ФЭП с низким уровнем оптических потерь

3SiH4 + 4NH3 -> Si3N4 + 12H2     (2.3)

Но на практике в результате получаются нестехиометрические пленки с большим количеством водорода (SixNy:H).

В ранних солнечных элементах использовался диоксид титана (TiO2), который создает хорошее антиотражение, легок в нанесении, но не очень хорошо пассивирует поверхность.

 

3 Моделирование оптических ловушек в фотоэлектрических приборах

Оптимальная толщина устройства определяется не только необходимостью поглотить весь свет. Например, если свет поглощается на расстоянии от p-n перехода, превышающем диффузионную длину, то сгенерированные носители рекомбинируют до того, как будут разделены. Кроме того, как будет сказано на странице в следствие рекомбинации, при одинаковом поглощении более тонкий СЭ может иметь более высокое напряжение. Следовательно, оптимальный СЭ будет иметь световые ловушки, в которых длина оптического пути  в несколько раз превышает толщину устройства. Здесь длина оптического пути - это расстояние, проходимое фотоном, через СЭ. Обычно ее выражают в толщинах СЭ. Например, СЭ без световых ловушек имеет длину оптического пути, равную его одной толщине, тогда как СЭ с хорошими ловушками может иметь длину оптического пути равную 50, показывающую, что свет отражается внутри элемента несколько раз.

Рис. 3.1. Световая ловушка, созданная с помощью случайного отражения от задней поверхности

Световые ловушки обычно реализуют изменяя угол, под которым свет проходит через СЭ, делая поверхность, на которую он падает, наклонной. Текстурирование поверхности не только уменьшает отражение, как было сказано выше, но и отклоняет проходящий свет от прямолинейного направления, делая длину оптического пути большей, чем толщина СЭ.

Угол, под которым свет преломляется в полупроводнике, дается законом Снеллиуса:

       (3.1)

где θ1 и θ2 - углы падения света на поверхность раздела сред с коэффициентами преломления n1 и n2, отсчитываемые от нормали. 

Используя закон Снеллиуса, можно записать угол, под которым свет входит в полупроводник (угол преломления):

      (3.2)

В текстурированном монокристаллическом СЭ, вследствие определенного положения атомов в кристаллической решетке,  θ1 равен 36 градусов.

Рис.3.2. Отражение и  преломления света в текстурированном СЭ.

Например, коэффициент преломления первой среды, n1 = 1, Коэффициент преломления второй среды, n2 =1,5. Угол падения,θ1= 30 градусов, Угол преломления,θ2= 19.4691 градусов, Часть отраженного света, R = 0.0415, Часть пропущенного света, T = 0.9585.

Если свет проходит через среду с с низким показателем преломления, существует вероятность полного внутреннего отражения. Угол, при котором это происходит можно найти положив θ2 равным нулю.

        (3.3)

Например,  коэффициент преломления первой среды, n1 =1,5. Коэффициент преломления второй среды, n2 =1,0. Критический угол полного внутреннего отражения, θ1= 41.8103 градусов.

Используя полное внутреннее отражение можно создать ловушку для света внутри СЭ, заставляя его проходить через  СЭ несколько раз, тем самым увеличивая длину оптического пути даже в тонком СЭ.

Оптимальная толщина ФЭП со световым ловушками и очень хорошей пассивацией поверхности составляет около 100 мкм. Однако на практике используются подложки толщиной 200 - 500 мкм отчасти из-за трудностей при производстве и обращении с ними, отчасти из-за пассивации поверхности

В кремнии толщиной больше 100мкм  без световых ловушек  поглощается практически весь свет с энергией больше ширины запрещенной зоны. В материале  без световых ловушек толщиной 30мкм поглощается только 30% всего света. Потери происходят в длинноволновой части спектра: красный и оранжевый свет.

Рис.3.3. Световая ловушка, созданная с помощью случайного отражения от поверхности  тыльного контакта 
4 Проектирование фотоэлектрического элемента с улучшенными оптическими характеристиками.

Теоретический предел фотоэлектрического преобразования превышает 90%. Однако, при получении этой цифры использовался ряд условий, которые практически невозможно выполнить в реальном устройстве  даже при современном уровне технологий и понимания физики СЭ. Для кремниевых СЭ более реальный КПД при 1 sun составляет порядка 26-28%. Сегодня максимальный КПД СЭ при условии АМ1.5 составляет 24.7%.

