ІІІ Українська конференція з фізики напівпровідників, Україна, Одеса, 17-22 червня 2007 р. Саченко А. В., Горбань А. П., Костильов В. П., Серба О. А., Соколовський І. О. Особливості фотоперетворення в кремнієвих сонячних елементах з стандартною та тиловою геометрією розташування контактів при концентрованому освітленні. Тези доповідей, с. 327.

3. VІІІ Международный украинско-российский семинар “Нанофизика и наноэлектроника”, Украина, Киев. 7-8 декабря 2007 г. Саченко А. В., Соколовский И. О. Сравнительный анализ эффективности фотопреобразования солнечных элементов с квантовыми точками и обыкновенных солнечных элементов. Тезисы докладов, с. 143.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 наукових праць у провідних наукових журналах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури. Повний обсяг роботи - 165 сторінок, з них 140 сторінок основного тексту, що містять 45 рисунків.

1. Механізми рекомбінації в кремнієвих бар'єрних структурах

Розглянуто вплив різних механізмів рекомбінації на час життя та довжину дифузії носіїв заряду в монокристалічному кремнії. Показано, що точне врахування параметрів екситонної випромінювальної та безвипромінювальної рекомбінації важливе для коректного розрахунку рекомбінаційних параметрів кремнію в широкому діапазоні рівнів легування та збудження.

Ефективний час життя носіїв заряду конструювався виходячи з того, що повна ймовірність рекомбінації є сумою ймовірностей рекомбінації за механізмом Шоклі-Ріда-Хола з часом життя фv0, випромінювальної рекомбінації з коефіцієнтом Ai, квадратичної безвипромінювальної рекомбінації та міжзонної рекомбінації Оже. Це дозволяє записати:

та співставити з експериментальними залежностями об'ємного часу життя від рівня легування, і апроксимованими емпіричною формулою:

.

Тут n - концентрація електронів в зразку, Ai = 6,3·10-15 см3/с - коефіцієнт випромінювальної рекомбінації в кремнії, M(n) = Bx(n)/Bx0, Bx(n) і Bx0 - відповідно коефіцієнти безвипромінювальної рекомбінації екситона при довільних і малих рівнях легування, що мають розмірність см3, Cn? = 2,8·10-31 см6/с - коефіцієнт міжзонної рекомбінації Оже для електронів в кремнії для великих рівнів легування G = 2,5·10-22 см4,5/с, nx - характеристична концентрація електронів.

При співставленні теорії з експериментом було отримане уточнене значення для коефіцієнту безвипромінювальної екситонної рекомбінації Bx0 = 1,4·10-16 см3. Раніше це значення покладалося рівним 2,7·10-16 см3.

При зміні рівня легування від 1015 до 1018 см-3 величина довжини дифузії зменшується на порядок або більше. Визначальний внесок у вказане зменшення вносить екситонна безвипромінювальна рекомбінація. З даного рисунку, де наведено також значення товщини пластини , прийняте рівним 100 мкм, видно, при яких значеннях параметрів товщина пластини стає меншою, ніж біполярна довжина дифузії. Реалізація умови особливо важлива для успішного функціонування кремнієвих сонячних елементів з тиловою металізацією.

В дисертаційній роботі було самоузгоджено розраховано ефективну швидкість поверхневої рекомбінації з урахуванням таких чинників, як параметри рекомбінаційного центру, густина вбудованого заряду та ефект звуження ширини забороненої зони.

Встановлено, що вплив ефекту звуження зон на ефективну ШПР залежить від співвідношення концентрації носіїв заряду в об'ємі та на поверхні. Так, зокрема, у випадку виснаження ШПР зменшується, а у випадку збагачення або інверсії - збільшується.

2. Механізми формування рекомбінаційних струмів в прямо зміщених кремнієвих р-n-переходах і сонячних елементах

Присвячено аналізу вольт-амперних характеристик вказаних структур з урахуванням впливу на ці характеристики різних механізмів рекомбінації. Зокрема розділено вплив квадратичної рекомбінації, рекомбінації Шоклі-Ріда-Хола та рекомбінації Оже на чинник неідеальності таких структур.

Показано, зокрема, що в діодних структурах з короткою базою чинник неідеальності при домінуванні рекомбінації Шоклі - Ріда - Хола дорівнює 2, при домінуванні квадратичної рекомбінації - 1, а при домінуванні міжзонної рекомбінації Оже - 2/3.

3. Ефективність фотоперетворення в кремнієвих сонячних елементах з тиловою металізацією

З використанням методу послідовних наближень побудовано самоузгоджену теорію таких СЕ для випадку, коли довжина дифузії носіїв заряду порівняна з товщиною бази. В попередніх теоріях довжина дифузії вважалася набагато більшою за товщину бази, що не виконується при збільшенні концентрації освітлення. Модель добре узгоджується з експериментом в широкому діапазоні ступенів концентрації освітлення.

