Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Приборы квантовой и оптической электроники. Курс лекций

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 128 9 10 11 12 > Следующая >>>

éù

æö

вых

nkT

, (6.5)

= Iф, а в режиме холо-

к.з

êú

III

=- -

вых ф т

exp 1

êú

èø

ëû

в режиме короткого замыкания на выходе I стого хода

= I

вых

– Iт [exp(qU

к.з

)/(nkT) – 1] = 0,

х.х

откуда

éù

æö

х.х

êú

exp 1

êú

nkT

èø

ëû

æö ç

çê ú

èø

éù

êú

ln 1

ëû

, (6.6)

к.з

, (6.7)

где U

к.з т

х.х

– напряжение холостого хода, которое определяется коэф-

х.х

фициентом неидеальности и соотношением между фототоком и темновым током.

éù

æö

х.х

êú

PUI

вых вых т

exp exp

êú

nkT nkT

èø

ëû

Максимальная выходная мощность находится из условия dP Последовательное сопротивление мало изменяет U

æö

вых

èø

. (6.8)

/dU = 0.

вых

, но значи-

х.х

тельно уменьшает ток короткого замыкания. Напряжение холостого хода зависит от шунтирующего сопротивления Rш. Недостаточно высокое значение сопротивления Rш снижает эффективность преобразователя. Это необходимо учитывать при конструировании фотопреобразователя.

Максимальное значение коэффициента полезного действия рассчитывается из условия поглощения всех фотонов с энергией, достаточной для генерации электронно-дырочной пары, полного собирания носителей заряда и идеальной конструкции фотопреобразователя. Теоретически рассчитанный коэффициент полезного действия в зависимости от ширины запрещенной зоны показан на рис. 6.3, где приведены значения ширины запрещенной зоны различных полупроводников.

Реальные величины коэффициентов полезного действия для фотопреобразователей из Si, GaAs, AlxGa

As и других полупроводни-

1–x

ковых материалов ниже, чем указано на графике, вследствие потерь излучения на отражение, потерь мощности на последовательное сопротивление, потерь мощности на шунтирующем сопротивлении R

Рис. 6.3. Теоретическая зависимость максимального КПД

для различных энергий

6.2. Φотопреобразователи с барьером Шоттки,

МДП-структурой и гетеропереходом

Одним из недостатков фотопреобразователей с p–n-переходом является потеря генерированных носителей заряда в сильнолегированной фронтальной области за счет объемной и поверхностной рекомбинации. Вклад фронтального легированного слоя не превышает, как правило, 10 %. Чтобы исключить эффекты рекомбинации необходимо сконструировать фотопреобразователь так, чтобы область пространственного заряда находилась у поверхности (фотопреобразователи с БШ) или уменьшить поглощение коротковолновых квантов в фронтальной области за счет применения более широкозонного полупроводникового материала (фотопреобразователи с гетеропереходом).

6.2.1. Φотопреобразователи

с переходом металл–полупроводник (БШ)

Для создания потенциального барьера на границе металл–полупроводник тонкий полупрозрачный слой металла наносится на специально подготовленную поверхность полупроводника. При освещении в переходе металл–полупроводник имеют место следующие эффекты:

– поглощаясь в металле, кванты излучения сообщают электронам дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера qΦb;

– коротковолновые кванты излучения, проходящие через тонкий слой металла, поглощаются непосредственно в области простран-

ственного заряда полупроводника и генерируют подвижные носители заряда, которые разделяются полем ОПЗ;

– длинноволновые кванты с энергией hν ≥ Eg поглощаются в квазинейтральной области полупроводника и так же как в p–n-переходе диффундируют к ОПЗ, где и разделяются.

Вклад фототока за счет неравновесных носителей заряда, генерированных в металле, незначительный, поэтому необходимо принять во внимание только два последних эффекта. Присутствие металла в конструкции фотопреобразователя учитывают введением коэффициента прозрачности Т

, определяющего ту часть квантов излуче-

ния, которые доходят до полупроводника.

Спектральная чувствительность для фотопреобразователей с БШ рассчитывается также, как и для фотодиодов:

= [j

(λ) + jp (λ)]/(hνΦλЕλ). (6.9)

ОПЗ

Темновой ток в фотопреобразователе с БШ определяется вероятностью преодоления электронами потенциального барьера высотой qΦb.

Коэффициент полезного действия фотопреобразователей с БШ ниже, чем КПД ΦП с p–n-переходом за счет меньших значений

, однако преимущество ΦП с БШ в том, что они могут работать

х.х

при более коротковолновых квантах излучения. При создании ΦП с БШ можно применять и поликристаллические полупроводники. Сочетание малой стоимости и простоты изготовления потенциального барьера на контакте МП делают перспективными фотопреобразователи с БШ даже при их сравнительно невысокой эффективности.

