Оптичні характеристики ФЕП на основі кремнію

 

1.3. Методи зменшення коефіцієнта відбиття від поверхні кремнієвого ФЕП

Існує декілька способів зменшення оптичних втрат:

• зменшення площі лицьових контактів (хоча це може призвести до збільшення послідовного опору);
• нанесення антивідбиваючих покриттів на лицьову поверхню
• текстурування поверхні
• ФЕП можна зробити більш товстим, щоб збільшити поглинання (хоча зазвичай світло, поглинувши на відстані більше однієї дифузійної довжини не внесе вклад у ток, так як носії рекомбінують до того, як бути розділеними)
• збільшення оптичного шляху в ФЕП шляхом комбінування текстурування поверхні зі світловими пастками [5].

 

1.3.1. Текстурування поверхні кремніефих ФЕП. Домогтися плавної зміни показника заломлення можна за допомогою текстурування поверхні, тобто створення на ній масиву з конусоподібних розсіювачів або двовимірних канавок.

Текстурована поверхня володіє антивідбиваючими властивостями  також і в короткохвильовій межі, при довжинах хвиль набагато менших характерного розміру текстури. Це пов'язано з тим, що промені, спочатку відбившись від текстурованої поверхні, мають шанс проникнути в середовище при подальших перевідбиттях. При цьому текстурування поверхні створює умови, за яких минулий промінь може відхилитися від нормалі, що веде до ефекту заплутування минулого світла (англ. - light trapping), використовуваному, наприклад, в сонячних елементах.

Оптичні властивості  текстурованих поверхонь в короткохвильовій межі можуть бути описані наближенням геометричної оптики. Для чисельного моделювання в цьому наближенні широко використовується метод трасування променів. Цей метод полягає в запуску безлічі геометричних променів і відстеження взаємодій кожного з них із заданими поверхнями.

Рис. 1.7. Принцип роботи тектурованої поверхні.

 Основою пірамідок є трикутники, шестикутники, квадрати і круги (в цьому випадку пірамідка вироджується в конус). Відстань між бічною стороною основних пірамідки і її центром є L. Пірамідки щільно упаковані в квадратну або трикутну решітки з періодом.

Рис. 1.8. Види текстурованої поверхні.

Будемо окремо виділяти два випадки: випадок повного  замощення підкладки підставами пірамідок (це відповідає щільній квадратної чи трикутної упаковки пірамідок з квадратними або трикутними підставами відповідно) і випадок неповного замощення (це відповідає конуса, оскільки між їх круглими підставами завжди є зазор). Наглядний приклад трикутної текстурованої поверхні вказаний в додакту (рис. А.1). Приклади квадратного та конусного текстурування (рис. А.2) [6].

 

1.3.2. Антивідбиваюче покриття. Одним із способів зменшення відбиття є просвітлення оптики, яке полягає у створенні на поверхні тіла оптично тонкої плівки. Принцип її дії заснований на взаємному гасінні інтерферуючих один з одним променів, які відбиваються від зовнішньої і внутрішньої сторін плівки. У одношарових просвітлюючих покриттів є серйозний недолік: вони можуть бути використані тільки для вузького діапазону довжин хвиль і кутів падіння. Цей діапазон можна розширити, застосовуючи багатошарові покриття. Принцип дії таких покриттів той же, що і у одношарових, - взаємне інтерференційне гасіння двох або декількох хвиль, відбитих від різних меж розділу між шарами. Конкретні значення товщин шарів та їх показників заломлення можуть підбиратися залежно від бажаного ефекту: близький до нуля коефіцієнт відбиття в широкій спектральній області або в широкому діапазоні кутів для заданої довжини хвилі. Недоліком багатошарових покриттів є проблематичність знаходження матеріалів з ​​потрібною діелектричною проникністю.

Рис. 1.9. Принцип роботи антивідбиваючого покриття.

Альтернативою багатошаровим покриттям можуть служити шари з безперервно мінливим коефіцієнтом заломлення. Застосування таких покриттів дозволяє досягти низьких значень коефіцієнта відбиття в широкому спектральному діапазоні. Однак і у цього методу є свої недоліки, серед яких невідповідність температурних коефіцієнтів розширення одержуваних шарів і адгезія [6].

 

1.3.3 Ламбертів задній відбивач. Це особливий вид заднього відбивача, світло від якого відбивається у випадковому напрямку. Висока відбивна здатність задньої поверхні ФЕП зменшує поглинання на задніх контактах елемента, дозволяючи світлу відбиватися назад в елемент і, можливо, поглинутися там. Випадковість напрямку відображення призводить до повного внутрішнього відображення значної частини фотонів. Світло, що досягло поверхні під кутом, більшим, ніж кут повного внутрішнього віддзеркалення, відбивається назад до задньої поверхні. Таким чином можна значно збільшити поглинання світла, так як довжина оптичного шляху збільшується до 4n2, де n - показник заломлення напівпровідника. Ламбертів задній відбивач показаний на (рис. 1.10) [5].

