книги из ГПНТБ / Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ

диффузионной длине), могут быстро рекомбинировать через по­ верхностные состояния, прежде чем они смогут достичь перехода и внести свой вклад в фото-э. д. с. Это приводит к уменьшению величины квантового выхода.

3. Элемент солнечной батареи *)

Наиболее важным приложением фотовольтаического эффекта является преобразование солнечной энергии в электрическую 16]. В этом случае к. и. д. преобразования и выходная мощность оказываются основными параметрами. Спектр Солнца определяет выбор материалов, которые можно использовать для фотоэлектри­ ческих преобразователей: чем меньше ширина запрещенной зоны полупроводника, тем большая часть солнечного спектра может ■быть использована, но тем меньше максимально достижимая вели­ чина фото-э. д. с. С другой стороны, большая ширина запрещен­ ной зоны позволяет получить более высокие значения фото-э. д. с. и меньшие утечки (или ток насыщения /„). Поэтому оптимизация •спектральной кривой солнечного элемента оказывается весьма важным фактором при его разработке. Для космических прило­ жений, когда атмосферное поглощение не играет роли, оптималь­ ная ширина запрещенной зоны составляет примерно 1,6 эВ. При учете атмосферного поглощения оптимальная ширина зоны сме­ щается в сторону меньших энергий. На фиг.. 14.7 показана зави­ симость рассчитанного к. п. д. от ширины запрещенной зоны для различных толщин атмосферы. Хотя CdTe должен обладать наи­ высшим к. п. д., наилучшие результаты пока получены на крем­ нии благодаря высокому качеству, которое было достигнуто в результате особенно интенсивных работ по технологии его приготовления. Для кремниевых солнечных элементов получен к. п. д. около 14% [8]. На материале с большей шириной запре­

щенной зоны, GaAs, был достигнут к. п. д. 11% [9]. Для расширения области спектральной чувствительности солнечных элементов использовались гетеропереходы между полупроводни­ ками с различной шириной запрещенной зоны, при этом материал с большей шириной запрещенной зоны находился на освещенной стороне перехода [10].

Солнечный элемент можно изобразить в виде упрощенной

сопротивление диода. Излучение, поглощаемое в пределах диф­ фузионной длины от перехода, генерирует ток / 5С. Этот ток разде­ ляется на две компоненты — часть его, I L, течет через нагрузку,

1)Далее будет использоваться термин «солнечный элемент», вошедший

вобиход в отечественной технической литературе.— Прим. ред.

другая часть, / 0, инжектируется через переход. Из-за наличия внутреннего последовательного сопротивления R s напряженно

Ф и г . 14.7. Расчетные зависимости к.п. д. солнечных батарей от ширины запрещенной зоны Е„ полупроводника [7].

Учитывалось поглощение солнечного света атмосферой (т = 1/cos Ѳ, где Ѳ_угловое расстояние между Солнцем и зенитом).

на нагрузке VL меньше чем фото-э. д. с., возникающая на пере­ ходе,

Объединяя (14.5) и (14.3), где I = І ы получаем

Фиг. 14.9 иллюстрирует влияние внутреннего последовательного сопротивления на работу солнечного элемента. Очевидно, что

Фи г. 14.8. Эквивалентная схе­ ма солнечного элемента.

На фиг. 14.10 сравниваются (при одинаковых условиях опы­ та) электрические характеристики солнечных элементов, изго­ товленных из веществ с различной шириной запрещенной зоны.

Ф.и г. 14.9. Вольт-амперные характеристики кремниевого солнечного эле­ мента площадью 1,7 см2 при ярком солнечном, освещении [И].

Очевидно, что вещество с большей шириной запрещенной зоны дает наибольшее напряжение холостого хода, тогда как вещество с меньшей шириной запрещенной зоны, которое поглощает боль­ шую часть спектра падающего излучения, генерирует наиболь­ ший ток короткого замыкания. Кроме того, в Si, в котором длина диффузии носителей больше, чем в GaAs, собирается больше фотовозбуждениых -носителей. Точка, отвечающая максимальной

334 Глава 14. Фотовольтаические эффекты

выходной мощности и максимальному к. п. д., находится на изги­ бе кривой. Чем ближе кривая по форме к прямоугольнику, тем (при данных значениях Ѵос и / 8С) выше к. п. д.