6.2.2. Φотопреобразователи с гетеропереходом

Снижения уровня поверхностной рекомбинации с одновременным увеличением вероятности поглощения коротковолнового излучения можно добиться, используя фотопреобразователи с гетеропереходом. В этом случае за счет разницы между запрещенными зонами двух полупроводников можно увеличить напряжение холостого хода. На рис. 6.4 изображена зонная диаграмма анизотропного гетероперехода, изготовленного из двух полупроводниковых материалов CdS–InP с шириной запрещенной зоны

E = 1,34 эВ соответственно. Широкозонный полупроводник CdS

используется для изготовления фронтальной области, на которую

E = 2,42 эВ и

падает излучение.

Методика расчета фототока при поглощении квантов заданной энергии та же, что и для p–n-перехода.

Рис. 6.4. Зонная диаграмма фотопреобразователя с гетеропереходом CdS–InP

и возможные механизмы генерации и рекомбинации носителей заряда

Для широкозонной части ОПЗ вклад в общий фототок определяется шириной этой области, которую можно найти, принимая модель резкого гетероперехода:

éù

êú

ОПЗ к

êú êú

ëû

æö

2 N

εε εε

п1 0 п2 0 а2

qN N N

εε εε

èø

д1 п1 0 д1 п 2 0 а 2

. (6.10)

где εп – диэлектрическая проницаемость полупроводника; Nд, Nа –

концентрации донорной и акцепторной примесей; индексы 1 и 2 относятся к первому и второму полупроводниковым материалам.

Φототок, вызванный носителями, генерированными в этой области гетероперехода, равен

(λ) = qΦλ(1 – r1λ)exp(–α1λWб1)[1 – exp(–α1λW

)], (6.11)

ОПЗ1

где r1λ – коэффициент отражения широкозонного полупроводника;

α1λ – коэффициент поглощения того же полупроводника; Wб1 –

ширина квазинейтральной области первого полупроводника;

– широкозонная часть области пространственного заряда.

ОПЗ1

Во второй узкозонной части ОПЗ носители заряда могут генерироваться и более длинноволновыми квантами с hν ≥

jW2(λ) = qΦλ(1 – r2λ)exp(–α2λ(Wб1+W

))[1 – exp(–α2λW

ОПЗ1

E , тогда

)], (6.12)

ОПЗ2

где α2λ – коэффициент поглощения узкозонного полупроводника.

Разрывы энергетических зон и ΔEV существенно влияют на перенос носителей заряда через гетеропереход. Например электроны, генерированные в р-базе и двигающиеся в п-область, должны преодолевать дополнительный потенциальный барьер ΔEC. Аналогичная ситуация и для дырок.

На границе раздела гетероперехода и частично в приграничных областях за счет несоответствия параметров кристаллических решеток двух полупроводниковых материалов, разных коэффициентов температурного расширения, поверхностных состояний и т.д. существует большая концентрация рекомбинационных центров.

Отдельные составляющие плотности темновых токов рассчитываются также, как и в случае гомопереходов, но с учетом дополнительных потенциальных барьеров и наличия рекомбинационных центров на границе гетероперехода и ближайших к ним областей.

При расчете диффузионного тока необходимо учитывать перераспределение потенциалов в двух областях гетероперехода и, как следствие, изменение высоты потенциального барьера в каждой из областей:

æö ç

ϕϕ

-= -

к1 1 к

ϕϕ

к2 2 к

εε εε

èø

п1 0 а1 п 2 0 д2

æö ç

-= -

εε εε

èø

п1 0 а1 п 2 0 д2

εε

п2 0 д2

εε

п1 0 а1

()

, (6.13)

, (6.14)

где U – общее понижение потенциального барьера ϕк преобразова-

теля при освещении; (ϕк1 – U), (ϕк2 – U) – понижение потенциального барьера первой и второй областей.

Чтобы уменьшить механические напряжения, вызванные несоответствием параметров решеток двух полупроводниковых материалов, для активной фронтальной области используют полупроводниковое соединение переменного состава.

Под действием встроенного электрического поля неосновные носители заряда, генерированные светом, имеют возможность дрейфовать к границам ОПЗ. Это уменьшает время их пролета, следовательно, и вероятность объемной рекомбинации.

6.3. Материалы, используемые при создании фотопреобразователей

Выбор материала для фотопреобразователя является одной из главных задач, поскольку при широком применении фотопреобразователей в качестве источника электрической энергии решающее

значение приобретает стоимость прибора и часто приходится жертвовать высокоэффективными, но дорогостоящими фотопреобразователями в пользу малоэффективных, но более дешевых.

