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.

Рост КПД СЭ  

ss (2012-11-06 at 01.45.49).png

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 26-28%. Сегодня максимальный КПД СЭ при условии АМ1.5 составляет 24.7%. КПД реальных СЭ не дотягивает до максимального теоретически возможного, равного 90%, в основном по двум причинам.

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

Оптические потери
Наличие оптических потерь приводит главным образом к уменьшению тока короткого замыкания. Оптические потери — это свет, отразившийся от лицевой поверхности или не поглатившийся в СЭ, и как следствие, не участвующий в создании электронно-дырочных пар. Для большинства обычных СЭ энергии фотонов из видимого диапазона достаточно для рождения электронно-дырочной пары, поэтому видимый свет поглощается полностью.

Источники оптических потерь в СЭ
ss (2012-11-06 at 01.49.51).png


Существует несколько способов уменьшения оптических потерь:
  • 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.

Антиотражающие покрытия
Антиотражающие покрытия на СЭ похожи на те, которые используют в других оптических устройствах, таких как линзы фотокамер. Они представляют собой тонкий слой диэлектрического материала специально подобранной толщины. Толщина подбирается так, чтобы волна, отразившаяся от поверхности антиотражающего покрытия была в противофазе с волной, отразившейся от поверхности полупроводника. В результате интерференции этих двух волн интенсивность отраженной волны становится равной нулю.

Использование антиотражающего покрытия толщиной равной четверти длины волны для уменьшению отражения от поверхности

ss (2012-11-06 at 01.54.33).png

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

ss (2012-11-06 at 02.06.27).png

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%.

Чаще всего толщину антиотражающих покрытий измеряют с помощью эллипсометрии, которая измеряет отражение поляризованного света. Чтобы примерно определить толщину достаточно просто взглянуть на цвет пленки.
 
Четыре поликристаллические подложки, покрытие пленками нитрида кремния. Разница в цвете вызвана главным образом толщиной пленки.

ss (2012-11-06 at 02.08.47).jpg

Таблица цветов диоксида кремния (SiO2) под флуоресцентным освещением

ss (2012-11-06 at 02.13.57).png
ss (2012-11-06 at 02.15.10).png
ss (2012-11-06 at 02.15.54).png

Текстурированные поверхности
Текстурирование поверхности в комбинации с антиотражающим покрытием или без используется для уменьшения отражения. Любая неровность поверхности будет увеличивать вероятность отраженного света попасть на материал, а не отразиться в окружающий воздух.

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

ss (2012-11-06 at 02.23.57).png


Фотография текстурированной поверхности кремния, сделанная методом сканирующей электронной микроскопии

ss (2012-11-06 at 02.24.31).jpg

Другой вид текстурирования называется «обратные пирамиды». Фотография такой поверхности представлена ниже.

Фотография текстурированной поверхности кремния, сделанная методом сканирующей электронной микроскопии

ss (2012-11-06 at 02.26.23).jpg

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

ss (2012-11-06 at 02.27.37).jpg

Толщина материала
Уменьшение отражение важный шаг на пути достижения более высокой эффективности. Но важно так же и поглотить все пришедшее в СЭ излучение. Количество поглощенного света зависит от длины оптического пути и коэффициента поглощения. Интерактивный график ниже показывает зависимость поглощения от толщины устройства для кремниевого СЭ.

Здесь 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.

ss (2012-11-06 at 02.31.45).png

ss (2012-11-06 at 02.31.56).png

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 ловушки
Оптимальная толщина устройства определяется не только необходимостью поглотить весь свет. Например, если свет поглощается на расстоянии от p-n перехода, превышающем диффузионную длину, то сгенерированные носители рекомбинируют до того, как будут разделены. Кроме того, как будет сказано на странице Падение напряжения в следствие рекомбинации, при одинаковом поглощении более тонкий СЭ может иметь более высокое напряжение. Следовательно, оптимальный СЭ будет иметь световые ловушки, в которых длина оптического пути в несколько раз превышает толщину устройства. Здесь длина оптического пути — это расстояние, проходимое фотоном, через СЭ. Обычно ее выражают в толщинах СЭ. Например, СЭ без световых ловушек имеет длину оптического пути, равную его одной толщине, тогда как СЭ с хорошими ловушками может иметь длину оптического пути равную 50, показывающую, что свет отражается внутри элемента несколько раз.

Световые 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.

ss (2012-11-06 at 02.35.08).png

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

ss (2012-11-06 at 02.37.15).png

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.

ss (2012-11-06 at 02.40.29).pngss (2012-11-06 at 02.40.40).png

ss (2012-11-06 at 02.40.53).pngss (2012-11-06 at 02.41.16).png

Тыльный отражатель
Ламбертов задний отражатель — это особый вид заднего отражателя, свет от которого отражается в случайном направлении. Высокая отражательная способность задней поверхности СЭ уменьшает поглощение на задних контактах элемента, позволяя свету отражаться обратно в элемент и, возможно, поглотиться там. Случайность направления отражения приводит к полному внутреннему отражению значительной части фотонов. Свет, достигший верхней поверхности под углом, большим, чем угол полного внутреннего отражения, отражается обратно к задней поверхности. Таким образом можно значительно увеличить поглощение света, так как длина оптического пути увеличивается до 4n2, где n — показатель преломления полупроводника (Yablonovitch, Cody). Ламбертов задний отражатель показан на следующем изображении.

Световая ловушка, созданная с помощью случайного отражения от задней поверхности

ss (2012-11-06 at 02.48.18).png

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