an?ao eia a nieia?iuo yeaiaioao ia iniiaa aii?oiiai e?aiiey.

RAU Scientific Reports & Solid State Electronics and Technologies, 1996, Vol.1, 70-71
Riga Aviation University, Lomonosov Str.1, Riga, LV-1019, Latvia
РАСЧЕТ К.П.Д. СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ
АМОРФНОГО КРЕМНИЯ
О. КУДРЯВЦЕВА
Рижский Авиационный Университет, Ломоносова 1, Рига, LV-1019, Латвия
Efficiencies of solar elements based on a-Si:H in dependence of pecularities of technological parameters are numerically
investigated.
Эффективные солнечные элементы могут быть созданы на основе пленки а-Si:H толщиной
∼ 1 мкм, полученной разложением силана (SiH4) в тлеющем разряде. При этом используются его
превосходная фотопроводимость и высокий коэффициент оптического поглощение в пределах
видимой области солнечного спектра. Солнечные элементы на основе аморфного кремния обладают
рядом практических преимуществ по сравнению с использованием обычного кристаллического
кремния: более низкая температура наращивания; возможность формирования перехода в процессе
осаждения; простота получения солнечных элементов большой площади. Кроме того, солнечные
элементы на основе a-Si:H могут создаваться на различных подложках, таких как стекло, полимер
или керамика, покрытые проводящим слоем, а также на металлических листах. Среди последних
наиболее часто используется подложка из нержавеющей стали.
Исследование оптических свойств полупроводников в работе [3] послужило основой для
разработки методики расчета фототока и к.п.д. солнечных элементов, где особое внимание уделено
расчету фототока в солнечных элементах типа барьера Шоттки. Полученные значения фототока
могут использоваться для расчета к.п.д. солнечного элемента.
Для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую тонкопленочный
солнечный элемент должен удовлетворять ряду требований, а именно:
а) оптический коэффициент поглощения должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить
поглощение значительной части энергии солнечного света в пределах толщины пленки;
б) солнечный элемент должен характеризоваться значительной высотой барьера в
полупроводниковом переходе;
в) структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного
элемента.
В случае солнечного элемента на основе a-Si:H диффузионная длина неосновных носителей
находится в пределах 0,15 мкм, так что фототок главным образом создается и движется под
действием диффузионного поля в истощенном слое [1]. Таким образом, поведение истощенного
слоя в солнечном элементе под действием света и приложенного напряжения и процессы
рекомбинации существенно отличаются от таковых в кристаллическом материале.
Предметом данного исследования является процесс фотовольтаического преобразования в
a-Si:H-солнечном элементе с p-i-n-переходом. При условии плоской зоны никаких зарядов в
массивном материале не существует, так что уровень Ферми располагается по середине
запрещенной зоны. При добавлении атомов примеси уровень Ферми сдвигается вверх или вниз.
Распределение поля в слоях на границах перехода между p- и i-слоями и между i- и n-слоями можно
определить решением уравнения Пуассона:
2
d E
dx
2
=
p(E C , E fn )
ε sε 0
,
(1)
где p(EC,Efn) - некоторая зарядовая функция, Efn - квазиуровень Ферми, EC - край подвижности. При
рабочих условиях приложение прямого напряжения уменьшает потенциал на каждом переходе
приблизительно на 0,5В. Такое уменьшение потенциала влияет на эффективность собирания
70
Ïëîòíîñòüòîêà
,
ìÀ/
ñì
фотогенерируемых носителей в солнечных элементах на основе a-Si:H. На Рисунке 1 приведены
ВАХ для солнечных элементов на основе a-Si:H с p-i-n-переходом, содержащих i-слой с
различными энергиями активации [1].
Теоретические расчеты для солнечных элементов с одним переходом позволяют заключить:
1) напряжение холостого хода элемента достигает половины оптической ширины запрещенной зоны
в i-слое, в котором энергия активации лежит в центре запрещенной зоны; 2) коэффициент
заполнения (КЗ) ВАХ при освещении солнечным светом АМ-1 равен приблизительно 0,7 для i-слоя,
в котором энергия активации лежит близко к центру запрещенной зоны.
1.0
0.8
0.6
1
0.4
2
3
0.2
4
0.0
0
2
4
6
8
10
Íà
ïðÿ
æåíè
å,
Â
12
Рисунок 1. Теоретическая ВАХ для
солнечного
элемента
на
основе
аморфного кремния с одним p-i-nпереходом для различных энергий
активации, эВ: 1 - 0.9; 2 - 0.8;
3 - 0.7; 4 - 0.6.
К.п.д. солнечного элемента с одним переходом определяется выражением:
η(i) = 0.35E g I sc / Pn .
(2)
Ток короткого замыкания дается следующим выражением:
{
}
I sc = g ò (1 − R)N ph exp ( −a n Wn ) 1 − exp ( − a1W1 ) dl .
(3)
Значение полной мощности поступающего солнечного излучения Pn взято из справочных
данных [2]. Расчеты к.п.д. для различных энергий запрещенной зоны дают: η (Еg= 0.9) = 0.190, η
(Еg= 0.8) = 0.192, η (Еg= 0.7) = 0.192, η(Еg= 0.6) = 0.190. Вариация энергий запрещенной зоны
определяется технологией изготовления солнечного элемента. Незначительные изменения к.п.д.
отражают незначительную чувствительность a-Si:H как базового элемента к легированию , которое
слабо сказывается на его фотоэлектрических свойтвах.
Литература
[1] Amorphous semiconductors. Technologies & Devices (1983) Ed. Y. Hamakava, OHM,
Tokyo-Osaka-Kyoto
[2] Гавриленко, В.И., Грехов, А.М., и Корбутяк Д.В. (1987) Оптические свойства
полупроводников. Справочник, Киев, Наукова Думка.
[3] Кудрявцева, О. (1996) Исследование фотоэлектрических свойств в полупроводниках.
Дисс. на соиск. уч. ст. бакалавра инж. наук , РАУ, Рига. 48 c.
Получено 1 декабря 1996 года
71