Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЗАРЯДА НА ВОЛЬТАМПЕРНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С СУБМИКРОННЫМ N P ПЕРЕХОДОМ

Богатов Н.М. Матвеякин М.П. Першин Н.В. Родоманов Р.Р.
Потери энергии в объеме современных полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) сведены к минимуму. Это достигается использованием исходного полупроводникового материала, очищенного от посторонних примесей и дефектов, уменьшением толщины сильно легированных слоев, контролем физических и геометрических параметров неоднородных областей. Одной из тенденций усовершенствования СЭ является уменьшение глубины p+-n-перехода до значений wp≤0,1 мкм. В этих условиях возрастает доля потерь энергии, обусловленных процессами на поверхности и границах раздела диэлектрик-полупроводник, полупроводник-полупроводник, металл-полупроводник.

Целью работы является исследование влияния неравновесного поверхностного заряда на вольтамперную характеристику (ВАХ) кремниевых двусторонних солнечных элементов с субмикронным поверхностным легированным слоем.

Проанализирована структура области пространственного заряда (ОПЗ) субмикронного несимметричного p-n-перехода (рис. 1). В этом случае размер части ОПЗ в p‑слое xp совпадает с толщиной этого слоя wp, а в n-слое xn много меньше толщины wn. Распределение объемного заряда зависит от плотности заряда Qs на поверхностных состояниях внешней границы p‑слоя, концентрации акцепторов NA и доноров ND. Увеличение Qs вследствие захвата фотогенерированных носителей заряда обусловливает уменьшение абсолютной величины электрического потенциального барьера p‑n‑перехода и размера ОПЗ в n-слое. Влияние этого эффекта на ВАХ освещенных приборов исследовано теоретически и экспериментально.

p

Рисунок 1. Условная схема распределения заряда Q в несимметричным p‑n переходе

В неравновесном случае Qs=Qs0+ΔQs. Индекс "0" обозначает равновесное значение соответствующей величины. Неравновесная плотность поверхностного заряда ΔQs индуцирует падение напряжения на p-n-переходе

f,                   (1)

где ε - диэлектрическая проницаемость, ε0 - электрическая постоянная, q - элементарный заряд. В правой части выражения (1) второе слагаемое меньше первого для допустимых значений физических величин.

Полное падение напряжения на p-n-переходе солнечного элемента

V=U+Vs+IRs, (2)

где U - напряжение на контактах прибора, I - электрический ток, Rs - сосредоточенное последовательное сопротивление. Световая ВАХ описывается формулой

f

f, (3)

где Iph - фототок, I0 - диффузионный ток насыщения, k - постоянная Больцмана, T - температура, Ir - рекомбинационный ток насыщения, a - коэффициент неидеальности p‑n‑перехода, Rsh - шунтирующее сопротивление [1].

Неравновесный поверхностный заряд в стационарном случае

f,             (4)

где Nsf - плотность состояний в окрестности уровня Ферми в энергетическом зазоре шириной ~kT, коэффициент b характеризует скорость захвата неравновесных носителей заряда. Из (1, 4) следует, что

f,                     (5)

где

f.

Исследовались двусторонние кремниевые СЭ p+‑n‑n+ или n+‑p‑p+ типа, с субмикронным диффузионным p‑n‑переходом глубиной wp≈0,15 мкм, текстурированной поверхностью, на которую наносилось пассивирующее просветляющее покрытие SiO2. Дополнительные потери собирания фотогенерированных носителей заряда в этих приборах указывают на образование неравновесного поверхностного заряда [2]. Для определения величин ΔV, β измерялись темновые и световые вольтамперные характеристики с помощью контрольно-измерительной информационной системы [2]. Значения ΔV, β, Iph и Rs вычислялись методом наименьших квадратов в результате аппроксимации световых ВАХ, полученных при различных условиях освещения, темновыми (рис. 2). Проводился также анализ взаимного соответствия ВАХ, измеренных при освещении с лицевой и тыльной поверхностей СЭ.

Формула (5) имеет два предельных случая: 1 - I>>b, тогда Vs≈ΔV; 2 - I<<β, тогда Vs≈ΔV×I/β. Оба этих случая наблюдались экспериментально: первый - в режиме, близком к короткому замыканию при достаточно высоких уровнях освещенности, а второй - в области напряжения холостого хода. Найденные в результате обработки экспериментальных данных характерные значения лежат в диапазонах ΔV≤0.1 В, β≤1 А.

Захват неравновесного поверхностного заряда является дополнительным источником потерь мощности солнечных элементов, так как индуцирует увеличение падения напряжения на p-n-переходе и тока инжекции. Вклад этого эффекта зависит от способа обработки поверхности и нанесения пассивирующего просветляющего покрытия.

Авторы благодарят директора НПФ "Кварк" Закса М.Б. и ведущего технолога Ситникова А.М. за предоставленные для исследований образцы.

p

Рисунок 2. Типичные вольтамперные характеристики СЭ: точки - световая ВАХ; сплошная линия - темновая ВАХ, сдвинутая по оси ординат вверх на Iph и по оси абсцисс влево на DV+ IphRs

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат. 1987. - 280 с.
  2. Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р., Яковенко Н.А. //Автометрия. - 2003. - Т. 39. - № 6. - С. 68.

Библиографическая ссылка

Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Першин Н.В., Родоманов Р.Р. ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЗАРЯДА НА ВОЛЬТАМПЕРНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С СУБМИКРОННЫМ N P ПЕРЕХОДОМ // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 6. – С. 75-76;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=23243 (дата обращения: 20.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252