Фотоэлектрический эффект

 

2.2 Фотоэлементы  на основе кристаллических пленок

CuInSe₂ (CIS)

 

CuInSe₂ является еще одним перспективным материалом для солнечных элементов. Современный рекорд эффективности для лабораторных устройств на основе CIS с добавлением Ga составляет 19,5%, что превышает эффективность элементов на поликристаллическом кремнии. Модули коммерческого размера имеют эффективность более 13%. Типичная структура ячейки на основе CIS состоит из подложки (натриево-кальциево-силикатное стекло, или гибкая подложка из нержавеющей стали или полиимида), на которую нанесен Мо (1 мкм; осаждается при комнатной температуре), затем слой Cu(In-Ga)Se₂ (~1 мкм), затем CdS (~70 нм), поверх которого наносится прозрачная проводящая пленка ZnO (~350 нм). Были также изготовлены ячейки с эффективностью 18,6%, не содержащие кадмия, в которых CdS заменен на ZnS. Для получения крупнокристаллических пленок CIGS высокого совершенства на разных этапах их синтеза варьируют стехиометрию по меди и индию. Одним из ключевых аспектов технологии является присутствие натрия, для чего используют Na-содержащее стекло или натрий вводят дополнительно в виде различных солей в случае использования металлических или полимерных подложек. Недостатком этих устройств является сложность получения высококачественных пленок CIGS, обусловленная сложностью фазовой диаграммы этого четверного соединения, а также деградация свойств в результате атмосферного влияния. Для повышения надежности и ресурса работы фотоэлементов на основе пленок CIGS необходимо понять механизмы деградации их свойств и разработать эффективную технологию их герметизации для длительного использования в условиях атмосферы.

 

 

 

 

3 ПРИНЦИП РАБОТЫ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

 

Фотовольтаические системы представляют собой плоские солнечные преобразователи, в которых солнечная энергия собирается непосредственно модулями. Такие системы являются, как правило, статичными с фиксированной ориентацией, но может использоваться и система слежения за солнцем.

В целом фотовольтаические системы состоят из модулей, т. е. соединения отдельных солнечных элементов, генерирующих электричество, так называемого баланса системы (balance-of-system – BOS), т. е. части фото-вольтаической системы за исключением солнечных элементов, включающей кабельное соединение, опорные конструкции, аккумуляторы, контролер заряда, электронную часть, преобразователь постоянного в переменный ток и др. Некоторые из компонент баланса системы не являются обязательными для фотовольтаических систем. Например, в состав большинства автономных фотовольтаических систем входят аккумуляторы, которые заряжаются в дневное время суток, в то время как солнечные элементы работают и снабжают потребителей электроэнергией в темное время суток. При этом аккумуляторы могут отсутствовать в системах, подключенных к центральной энергетической сети, которая в данном случае является «виртуальным аккумулятором».

В состав фотовольтаических систем с концентрацией излучения входят системы точного слежения за Солнцем. Причем точность слежения должна повышаться с увеличением концентрации излучения. В этом случае требуется создание специальных опорно-поворотных устройств, оснащенных датчиками положения Солнца и электроприводами. В таких фотовольтаических системах требуется принудительное охлаждение, для чего при невысоких концентрациях излучений используются медные радиаторы. В случае высоких концентраций требуется уже водяное охлаждение.

 

2.1 Солнечный элемент  в отсутствие освещения. 

 

Наиболее распространена структура солнечного элемента на основе полупроводникового p–n-перехода. Схематически простейший солнечный элемент изображен на рис.1.

 

 

Рисунок 1 - Схематическое изображение солнечного элемента с p–n-переходом: а – вид сверху; б – вид сбоку

 

Темновой ток p–n-перехода при прямом смещении определяется тремя основными механизмами переноса (рис. 2):

1) инжекционный (диффузионный) ток, обусловленный инжекцией (диффузией) основных носителей заряда через p–n-переход;

2) рекомбинационный ток,  вызванный рекомбинацией электронов и дырок на уровнях глубоких ловушек в области пространственного заряда;

3) туннелирование по глубоким ловушкам в области пространствен-ного заряда.