КПД реальных СЭ не дотягивает до максимального теоретически возможного, равного 90%, в основном по двум причинам:  
Первая состоит в том, что при моделировании предполагается, что энергия каждого фотона используется оптимально: материал имеет ширину запрещенной зоны равную энергии фотона и все фотоны поглощаются. Теоретически это достигается с помощью бесконечной последовательности СЭ с различной шириной запрещенной зоны, каждый из которых поглощает соответствующие ему фотоны.

Вторая заключается в том, что высокий КПД предполагает концентрацию излучения. Если пренебречь изменением температуры и проводимости, то увеличение концентрации пропорционально увеличивает ток короткого замыкания. Так как напряжение холостого хода логарифмически зависит от тока короткого замыкания, оно тоже увеличивается с ростом концентрации света. Более того, максимально возможный коэффициент квадратичности тоже увеличивается, так как он зависит от VOC. Все это позволяет достичь более высокого КПД при концентрации излучения. Для однопереходных СЭ главные пути увеличения эффективности это:

- Увеличение количества поглощенного света, рождающего свободные носители тока; 

-Увеличение разделения сгенерированных светом носителей p-n переходом;

- Уменьшение темнового тока прямого смещения;   

- Уменьшение потерь на сопротивлениях.

Рис.4.1. Рост КПД солнечных элементов.

При конструировании СЭ пытаются использовать всё возможное для получения максимального КПД. В то же время для различных приложений внимание акцентировано на различных параметрах СЭ.

Для коммерческих СЭ важнейшим параметром является также себестоимость производства, тогда как для для лабораторных СЭ первичным является КПД.В нашем случае рассмотрим элемент с улучшенными оптическими характеристиками.

Работа СЭ на мультикристаллическом кремнии основана на внутреннем фотоэффекте в полупроводниковой структуре с p-n переходом. Упрощенная конструкция СЭ представляет собой кристалл, состоящий из двух слоев различных типов проводимостей. Полупроводник n-типа содержит некоторое количество примесных атомов донорного типа, которые при комнатной температуре практически все ионизированы.

Таким образом, в этом полупроводнике имеется n0 свободных равновесных электронов и такое же количество подвижных заряженных ионов. В дырочном полупроводнике реализуется схожая ситуация. В нем имеется р0 свободных дырок и столько же отрицательно заряженных ионов. Схема кремниевого солнечного элемента приведена на рисунке 4.2.

 

Рис. 4.2. Схема кремниевого солнечного элемента

Солнечный фотоэлемент преобразует только часть падающей на него энергии излучения в электрическую энергию, выделяющуюся в сопротивлении нагрузки. Остальная часть энергии теряется в результате явлений, наблюдающихся во время преобразования энергии. На рис. 4.6 приведена классификация потерь энергии в солнечном фотоэлементе

 

Рис.4.3. Потери энергии в солнечном элементе: Rш — шунтирующее

сопротивление; Rп — последовательное сопротивление.

 

Анализ распределения потерь энергии падающего излучения в кремниевом солнечном элементе:

• термализация (передача энергии решетке) горячих носителей заряда,

возникающих при поглощении фотонов с энергией hv> Eg — 29,2 %;

• прохождение через элемент фотонов низких энергий hv<Eg, не сопровождающееся генерацией электронно-дырочных пар — 18,8 %;

• неполное собирание фотогенерированных носителей заряда — 4,5 %;

• рекомбинационные потери носителей заряда в переходе, определяемые диодными параметрами — 19,2 %;

• потери мощности в диоде при прямом напряжении смещения, равном  Vm, омические потери мощности I2R на последовательном и шунтирующем сопротивлениях — 4,7 %;

• потери на отражение (отражение  света от фотоприемных поверхностей) — 2,0 %;

• потери на затенение поверхности контактной сеткой — 4,0 %;

• нефотоактивное поглощение (поглощение света просветляющим покрытием, дефектами и т. д.) — 1,0 %.

Из перечисленного видно, что наибольшими в СЭ являются потери на термализацию горячих носителей заряда.

