Влияние дополнительных факторов в реальных СЭ

Основы процесса преобразования света в СЭ. Соотношения для тока обратного смещения

В обоих случаях получаются трансцендентные уравнения, которые могут быть решены лишь приближённо. Для тока можно также записать уравнение, связывающее его с напряжением холостого хода:

. (1.7)

Это уравнение также является трансцендентным.

Ток I_s, входящий в полученные выражения представляет собой ток p-n перехода при обратном смещении. Для идеального p-n перехода его величина определяется следующим выражением:

, (1.8)

где D_p, D_n- коэффициенты диффузии дырок и электронов соответственно, p_n0 - равновесная концентрация дырок в области полупроводника n-типа, n_p0 –равновесная концентрация электронов в области полупроводника p-типа, L_p =(D_pτ_p)^1/2 и L_n =(D_nτ_n)^1/2 – диффузионная длина соответственно дырок и электронов, достигающая в чистых образцах Si значений порядка 1 см, τ_p и τ – среднее время жизни электронов и дырок.

Для солнечного фотоэлемента с учетом L=(Dτ)^1/2 плотность тока насыщения можно определить по соотношению:

_, (1.9)

где Е_g – ширина запрещенной зоны п/п. Минимальное значение I_s для кремния при 300 K составляет примерно 10^-15 А/см².

Приведенные соотношения позволяют рассчитать напряжение холостого хода, условие максимума мощности, оценить плотность тока короткого замыкания.

При рассмотрении процессов в реальных приборах необходимо учесть ряд дополнительных факторов:

– отражение светового потока на границе раздела атмосфера - защитное покрытие - полупроводник,

– спектр поглощения структуры,

– распределение поглощённого излучения по толщине,

– поверхностную и объёмную рекомбинацию фотоносителей,

– профиль легированной области полупроводника,

– содержание примесей в исходном материале,

– наличие дефектов и слоя окисла на освещаемой поверхности полупроводника,

– сопротивление p- и n-областей, а также контактов фотоэлемента.

Учёт поверхностной и объёмной рекомбинаций приводит к следующему выражению для фототока:

, (1.10)

где β-коэффициент, учитывающий оба вида рекомбинации, который может быть рассчитан по уравнению:

, (1.11)

где L_n=(D_nτ_n)^1/2 –диффузионная длина в объёме, L_s=D_n/s –диффузионная длина вблизи поверхности, s- скорость поверхностной рекомбинации.

В качестве ориентира при измерении этих величин могут использоваться их значения для чистого кремния:

τ=2,5*10^-3 с; μ_n=1500 см²/В*с; μ_p=470 см²/В*с; L_n=0,76 мкм;

L_p=0.55 мкм; D_n=34см²/В*с; D_p= 12 см²/В*с; ρ=2,3*10⁵ Ом*см; n_e=n_p=1.5*10¹⁰ см^-3; E_g=1,12 эВ, N_ат=4,99*10²² см^-3.

В таблице приведены предельные растворимости примесей в кремнии. Буквами «з» и «в» обозначены дефекты замещения и внедрения.

Таблица 1 – Предельные растворимости примесей в кремнии

Примесь

In

Tl

N2

P

As

Sb

Bi

Li

Mn

Fe

Cu

Zn

Sn

Растворимость, атм/см^3

10^19

10^17

10^19

10^22

10^20

10^19

10^17

10^19

10^16

3.10^16

10^18

6.10^16

2.10^19

Тип примеси

p

p

-

n

n

n

n

n

n

-

p

p

-

Вид дефекта

з

з

з

з

з

з

з

в

в

в

в, з

з

з

Распределение подводимого светового потока по глубине «х» слоя может быть найдено из закона Бугера:

, (1.12)

где q₀ –плотность мощности потока на поверхности, A = - поглощательная способность поверхностного слоя кремния, величина которого не превышает единицы, - линейный коэффициент поглощения, значение которого для полупроводников и диэлектриков составляет порядка 10⁴ – 10⁵ см^-1.

Профиль легированных областей полупроводника зависит от способа введения примеси и при использовании метода термической диффузии является либо экспоненциальным, либо пропорционален erfc {x/[2(Dt)^1/2]}.

Дата добавления: 2013-12-12