Рис. 1.10. Схема роботи Ламбертового відбивача.

Світлова пастка, створена за допомогою випадкового відображення від задньої поверхні. Світло, яке відбилося під кутом меншим кута повного внутрішнього відображення, покидає ФЕП. У реальних пристроях лицьова поверхня також текстурується, наприклад, пірамідами, як говорилося вище[7].

 

1.3.4 Зменшення товшини  матеріалу. Зменшення відбиття важливий крок на шляху досягнення більш високої ефективності. Але важливо так само і поглинути все світло в ФЕП. Кількість поглиненого світла залежить від довжини оптичного шляху і коефіцієнта поглинання.

У кремнії товщиною більше 10мм поглинається практично все світло з енергією більше ширини забороненої зони. У  матеріалі товщиною 30мкм поглинається тільки 30% всього світла. Втрати відбуваються в довгохвильовій частині спектру: червоне і померанчове світло[5].

 

1.4Спектральні характеристики  кремнієвих ФЕП

На рис. 1.11 представлена ​​розрахункова спектральна залежність коефіцієнта збирання кремнієвого ФЕП (1) та показаний внесок у фотовідповідь різних частин структури: фронтального шару (2), області об'ємного заряду (3) і базової області (4). Параметри структури, використані при розрахунку: питомий опір базової області р-типу ρ = 1 Ом·см, швидкість поверхневої рекомбінації s =10⁴ см·с ^-1, товщина фронтального шару ω = 0.5 мкм, вбудовані поля відсутні. Основний внесок фронтального шару спостерігається в спектральному інтервалі λ<0.5 мкм, незначний внесок області об'ємного заряду - при λ=0.4-0.6 мкм і найбільший внесок бази - в інтервалі λ=0.5-1.1 мкм. При цьому внесок бази перевершує за абсолютним значенням внесок решти частин структури.

Представлений на рис. 1.11 сумарний спектр фотовідповіді (крива 1) характеризується високим значенням Q в короткохвильовій області внаслідок низького значення швидкості поверхневої рекомбінації (s = 10⁴ см·с^-1) і малої товщини фронтального шару (ω = 0.5 мкм), прийнятих в розрахунку.

Рис. 1.11. Розрахункові спектральні залежності коефіцієнта збирання (1) кремнієвих ФЕП і вкладу в фотовідповідь фронтального шару (2), області об'ємного заряду (3) і бази (4).

 

Експериментальні результати, отримані в розроблених кремнієвих ФЕП, що володіють високою чутливістю як у короткохвильовій області («фіолетові» ФЕП), так і в довгохвильовій області сонячного спектра, знаходяться у відповідності з розрахунками. В якості прикладу на рис. 1.12. наведені експериментальні спектральні залежності Q для трьох кремнієвих ФЕП. «Звичайний» елемент(крива 1) мав глибину залягання р-n-переходу ω= 0.4 мкм і поверхневу концентрацію донорів N_D=5·10¹⁹ см^-3. Зменшення товщини фронтального шару до ω = 0.2 мкм з одночасним зниженням концентрації донорів до N_D=5·10¹⁸ см^-3 було досягнуте істотне збільшення фоточутливості в короткохвильовій (λ < 0.6 мкм) області спектра (крива 2). Такий результат пояснюється зниженням швидкості поверхневої рекомбінації і підвищенням часу життя неосновних носіїв поблизу лицьової поверхні, що полегшує процес збирання «короткохвильових» носіїв заряду при відносно близькому розташуванні р-n-перехода до поверхні. Однак у такій структурі через зростання питомого опору і зменшення товщини фронтального шару збільшується опір розтікання, що ускладнює реалізацію цього підходу для створення ФЕП, призначених для перетворення концентрованого сонячного випромінювання[3].

Рис. 1.12. Експериментальні залежності коефіцієнта збирання кремнієвих ФЕП.

 

1.5. Відображення в інфрачервоній області спектру ФЕП на основі кремнію

Досліджений спектральний хід показників поглинання та заломлення в інфрачервоній області спектра. З отриманих даних видно, що показник заломлення і поглинання при розрахунку коефіцієнта відбиття можна знехтувати аж до довжин хвиль близько 15мкм.

Зі збільшенням довжини  хвилі зростає поляризованість  і зменшується діелектрична постійна, і при достатньо більшому значенні поляризуємості діелектрична постійна прагне до нуля. Частота при якій настає це явище, отримала назву власної частоти плазмових коливань[4].