Чтобы собрать носители, генерируемые на освещенной поверхности сильно поглощаемым излучением (hv Е g), переход располагают очень близко от поверхности (в пределах диффузион­ ной длины). Малая толщина диффузионного слоя приводит к боль­

Ф и г . 14.10. Вольт-амперные характеристики солнечных элементов на GaAs и Si [6].

тов важной проблемой является нахождение компромисса между высокой эффективностью собирания и низким значением последо­ вательного сопротивления.

Потери излучения, связанные с отражением, удается обычно значительно уменьшить, нанося на поверхность просветляющее покрытие.

Когда солнечные элементы используются в космосе, они под­ вергаются бомбардировке быстрыми частицами, которые вызы­ вают их деградацию, называемую «радиационным повреждением». Повреждение заключается в основном в возникновении дефектов Френкеля. (Атомы смещаются со своих мест в кристаллической решетке и попадают в междоузлия, на их месте остаются вакан­ сии; внедренный атом может мигрировать до тех пор, пока он не займет стабильное положение, например на поверхности, тогда как вакансия в ходе миграции может образовать комплекс с ка­ ким-либо дефектом или примесью — например «А»-центр в Si, представляющей собой комбинацию вакансии и атома кислорода.}

В результате радиационных повреждений образуются эффектив­ ные центры безызлучательной рекомбинации. Следовательно* повреждения приводят к уменьшению времени жизни неосновных

ф, число протонов / см

Ф п г. 14.11. Сравнение деградации солнечных элементов на GaAs и Si [12].

Исходный к. п. д. элемептов — 9%. Измерения проводились при естественном солнеч­ ном освещении.

носителей. Это по существу означает уменьшение диффузионной длины и, следовательно, объема материала, реагирующего на оптическое возбуждение.

Чувствительность к радиационным повреждениям различна у разных полупроводников. Порог повреждения для GaAs вдвое больше, чем для Si. Это различие в чувствительности иллюстри­ руется на фиг. 14.11.

Радиационные дефекты можно отжечь, нагревая образец, при этом внедренные атомы будут мигрировать обратно к вакансиям. Их можно также уменьшить, легируя кремний литием [13]. Литий при комнатной температуре обладает большим коэффициентом диффузии в кремнии. Он может восстанавливать фоточувстви­ тельность солнечного элемента (механизм этого процесса пока еще не выяснен).

§2. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ НА БАРЬЕРАХ ШОТТКИ

1.Барьер Шоттки

Если привести металл в контакт с полупроводником, то обычно происходит перераспределение зарядов, в результате чего в полу­ проводнике возникает обедненный слой. Соответствующее искрив­

поскольку этот процесс происходит с туннелированием, его ве­ роятность много меньше, чем вероятность рассмотренного выше процесса перехода между двумя зонами проводимости. Более того, за счет процесса 2 пе будет возникать фото-э. д. с., поскольку дырки будут переходить в металл.

б. Фотовольтаический эффект на барьере Шоттки

Если hv >» Eg, то электронно-дырочные пары, генерируемые в пределах барьера Шоттки, разделяются локальным полем и соз­ дают фото-э. д. с. между металлическим электродом и объемом полупроводника (фиг. 14.16). Фотовольтаические диоды с барье­ ром Шоттки могут быть выполнены в виде фотоэлементов большой

Ф п г. 14.16. Фотовольтаический эффект па барьере Шоттки.

площадп [16]. Равномерность распределения их чувствительности можно проверить при помощи скаппрованпя световым пятном, представления результата в виде топографической осциллограм­ мы [17].

в. Информация, получаемая пз данных по внутренней фотоэлектронной эмиссии

Спектральная зависимость фотовольтаического эффекта или фотопроводимости дает возможность определить высоту барьера. На фиг. 14.17 показаны две области: во-первых, большой фото­ ответ, соответствующий генерации пар при межзонных перехо­ дах (процесс, изображенный на фиг. 14.16); во-вторых, хвост, простирающийся в сторону меньших энергий и связанный с мигра­ цией горячих электронов из металла в полупроводник с перехо­ дом через барьер (процесс 1, фиг. 14.15). Порог при низких энер­ гиях равен, таким образом, высоте барьера. Предсказание теории о том, что интенсивность фотоэмиссии должна быть пропорцио­ нальна (hv — ФБ)2, согласуется с экспериментальными данными, представленными на фиг. 14.18 (пересечение прямой с осью абсцисс позволяет определить Фв).

Зависимость высоты барьера от работы выхода металла, опре­ деляемая соотношением (14.7), может быть проверена экспери-