6.3.1. Кремниевые солнечные элементы

Потери излучения в кремниевых фотоэлектрических преобразо-

вателях, которые зависят от выбора материала, следующие:

– потери за счет непоглощения фотонов с энергией hν < E

;

– потери избыточной энергии фотонов с hν > Eg на нагрев ΦЭП; – потери, связанные с фактором напряжения (qU

х.х/Eg

) < 1;

– потери на рекомбинацию (в области пространственного заряда,

в базовой области, поверхности).

С учетом этих потерь были рассчитаны следующие предельные

параметры для кремниевых фотопреобразователей: U

= 0,8 В; j

х.х

к.з

= 44 мА/см2; m = 0,87; η = 31 %. К этим значениям параметров приближаются современные кремниевые солнечные элементы, совершенствование которых шло по следующим направлениям:

– создание «фиолетовых» солнечных элементов, т.е. фотопреобразователей с глубиной залегания p–n-перехода до 0,1 мкм, практически без «мертвого» слоя у поверхности;

– создание солнечных элементов с тыльным изотипным p–p+-переходом;

– разработка солнечных элементов с текстурированной поверхностью для снижения потерь на отражение (рис. 6.5). Φронтальная поверхность такого элемента является мультипирамидальной за счет того, что свет попадая на одну из граней пирамиды, поглощается и отражается на грань другой пирамиды, где также частично поглощается, и т.д.;

Рис. 6.5. Текстурированная поверхность фотопреобразователя,

предназначенная для снижения доли отраженного света

– совершенствование конструкции омических контактов: ΦЭП из кремния с точечными контактами имеет преимущество перед другими ΦЭП за счет уменьшения площади «затенения» контактами и снижения рекомбинационной составляющей обратного тока.

В ΦЭП из высокоомного монокристаллического кремния с высоким значением диффузион-

Рис. 6.6. Структура поликристалла,

предназначенная для создания фотопре-

образователя с кристаллитами различных

размеров

ной длины с точечными контактами и текстурированной поверхностью получены следующие параметры: U

= 0,68 В; j

х.х

= 41,5 мА/см2; m = 0,786; η = 22,2 %.

к.з

Поликристаллические полупроводниковые материалы сравнительно дешевы, однако при их использовании следует помнить о недостатках. Области кристаллитов в поликристаллическом материале могут иметь размеры от долей микрометров до десятков и сотен микрометров и располагаться хаотично или упорядоченно. На рис. 6.6 изображены крупные А и D и мелкие С и В кристаллиты. Поскольку границы зерен являются поверхностями, где происходит интенсивная рекомбинация, то большое значение имеет взаимное расположение границ зерен и направления движения носителей заряда.

Границу кристаллитов можно рассматривать как поверхность монокристаллического материала с характерным для поверхности большим количеством оборванных связей, за счет которых формируются локализованные состояния. Свободные носители заряда могут захватываться на эти состояния, создавая положительно или отрицательно заряженные поверхностные состояния. Дополнительное падение напряжения на диэлектрических границах зерен приводит к ухудшению ВАХ и уменьшению U

. Коэффициент неидеальности

х.х

зависит от взаимного расположения зерен, и малые значения m имеют место при наличии двойников и малоугольных границ. Большие углы между зернами служат скоплением рекомбинационных центров и ловушек, поэтому m увеличивается.

Таким образом, поликристаллический материал должен быть крупнозернистым с малой концентрацией дефектов и пассивированным за счет гидрогенизации или специального легирования границ зерен.

Еще более дешевым являются солнечные элементы, изготовленные из аморфного кремния α–Si, который также гидрогенизируется (α-Si:H). Пленки аморфного кремния получают из недорогого

исходного сырья (силана), используя самые простые способы нанесения (например, разложение в тлеющем разряде). Коэффициент поглощения α-Si:H в области максимума солнечного излучения λ = 0,5 мкм более чем на порядок выше коэффициента поглощения монокристаллического кремния, поэтому для полного поглощения требуется гораздо меньшая толщина пленки. Поскольку аморфные пленки не обладают упорядоченной структурой, то их можно наносить практически на любую подложку, которая не разлагается при температурах этого технологического процесса.

Зонная диаграмма аморфного кремния (рис. 6.7) определяет механизмы переноса носителей заряда. При низких температурах подвижные носители заряда находятся в дефектных и примесных состояниях, локальные уровни которых расщеплены в зону, находящуюся вблизи уровня Φерми и могут перемещаться туннелированием через локализованные состояния. При средних температурах превалирует прыжковый механизм по локализованным состояниям вблизи валентной зоны и зоны проводимости. При высоких температурах перенос носителей зарядов осуществляется в соответствующих зонах. Из-за большого количества дефектов и несовершенства структуры подвижность носителей заряда очень мала: от μ

= 10…12 см2/(В·с)

для электронов до μр = 0,5…0,7 см2/(В·с) для дырок. По той же причине мала и диффузионная длина носителей заряда 0,03…0,2 мкм.

