Оптические свойства
При конструировании СЭ инженеры пытаются использовать все свойства СЭ для получения максимальный КПД.
В то же время для различных приложений внимание акцентировано на различных параметрах СЭ. Например, для коммерческих СЭ важнейшим параметром является стоимость производства, тогда как для лабораторных СЭ первичным является КПД.
Теоретический предел фотоэлектрического преобразования превышает 90%. Однако, при получении этой цифры использовался ряд условий, которые практически невозможно выполнить в реальном устройстве даже при современном уровне технологий и понимания физики СЭ. Для кремниевых СЭ более реальный КПД при 1 sun составляет порядка
Первая состоит в том, что при моделировании предполагается, что энергия каждого фотона используется оптимально: материал имеет ширину запрещенной зоны равную энергии фотона и все фотоны поглощаются. Теоретически это достигается с помощью бесконечной последовательности СЭ с различной шириной запрещенной зоны, каждый из которых поглощает соответствующие ему фотоны. Вторая заключается в том, что высокий КПД предполагает концентрацию излучения. Если пренебречь изменением температуры и проводимости, то увеличение концентрации пропорционально увеличивает ток короткого замыкания. Так как напряжение холостого хода логарифмически зависит от тока короткого замыкания, оно тоже увеличивается с ростом концентрации света. Более того, максимально возможный коэффициент квадратичности тоже увеличивается, так как он зависит от VOC. Все это позволяет достичь более высокого КПД при концентрации излучения.
Для однопереходных СЭ главные пути увеличения эффективности это:- Увеличение количества поглощенного света, рождающего свободные носители тока
- Увеличение разделения сгенерированных светом носителей p-n переходом
- Уменьшение темнового тока прямого смещения
- Уменьшение потерь на сопротивление
-
- уменьшение площади лицевых контактов (хотя это может привести к увеличению последовательного сопротивления)
- нанесение антиотражающих покрытий на лицевую поверхность
- текстурирование поверхности
- СЭ можно сделать более толстым, чтобы увеличить поглощение (хотя обычно свет, поглотившийся на расстоянии более одной диффузионной длины не внесет вклад в ток, так как носители рекомбинируют до того, как быть разделенными)
- увеличение оптического пути в СЭ путем комбинирования текстурирования поверхности со световыми ловушками.
-
Использование антиотражающего покрытия толщиной равной четверти длины волны для уменьшению отражения от поверхности
Толщина антиотражающего покрытия выбирается так, чтобы она составляла четверть длины волны падающего излучения. Для материала с коэффициентом преломления n1 и c длиной волны падающего излучения λ0 толщина d1, приводящая к минимальному отражению равна:
Еще больше уменьшить отражение можно, если коэффициент преломления антиотражающего покрытия будет среднегеометрическая от коэффициента преломления полупроводника и стекла или воздуха.
Коэффициент преломления зависит от длины волны, поэтому отражение может отсутствовать только для определенной длины волны. В СЭ обычно выбирают коэффициент преломления и толщину так, чтобы минимизировать отражение на длине волны с наибольшей интенсивностью излучения — 0.6 мкм.
Сравнение поверхностного отражения от кремниевого СЭ с и без антиотражающего покрытия
Можно уменьшить отражение и для большего количества длин волн, нанося несколько антиотражающих слоев. Однако, для большинства коммерческих СЭ это слишком дорогостоящая операция. Уравнения, описывающие несколько антиотражающих покрытий, сложнее чем для одного (Wang). Они используются для построения следующего интерактивного графика, моделирующего двойной антиотражающий слой. Изменяя коэффициент преломления и толщину двух слоев можно получить два минимума отражения и довести общий коэффициент отражения до 3%.
Таблица цветов диоксида кремния (SiO2) под флуоресцентным освещением
Текстурирование поверхности можно выполнить различными способами. Например, поверхность монокристалла травят вдоль направления кристаллических плоскостей. Если поверхность кристаллического кремния выровнять относительно расположения атомов, то она будет состоять из пирамид. Они показаны на рисунке ниже. Также показана фотография фотография текстурированной поверхности кремния, сделанная с помощью электронного микроскопа. Такой вид текстурирования, когда пирамиды расположены хаотически, обычно используется на производстве.