 

 

Рисунок 2 - Энергетическая диаграмма p–n-перехода, иллюстрирующая различные механизмы переноса носителей заряда: 1 – инжекционный (диффузионный) механизм; 2 – рекомбинационный механизм; 3 – туннелирование по ловушкам

 

В солнечных батареях на основе p–n-перехода инжекционный (диффузионный) ток, как правило, является преобладающим. Рекомбинационный механизм переноса носителей становится преобладающим в случае, если солнечная батарея (СБ) изготовлена из материала невысокого качества, например, поликристаллического или аморфного полупроводника. Туннелирование становится заметным при использовании материала худшего качества в солнечных батареях на основе Cu₂S/CdS,

Темновой ток I_D через p–n-переход солнечной батареи равен сумме токов, обусловленных инжекцией (диффузией) I_d, рекомбинацией I_r и туннелированием It:

(1)

 

 

3.1.1 Диффузионный ток

 

Обусловленный инжекцией  дырок из p-области в n-область  и электронов из n-области в p-область диффузионный ток может быть найден с помощью известной формулы Шокли, характеризующей вольт-амперную характеристику идеального диода.

При вычислении вольт-амперной характеристики используются следующие допущения:

 

1) контактная разность  потенциалов и приложенное напряжение уравновешены двойным заряженным слоем с резкими границами, вне которых полупроводник считается нейтральным;

2) в обедненной области  справедливы распределения Больцмана;

3) плотность инжектированных  неосновных носителей мала по срав-нению с концентрацией основных носителей;

4) в обедненном слое  отсутствуют токи генерации (через него проте-кают постоянные электронный и дырочный токи).

Согласно соотношению  Больцмана в состоянии равновесия:

 

(2)

 

 

(3)

 

 

 

 

Поскольку в состоянии  теплового равновесия справедливы  выражения (2) и (3), то произведение рn равно n_i² . При подаче на переход напряжения по обеим его сторонам происходит изменение концентрации неосновных носителей и произведение рn уже не равно n_i². При наличии внешнего источника напряжения определим:

 

 

 

 

(4)

 

 

(5)

 

 

 

Из выражений (2)–(5) следует:

 

(6)

 

 

(7)

 

 

 

 

(8)

 

 

 

Рисунок 3 - Зонная диаграмма p–n-перехода: а – прямое смещение; б – обратное смещение

 

При прямом смещении (φ_p- φ_n)>0 и pn> n_i², а при обратном смещении (φ_p- φ_n)<0 и pn< n_i².

 

 

Уравнения для плотности  электронного и дырочного токов в полупро-воднике в общем виде имеют полевую и диффузионные (обусловленную градиентом концентрации) составляющие:

 

(9)

 

(10)

 

 

 

Из выражений (9), (10) и (4) с учетом того, что получим:

 

 

(11)

 

 

 

 

Аналогично для дырочного  тока:

 

(12)

 

 

Таким образом, плотности  электронного и дырочного токов пропорциональны градиентам квазиуровней Ферми для электронов и дырок соответственно. В состоянии теплового равновесия φ_p= φ_n = const и J_p = J_n = 0.

Из выражения (8) можно получить концентрацию электронов на границе обедненного слоя в р-области перехода x = -x_p. (см. рисунок 3)

 

 

(13)

 

 

 

Аналогично для концентрации дырок на границе обедненного слоя в n-области перехода при x = -x_n:

 

 

 

 

 

(14)

 

 

 

 

Уравнения (13) и (14) являются граничными условиями для вычисления вольт-амперной характеристики.