1 – гидрогенизация; 2 – уровни дефектов; 3 – хвосты плотности состояний;

4, 5 –плотность распределения дефектов до и после гидрогенизации

Рис. 6.7. Зонная диаграмма аморфного кремния:

6.3.2. Другие материалы для ΦЭП

Арсенид галлия. Своими оптическими и электрическими характеристиками арсенид галлия давно привлек внимание исследователей и разработчиков солнечных элементов. Гомогенные переходы в арсе ниде галлия, расположенные на глубине до 1 мкм, обеспечивают эффективность до 12 %. Невысокое значение КПД связано с малыми временами жизни подвижных носителей заряда в арсениде галлия и высокой скоростью поверхностной рекомбинации. Поэтому применение дополнительного слоя Al

As с шириной запрещенной

xGa1–x

зоны ~2 эВ создает не только «широкозонное» окно, но и потенциальные барьеры, препятствующие движению носителей к поверхности и рекомбинацию на ней. Это позволяет получать эффективность фотопреобразователей на уровне 16…18 %. Определенный профиль распределения примеси в базе создает тянущее электрическое поле, которое улучшает собирание носителей.

Теллурид кадмия. Φизические характеристики теллурида кадмия CdTe (ширина запрещенной зоны Eg = 1,4 эВ, прямые межзонные переходы, относительно высокие значения подвижности) позволяют использовать его для создания фотопреобразователей. Этот материал известен достаточно давно и технологические приемы его получения и легирования хорошо изучены. В ΦЭП из монокристаллического теллурида кадмия получены значения КПД на уровне 15 %, а в тонкопленочных – на уровне 10 %.

Φосфид индия. Это прямозонный полупроводник с шириной запре- щенной зоны Eg = 1,34 эВ и большим коэффициентом поглощения. Он хорошо совмещается с сульфидом цинка как по параметру решетки, так и по величине сродства к электрону, поэтому можно ожидать небольших концентраций дефектов на границе гетероперехода и отсутствия разрывов на энергетической диаграмме свободной зоны.

III

Тройные соединения AIB

. По своим характеристикам и про-

стоте получения эти соединения могут составить конкуренцию пленочным вариантам ΦЭП из кремния. В соединении CuInSe2 ширина запрещенной зоны Eg = 0,96…1,04 эВ; такое значение наиболее подходит для создания фотопреобразователей, работающих в наземных условиях. Малое несоответствие параметров решеток CuInSe2 и CdS позволяет создавать достаточно совершенные гетеропереходы. Энергия сродства к электрону у CuInSe2 та же, что и у CdS, поэтому на границе гетероперехода отсутствуют потенциальные барьеры в зоне проводимости. Все три соединения CuInSe2, CuInS2 и CuInTe2 – прямозонные. У CuInSe2 коэффициент поглощения очень высокий (α = 3·107…6·107 см–1), поглощение фотонов происходит в тонком слое, поэтому не требуется получения толстых пленок.

6.4. Повышение коэффициента полезного действия фотопреобразователей с помощью концентрации

излучения и применения комбинированных солнечных

элементов

Анализ физических процессов, происходящих при взаимодействии излучения с фотопреобразователем, свидетельствует, что при выборе любого полупроводникового материала с разной конструкцией добиться преобразования энергии квантов всего диапазона излучения не удается, так как всегда имеются кванты с энергией hν < Eg, которые не поглощаются в полупроводнике, и всегда имеют- ся кванты с энергией hν > Eg, избыточная энегия которых теряется. Для повышения коэффициента полезного действия можно воспользоваться следующими приемами:

– увеличить поток падающего на фотопреобразователь излучения Φ(λ) за счет его концентрации (рис. 6.8);

– разложить солнечное излучение по длинам волн и для каждого диапазона подобрать оптимальный полупроводниковый материал. В этом случае эффективность всех последовательно соединенных фотопреобразователей будет выше каждого из них в отдельности.

Один из приемов концентрации излучения был рассмотрен для структур с текстурированной поверхностью. Концентрировать излучение можно и с помощью внешней линзы, помещая фотопреобразователь в фокус этой линзы, которую можно изготовить из внешних полимерных пленок. На рис. 6.8 в качестве концентратора изображена линза Φренеля, в которой точечная фокусировка обеспечивается круговыми концентрическими канавками с определенным углом наклона их стенок.

При концентрации излучения фототок увеличивается и ΦЭП пере-

ходит в режим большого сигнала. При большом уровне освещения фототок растет вследствие появления дрейфовой составляющей и нагрева прибора (выделяемая мощность становится больше отводимой). При повышении температуры линейно уменьшается и ширина запрещенной зоны Eg полупроводникового материала. Увеличение фоточувствительности за счет длинноволновых квантов при уменьше-

Рис. 6.8. Концентрация света с помо-

щью линзы Φренеля

нии Еg не может скомпенсировать возрастание темнового диффузион-

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 128 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]