Пирамиды с квадратным основанием, которые формируют поверхность правильно протравленного СЭ из кристаллического кремния
Фотография текстурированной поверхности кремния, сделанная методом сканирующей электронной микроскопии
Другой вид текстурирования называется «обратные пирамиды». Фотография такой поверхности представлена ниже.
Фотография текстурированной поверхности кремния, сделанная методом сканирующей электронной микроскопии
Поликристаллические подложки нельзя текстурировать ни одним из вышеперечисленных методов, так как нужную морфологию поверхности можно получить только, если верхняя кристаллическая плоскость имеет ориентацию <111>. Только небольшая часть поверхности поликристаллического кремния будет иметь такую ориентацию. Поликристаллические поверхности текстурируются с помощью фотолитографии, механической деформации поверхности с помощью скрайбирующих пил или лазера. Микроснимок фотолитографического текстурирования показан ниже.
Фотография текстурированной поверхности поликристаллического кремния, сделанная методом сканирующей электронной микроскопии
Толщина материалаЗдесь рассматривается СЭ без поверхностного отражения, поэтому весь падающий свет попадает в СЭ. Электронные свойства также полагаются идеальными (бесконечная длина волны), поэтому все носители разделяются СЭ. И последнее предположение — свет проходит через СЭ только один раз. На самом деле на задней поверхности тонких СЭ обычно делают отражатель, чтобы свет проходил через СЭ несколько раз, увеличивая тем самым поглощение. В случае идеальных ламбертовых световых ловушек оптический путь увеличивается в 4n2 раз. (Tiedje). В кремнии с коэффициентом преломления 3.5 световые ловушки увеличивают оптический путь примерно в 50 раз. Более подробно на странице Световые ловушки.
В кремнии толщиной больше 10мм поглощается практически весь свет с энергией больше ширины запрещенной зоны. 100% от общего тока значит, что весь свет, который мог поглотиться в кремнии, поглотился. В материале толщиной 30мкм поглощается только 30% всего света. Потери происходят в длинноволновой части спектра: красный и оранжевый свет.
Световые ловушкиСветовые ловушки обычно реализуют изменяя угол, под которым свет проходит через СЭ, делая поверхность, на которую он падает, наклонной. Текстурирование поверхности не только уменьшает отражение, как было сказано выше, но и отклоняет проходящий свет от прямолинейного направления, делая длину оптического пути большей, чем толщина СЭ. Угол, под которым свет преломляется в полупроводнике дается законом Снеллиуса:
где θ1 и θ2 — углы падения света на поверхность раздела сред с коэффициентами преломления n1 и n2, отсчитываемые от нормали. θ1 и θ2 показаны на следующем изображении.
Преломление светового луча на границе двух диэлектриков. Если коэффициент преломления n2 больше, коэффициента n1, то преломленный луч будет ближе к нормали, чем падающий.
Используя закон Снеллиуса, можно записать угол, под которым свет входит в полупроводник (угол преломления):
В текстурированном монокристаллическом СЭ, в следствие определенного положения атомов в кристаллической решетке, T1 равен 36о.
Отражение и преломления света в текстурированном СЭ
Если свет проходит через среду с с низким показателем преломления, существует вероятность полного внутреннего отражения. Угол, при котором это происходит можно найти положив θ2 равным нулю.
Используя полное внутреннее отражение можно создать ловушку для света внутри СЭ, заставляя его проходить через СЭ несколько раз, тем самым увеличивая длину оптического пути даже в тонком СЭ.
Тыльный отражательСветовая ловушка, созданная с помощью случайного отражения от задней поверхности
Свет, отразившийся под углом меньшим угла полного внутреннего отражения, покидает СЭ. В реальных устройствах лицевая поверхность также текстурируюется, например, пирамидами, как говорилось выше.
pvcdrom.pveducation.org