Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Файлы

Богатов Н.М. Матвеякин М.П. Першин Н.В. Родоманов Р.Р.

Статья в формате PDF

233 KB

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 x_p совпадает с толщиной этого слоя w_p, а в n-слое x_n много меньше толщины w_n. Распределение объемного заряда зависит от плотности заряда Q_s на поверхностных состояниях внешней границы p‑слоя, концентрации акцепторов N_A и доноров N_D. Увеличение Q_s 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.

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

В неравновесном случае Q_s=Q_s0+ΔQ_s. Индекс "0" обозначает равновесное значение соответствующей величины. Неравновесная плотность поверхностного заряда ΔQ_s индуцирует падение напряжения на p-n-переходе

,                   (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+V_s+IR_s, (2)

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

, (3)

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

Неравновесный поверхностный заряд в стационарном случае

,             (4)

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

,                     (5)

где

.

Исследовались двусторонние кремниевые СЭ p⁺‑n‑n⁺ или n⁺‑p‑p⁺ типа, с субмикронным диффузионным p‑n‑переходом глубиной w_p≈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, I_ph и R_s 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.

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

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