Рис. 1.13. Спектральні залежності коефіцієнта відбиття кремнію легування сурмою (а), миш'яком (б) і фосфором (в), при різній концентрації вільних носіїв заряду електронів.

 

Спектральні залежності коефіцієнта відбиття кремнію легування  сурмою (а), миш'яком (б) і фосфором (в), при різній концентрації вільних  носіїв заряду електронів. Спекральние залежності коефіцієнта відбиття кремнію, легування сурмою, миш'яком і фосфором представлені на рис.1.13, де добре видно положення мінімуму плазмового резонансу на спектральних кривих відбиття від поверхні кремнію і залежність довжини хвилі мінімального відбиття від концентрації вільних носіїв[9].

 

1.6 Висновок та постановка задачі

Ефективність фотоелектричних  перетворювачів (ФЕП) світлової енергії  у електричну лімітована електричними та оптичними втратами. Оптичні втрати - це світло, яке відбилося від лицьової поверхні або не поглинулося в ФЕП, і як наслідок, не бере участь у створенні електронно-діркових пар. Основні оптичні втрати пов'язані з ефектами відбивання світла, поглинання, пропускання (з урахуванням контактної градки).

Оптичні втрати можна  зменшити за допомогою:

• зменшення площі лицьових контактів
• нанесення антивідбиваючих покриттів на лицьову поверхню
• текстурування поверхні
• ФЕП можна зробити більш товстим, щоб збільшити поглинання;
• збільшення оптичного шляху в ФЕП шляхом комбінування текстурування поверхні зі світловими пастками.

Всі ці методи мають як позитивні так і негативні наслідки. Коєфіціент відбиття також істотно залежить від довжини падаючого на ФЕП світла, концентрації вільних носіїв заряду електронів та спектральних характеристик. Вся зібрана інформація вказує на важливість досліджуваної теми та необхідності застосовування отриманих знань на практиці.

Мета куросвого проекту  полягає у визначенні коефіцієнта  відбиття від поверхні пластини кремнію на установці ФО-1.

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 2

 

МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ

 

2.1. Характеристика фотометра відбиття ФО-1

Знання величини оптичних коефіцієнтів: відбиття (R), пропущення (τ) та поглинання (α) різних матеріалів відіграють виключно важливу роль у багатьох областях науки та техніки, а також у світлотехніці при проектуванні освітлювальних установок, світлових приладів тощо. Тому практичні виміри цих коефіцієнтів досить поширені. Для їхнього проведення використовуються серійні прилади: фотометри. Найбільш поширеного застосування для виміру оптичних коефіцієнтів твердих зразків набув фотометр відбиття ФО-1, загальний вигляд якого наведено на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Загальний вигляд фотометра ФО-1.

1 - тумблер МЕРЕЖА; 2 - сигнальна  лампочка включення / виключення;  3 - електронний блок; 4 - ручка ШТОРКА  для перекритого світлового потоку; 5 – оптичний блок; 6 - цифровий  вольтметр; 7 - ручка ДІАФРАГМА для перемикання трьох змінних діафрагм; 8 - висувна касета для зразків на пропускання; 9 - оглядове вікно для спостереження положень зразків; 10 - ручка перемикання дзеркала на три положення; 11 - столик для відображають зразків; 12 - ручка ЕКРАН для перемикання фотоприймачів від прямого попадання променів; 13 - каркас; 14 - ручка СВІТОФІЛЬТРИ для перемикання диска на дванадцять положень; 15 - ручка ПЛАВНО для плавного вимірювання чутливості вимірювальної схеми; 16 - перемикач КАЛІБРУВАННЯ-ГРУБО для ступінчатою регулювання вимірювальної схеми; 17 - ручка УСТАНОВКА «0» для компенсації паразитного оптичного фону; 18 - тумблер МОДУЛЯТОР для включення модулятора [1];

Таблиця 2.1

Технічні характеристики ФО-1

Діапазон довжин хвиль, нм	364-927
Діапазон вимірювань коефіцієнтів відбиття і пропускання,%	0-100
Коефіцієнт пропускання,%	1,0
Коефіцієнт відбиття,%	3,0
Споживана потужність, Вт	100
Габарити, мм	585х475х425
Вага, кг	33

 

В основу виміру коефіцієнта  відбиття на фотометрі ФО-1 абсолютним методом покладений метод Тейлора. Він полягає у наступному: пучок світла визначеної довжини хвилі направляється через отвір на стінку інтегруючої сфери, де після багатократних відбиттів створюється визначена освітленість Е₀. Потім цей же пучок світла спрямовується на поверхню вимірювального зразка, який щільно притиснутий до робочого отвору в сфері. Відбитий від зразка світловий потік падає на внутрішню поверхню сфери і створює освітленість Е₁.