Розділ 2
МЕХАНІЗМИ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ
В ФОТОВОЛЬТАЇЧНИХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВІ CdTe
Ключові параметри сонячного елемента, якими є струм короткого замикання, напруга розімкненого кола (холостого ходу), фактор заповнення навантажувальної характеристики, коефіцієнт корисної дії визначаються, насамперед, механізмом переносу заряду. Проте, в більшості робіт опис електричних характеристик сонячних елементів звичайно обмежується напівкількісним обговоренням можливих фізичних моделей: термоелектрон-ною емісією, генерацією-рекомбінацією в області просторового заряду, квантово-механічним тунелюванням, струмами, обмеженими просторовим зарядом і т.п. [49-50]. Тому, подальше збільшення ефективності сонячних елементів можливе лише за умови поглиблення фізичного розуміння механізму переносу заряду в різних типах сонячних елементів та його кількісного математичного описання.
2.1. Генераційно-рекомбінаційний механізм переносу заряду
в діодах Шотткі на основі CdTe
2.1.1. Зразки для дослідження
Окрім монокристалів, в напівпровідникових сонячних елементах застосовуються тонкоплівкові полікристалічні матеріали, привабливі своєю низькою вартістю та спрощеною технологією виготовлення. Однак процеси, що визначають властивості сонячного елемента при цьому ускладнюються. Властивості тонкоплівкового СЕ визначається процесами на границях зерен (мікрокристалів), при чому, останні в ряді випадків можуть відіграти домінуючу роль. Посилюється вплив поверхні та інтерфейсів на характеристики приладу, випливають на передній план неоднорідності в об'ємі та на поверхні структури. Всі ці проблеми послаблюються при використанні монокристалів, які через високу вартість не можуть бути використані в широкомасштабному виробництві, але через більшу досконалість спрощують дослідження процесів, що відбуваються в тонкоплівковому аналізі та дозволяють обійти проблеми, що ускладнюють інтерпретацію спостережуваних характеристик (значний послідовний опір, його можлива нелінійність і ін.). У цьому сенсі привабливим є те, що введення в кристалічну гратку CdTe незначної кількості Zn дозволяє одержати більш досконалі монокристали як з високим, так і низьким питомим опором. Такі монокристали Cd1-xZnxTe (x=0,05) n-типу провідності, вирощені модифікованим методом Бріджмена, ми використовували для виготовлення діодів Шотткі. Ширина забороненої зони монокристалів Eg і концентрація електронів знайдена із спектрів оптичного пропускання і вимірювань ефекту Холу складали при 300 К відповідно 1,505 еВ і 2-9?1015 см?3, питомий опір та рухливість електронів були рівними 0,1-0,2 Ом?см та 320-350 см2/(В?с) (300 К).
Діодні структури створювались вакуумним напиленням напівпрозорого шару золота товщиною ~15 нм на поверхню монокристалу, попередньо обробленого іонами аргону з енергією 500 еВ. Омічний контакт до підкладинки формувався вплавленням In. Одержані діоди характеризуються досить однорідною фоточутливістю в широкому діапазоні енергії фотонів hv?Eg (рис. 2.1). При сонячному освітленні близькому до умов АМ1.5 фотоелектрорушійна сила складала 0,75 В, струм короткого замикання ~20 мкА при площі діода 0,75 мм2. Заслуговують уваги випрямляючі властивості досліджуваних діодних структур: при кімнатних температурах зворотний струм при напругах зміщення нижчих за 3-4 В був менше 1 нА, тоді як при прямому зміщенні (0,7 В) він досягав ~100 мкА (рис. 2.2).
Рис. 2.1. Квантова фотоелектрична ефективність Au/n-CdZnTe діода при 300 К.
На вставці зображений поперечний переріз діода.
2.1.2. Фотоелектричні процеси в Au/n-CdZnTe структурах
Для прямого та зворотного струму досліджуваних діодів характерне сильне зростання з підвищенням температури (приблизно на 4 порядки в інтервалі 293-382 К), що зразу ж дозволяє припустити їх термогенераційну природу. Як зазначалось в першому розділі, прямий струм в CdTe діодах звичайно представляють сукупністю термоелектронної та рекомбінаційної складових, описуючи його напівемпіричною формулою [49-51].
, (2.1)
де Io - величина, яку можна вважати не залежною від напруги, q - заряд електрона, V - напруга, k - постійна Больцмана. Фактор "ідеальності" n для термоелектронної емісії і рекомбінації в області просторового заряду рівний відповідно 1 та 2, а в загальному випадку n знаходиться між 1 і 2 (або більший за 2, якщо спад напруги на послідовному опорі істотний).
Прямі вольт-амперні характеристики, представлені на рис. 2.1, досить добре описуються виразом (2.1), причому для обох температур n складає 1,65. Останнє суперечить припущенню про сумісну дію двох механізмів перенесення заряду. Температурна залежність термоелектронного і рекомбінаційного струмів різні, і тому при зміні температури значення n мало б також змінитися. З іншого боку, значення n=1,65 може бути пояснено, як показано нижче, в рамках механізму рекомбінації в області просторового заряду без залучення термоелектронної емісії.
Відповідно до моделі Саа-Нойса-Шоклі швидкість генерації-рекомбінації в перетині x збідненого шару при прикладений деякій напрузі визначається виразом (1.5), де n(x,V) і p(x,V) - концентрації вільних носіїв у зоні провідності та валентній зоні описуються залежностями
Рис.2.2. Особливості вольт-амперної характеристики діода при 293 і 382 К.
, (2.2)
. (2.3)
Необхідні для підстановки значення ефективної густини станів в зоні провідності і валентній зоні рівні:
, (2.4)
, (2.5)
де, відповідно (mn і mp - ефективна маса електрона і дірки). Густину рекомбінаційного струму при прямому зміщенні і генераційного - при зворотному можна знайти проінтегрувавши U(x,V) по всій області просторового заряду.
Для адаптації моделі Саа-Нойса-Шоклі, розробленої для p-n переходу, до діода Шотткі в напівпровіднику n-типу слід застосовувати для визначення ширини області просторового заряду вираз (1.10), як це показано в розділі 1. Якщо енергію відраховувати від дна зони провідності в об'ємі кристалу, то вираз для потенційної енергії електрона можна записати рівнянням (1.8), і тоді вирази для концентрації ел
- Киев+380960830922