Проникновение излучения через поверхность фотоэлемента. Первым явлением, вызывающим потерю падающей энергии, является отражение излучения от поверхности полупроводника. Отражение в значительной мере определяется состоянием поверхности, а также зависит от физических параметров полупроводника. В соответствии с расчетами для материалов со структурой алмаза и шириной запрещенной зоны 1,0–1,5 эВ следует ожидать отражения около 30 %. Для кремния отражение в видимой области спектра составляет около 40 %. Чтобы уменьшить потери, вызванные отражением, на поверхности кремния создается просветляющий слой, например из SiO2.

КПД проникновения, показывающий, какая часть падающей энергии проникает через поверхность полупроводника в глубь пластинки, определяется из выражения (4.1)

Поглощение излучения. Часть излучения, проникающего в глубь полупроводника, поглощается в нем. Остальная часть излучения проходит черезвсю толщину пластины и бесполезно поглощается задним металлическим электродом. КПД поглощения излучения в полупроводнике находится из выражения

(4.3)

Количество энергии, теряемой в результате поглощения задним электродом, определяется коэффициентом поглощения излучения и толщиной полупроводниковой пластинки, в которой выполнен  p–n-переход. Обычно до заднего электрода доходит очень малая часть излучения в длинноволновой части спектра.

Генерация носителей заряда. Не вся поглощенная в объеме полупроводника энергия идет на генерацию пар электрон-дырка. Часть ее тратится на образование экситонов и возбуждение колебаний кристаллической решетки, что  приводит к повышению температуры полупроводника. Поглощение, связанное с генерацией пар электрон-дырка, определяется квантовым выходом внутреннего фотоэффекта.

КПД генерации, определяющий ту часть поглощенной полупроводником энергии, которая вызывает образование пар электрон-дырка, находится по формуле:

                                (4.4)

На рис. 2.10 представлен спектр солнечного излучения и кривые, определяющие максимальную величину энергии с данной длиной волны, которая может идти на генерацию пар электрон-дырка в полупроводниках сразной шириной запрещенной зоны. Приведенные кривые рассчитаны для случая, не учитывающего отражение от поверхности и проникновение излучения до заднего электрода, т. е. Rл = 0 и W = max.

Рис.4.4. Спектр солнечного излучения.

Как видим, энергия длинноволновой части спектра, соответствующаяэнергии квантов, меньшей чем  Eg полупроводника, полностью теряется. В связи с этим количество полезно поглощенных фотонов уменьшается при увеличении Eg полупроводника. Однако с увеличением ширины запрещенной зоны относительно возрастает поглощение в области максимума солнечного спектра, где фотоны имеют более высокую энергию. Поэтому существует оптимальная ширина запрещенной зоны, при которой часть энергии спектра, идущая на генерацию пар электрон-дырка, наибольшая.

Также следует добавить, что структуры, собранные из нанопроволочек кремния имеют преимущество очень небольшой отражательной способности в широком диапазоне видимого спектра, которое может быть получено без специально разработанных анти-отражательных покрытий. Эта малая отражательная способность существенно улучшает эффекты оптического поглощения в высокочастотной (коротковолновой) части видимого спектра, однако в низкочастотной (длинноволновой) части спектра такое улучшение не может быть получено, из-за малой величины коэффициента экстинкции кремния, которая определена как потери излучения на рассеяние и поглощение. Низкое поглощение в низкочастотной области может быть повышено при использовании более длинных проволочек или ловушек излучения.

Заключение

 

В данном курсовом проекте рассмотрена тема фотоэлектрических преобразователей с низким уровнем оптических потерь. На мой взгляд, наилучшим решением проблемы  оптических потерь в ФЭП является переход на новую технологию их производства, использование прогрессивных технологий, удачное сочетание характеристик световых ловушек, антиотражающего покрытия,  текстурирования поверхности, а также заднего отражателя. Это позволит увеличить КПД новых ФЭП на несколько процентов. 

В заключении стоит отметить, что кристаллический кремний доминирует на рынке фотоэлектричества. Так же, как и в случае с транзисторами, параметры кремния не идеальны для ФЭП. В частности, запрещенная зона кремния слишком мала для оптимального ФЭП и, так как кремний является не прямым полупроводником, он имеет низкий коэффициент поглощения, который, впрочем, можно компенсировать световыми ловушками. Из кремния также тяжело вырастить тонкие подложки. Однако из-за его изобилия на Земле и распространенности в полупроводниковой промышленности кремний выигрывает у других материалов для ФЭП.