В стационарном состоянии  уравнения непрерывности записываются в виде

 

 

(15)

 

 

(16)

 

 

 

Поскольку в первом приближении  соблюдается зарядовая нейтральность, то n-n_n0≈ p-p_n0. Умножая уравнение (15) на μ_pp_n и уравнение (16) на μ_nn_n и учитывая соотношение Эйнштейна D=(kT/q) μ, получим:

 

(17)

 

 

 

 

 

 

 

В случае малого уровня инжекции (т. е. при p_n<<n_n≈n_n0 в полупро-воднике n-типа) уравнение (17) упрощается:

 

(18)

 

 

 

В нейтральной области, где  отсутствует электрическое поле, уравнение (18) существенно упрощается:

 

(19)

 

 

Решение уравнения (19) с граничными условиями, задаваемыми выражением (14), при условии p_n (x=∞)= p_n0 имеет вид

 

 

(20)

 

 

 

 

 

 

(21)

 

 

Аналогично, рассматривая р-область, получим плотность электронного тока

 

(22 )

 

 

Общий ток через переход  равен сумме токов J_n+J_p (см. (21) и (22)).

Принимая во внимание, что  разность электростатических потенциалов  на p–n-переходе определяется величиной  V= φ_p- φ_n n, получаем для общего

диффузионного тока

 

(23)

 

 

 

 

(24)

 

 

 

Из выражения (24) можно получить

 

(25)

 

 

 

3.1.2 Рекомбинационный ток

 

Рекомбинационный ток  через p–n-переход солнечной батареи обусловлен рекомбинацией электронов и дырок через глубокие уровни в области объемного пространственного заряда. Электроны из n-области не проникают в p-область, а захватываются глубокими уровнями в области объемного заряда p–n-перехода. На эти же уровни попадают и дырки из p-области.

В результате рекомбинации носителей глубокие уровни освобождаются, и процесс может повториться.

Использование статистики Шокли — Рида — Холла позволяет получить следующее выражение для рекомбинационного тока:

 

(26)

 

 

 

 

 

 

 

 

(27)

 

 

 

Величина коэффициента m изменяется от 1 до 2 в зависимости от положения глубокого уровня в запрещенной зоне. В частности, m = 2, когда рекомбинация электронно-дырочных пар происходит на уровне в середине запрещенной зоны, и m<2, когда рекомбинационный центр расположен не в середине запрещенной зоны.

Диффузионный ток в  большей степени зависит от температуры, чем рекомбинационный, поскольку . Для типичных солнечных батарей на основе p–n-перехода инжекционный ток находится в диапазоне от 10^–8 до 10^–12 А/см², в то время как величина рекомбинационного тока зависит от плотности рекомбинационных центров в области объемного пространственного заряда. Наличие рекомбинационного тока в темновом токе заметно при малых и средних прямых смещениях и уменьшается при высоких прямых смещениях. Для солнечных батарей на основе высококачественных полупроводников рекомбинационным и туннельным токами можно пренебречь.

 

3.2 Солнечный элемент  под освещением

 

3.2.1. Фотовольтаический эффект в p–n-переходах

 

На p–n-переходах существует контактная разность потенциалов. Этот потенциальный барьер обусловлен электрическим полем, которое появляется в результате диффузии основных носителей заряда через p–n-переход. При термодинамическом равновесии положение уровня Ферми во всей системе постоянно и энергетическая схема p–n-перехода отображена на рис.4. В этом случае токи обусловлены свободными носителями заряда, генерируемыми за счет теплового возбуждения, и в равновесии суммарный ток равен 0.

 

 

Рисунок 4 - Энергетическая схема p–n-перехода и токи носителей заряда при термодинамическом равновесии (а) и освещении (б), (в)

 

Предположим теперь, что  на p–n-переход падают фотоны с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны. В результате поглощения фотона возникает электронно-дырочная пара. Под действием внутреннего поля в p–n-переходе созданные светом носители заряда движутся в противоположных направлениях: дырки — в p-область, а электроны — в n-область.

Эти перешедшие через p–n-переход  носители заряда создадут добавочный ток. Так как перешедшие в p-область избыточные дырки уменьшают отрицательный объемный заряд, то энергетические уровни в p-области снижаются, в результате чего происходит понижение потенциального барьера.