4. Оптимізація сонячних елементів на основі аморфного кремнію

Розроблено модель фотоперетворення у відповідних СЕ. Високий питомий опір робить ключовим параметром оптимізації таких СЕ товщину бази, яка має бути достатньою для ефективного вловлювання світла, але не надто великою, щоб не створювати великого послідовного опору. Враховано також інші параметри і динаміку часу життя в аморфному гідрогенізованому кремнії при дії ефекту Стаблера-Вронського.

5. Фотоперетворення в сонячних елементах з квантовими ямами

Присвячений питанням ефективності СЕ з нанорозмірними вставками (квантовими ямами), вбудованими в активну область для покращення вловлювання довгохвильової частини спектру. Теоретично було оцінено граничні параметри таких СЕ, враховуючи рекомбінацію на дефектних центрах, утворених гетеропереходами між об'ємним напівпровідником і квантовими ямами. Також проводилося чисельне моделювання вказаних СЕ в програмі SimWindows. Результати чисельного моделювання узгоджуються з теоретичними оцінками, що говорить на користь достовірності цих результатів.

Висновки

монокристалічний рекомбінація кремнієвий фоточутливий

У висновках підсумовано основні результати дослідження впливу розмірних обмежень на нерівноважні процеси в фотоелектричних перетворювачах. Зокрема, сформульовано наступне.

· Виконано уточнення внеску різних механізмів рекомбінації, зокрема, механізму Отже, випромінювальної та безвипромінювальної рекомбінації екситонів на об'ємний час життя і довжину дифузії в кремнії. Показано, що механізм екситонної безвипромінювальної рекомбінації може домінувати в достатньо широкому діапазоні рівнів легування та рівнів збудження.

· В результаті самоузгодженого розрахунку ефективних швидкостей поверхневої рекомбінації на освітленій та тиловій поверхнях кремнієвих СЕ різного типу показано, що в залежності від співвідношення поверхневої та об'ємної концентрації носіїв заряду ефект звуження зон може приводити як до збільшення, так і до зменшення величини ефективної швидкості поверхневої рекомбінації.

· Порівняльний аналіз ефективності фотоперетворення в СЕ з тиловою металізацією та в СЕ з стандартною геометрією показав, що переваги СЕ з тиловою металізацією перед СЕ із стандартною геометрією контактів можуть бути реалізовані в тонких в порівнянні з дифузійною довжиною СЕ при мінімізації величини ефективної швидкості поверхневої рекомбінації на освітленій поверхні.

· Побудовано теоретичну модель, яка дозволяє оптимізувати параметри СЕ, виготовлених на основі аморфного гідрогенізованого кремнію, встановлено, зокрема, що ключовим параметром, який визначає ефективність таких СЕ, є товщина базової області.

· Теоретично проаналізовано якісні відмінності в формуванні напруги розімкненого кола в p-i-n-структурах з квантовими ямами на основі прямозонних та непрямозонних напівпровідників, які пов'язані з реалізацією низького та високого рівня ін'єкції. Встановлено ймовірну причину різкого зменшення напруги розімкненого кола в СЕ з квантовими ямами, виготовленими на основі матеріалів з великою різницею постійних граток. Як показано, вона пов'язана з рекомбінацією на рівнях, що виникають на межах бар'єрного матеріалу та квантових ям.

· Встановлено теоретично, що вища, ніж в стандартних СЕ, ефективність фотоперетворення в СЕ з квантовими ямами на основі системи GaAs-InGaAs може бути отримана лише за умови, коли час життя в квантових ямах більший, ніж в бар'єрному матеріалі, а рівень легування лежить в діапазоні (1015 - 3·1017) см-3.

· Показано, що використання СЕ з квантовими ямами на основі системи GaAs-InGaAs більш доцільне в умовах концентрованого освітлення за рахунок того, що при достатньо великих значеннях ступеня концентрації освітлення величини ефективності фотоперетворення в СЕ з квантовими ямами для різних рівнів легування бази зближуються.

Література

1. Fossum J.G. Computer-Aided Numerical Analysis of Silicon Solar Cells // Solid-State Electron. - 1976. - V. 19, № 4 - P. 269-277.

2. Mullidan W.P., Rose D.H., Cugsinovic M.J., De Ceuster D.M., McIntosh K.R., Smith D.D., Swanson R.M. // Proc. 19th Photovoltaic Solar Energy Conference, 7-11 June 2004, Paris, France, P. 387-390.

3. Trupke T., Green M.A., Wьrfel P., Altermatt P.P., Wang A., Zhao J., Corkish R. Temperature dependence of the radiative recombination coefficient of intrinsic crystalline silicon // Appl. Phys. - 2003. - Vol. 94, № 8. - P. 4930-4937.

4. Ruff M., Fick M., Lindner R., Rossler U., Helbig R. The spectral distribution of the intrinsic radiative recombination in silicon // J. Appl. Phys. - 1993. - Vol. 74, № 7 - P. 267-270.

5. Verlinden P., Van de Wiele Stehelin G., Floret F. and David J.P. High efficiency interdigitated back contact silicon solar cells // Proceedings of the 19th IEEE PVSEC (New Orleans, 1987) - P. 405-409.

6. Алферов Ж.И., Андреев В.А., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // ФТП. - 2004 - Т. 38, № 8 - С. 937-949.

Размещено на Allbest.ru