СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОГО p-n ПЕРЕХОДА Российский патент 2009 года по МПК G01R31/26 

Способ определения качества фотовольтаического p-n перехода относится к фотоэнергетике, а именно к фотоэлектрическим преобразователям солнечной энергии на основе фотовольтаических p-n переходов из полупроводников А³В⁵ и может быть использован в электронной промышленности для диагностики структур, применяемых в фотоэлектрических преобразователях.

Одной из задач при разработке однопереходных и многопереходных солнечных элементов является диагностирование фотовольтаического p-n перехода, входящего в состав солнечного элемента. Диагностирование состоит в оценке качества p-n перехода, которое характеризуется показателями качества: J_0r - плотностью рекомбинационного тока насыщения, А/см², J_0d - плотностью диффузионного тока насыщения, А/см², позволяющими определить его расчетную эффективность (КПД), в том числе потенциальную, то есть предельную эффективность того солнечного элемента, который может быть создан на основе диагностируемого p-n перехода. Качество диагностируемого p-n перехода отражено в его характеристике, а именно потенциальной эффективности η, которую определяют как η=f(C), где C - кратность концентрирования солнечного излучения, равная ,

где Р_inc - удельная мощность падающего солнечного излучения, Вт/см², P_inc, _С=1 - удельная мощность неконцентрированного солнечного излучения, Вт/см², при C=1. Эта характеристика зависит от J_0r, J_0d - показателей качества фотовольтаического p-n перехода. Для p-n переходов из полупроводников А³В⁵ при C>1 зависимость η=f(C) или эквивалентно η=f(J_g), т.к. J_g=C·J_g,C=1 имеет вид:

где - безразмерное переводное напряжение;

η=η′/100% -безразмерная эффективность;

η′- коэффициент полезного действия, %;

J_g - плотность фотогенерируемого тока, А/см²;

J_g,С=1 - плотность фотогенерируемого тока при С=1, которая равна плотности тока короткого замыкания, J_g,C=1=J_SC,C=1, А/см²;

T- абсолютная температура, К;

α=8,61·10^-5В/K - переводной коэффициент;

е≈2,78 - основание натуральных логарифмов.

В случае многопереходного солнечного элемента его эффективность определяется эффективностями составляющих p-n переходов и примерно равна сумме этих эффективностей.

Известен способ определения качества фотовольтаического p-n перехода (см. В.М.Андреев, В.А.Грилихес, В.Д.Румянцев. - Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения, Л.: Наука, 1989 г., стр.29-31), включающий измерение прямого тока J в зависимости от приложенного напряжения V. Из полученной зависимости J=f(V) определяют последовательное сопротивление и показатель качества J_0r - плотность рекомбинационного тока насыщения. Точность определения другого показателя J_0d - плотности диффузионного тока насыщения меньше, чем точность определения J_0r, из-за влияния нормированного последовательного сопротивления (R_S, Ом·см²) на форму зависимости J=f(V), и зависит от величины R_S. Кроме того, этот способ не позволяет определить зависимость J=f(V) для отдельного фотовольтаического p-n перехода, входящего в состав многопереходного солнечного элемента.

Недостатками известного способа являются низкая точность определения последовательного сопротивления и, следовательно, безрезистивной характеристики, не учитывающей последовательное сопротивление структуры, а также неприменимость известного способа в случае многопереходных солнечных элементов.

Известен способ определения вольтамперных характеристик фотовольтаического прибора (см. патент ЕР № 1686386, МПК G01R 31/26, опубликован 02.08.2006), включающий освещение фотовольтаического p-n перехода имитатором солнечного излучения с широким спектром, измерение тока короткого замыкания I _SC в зависимости от напряжения холостого хода V_OC с последующим построением вольтамперной характеристики прибора.

Недостатком известного способа является его неприменимость для p-n перехода, входящего в состав многопереходного солнечного элемента. Наиболее близкий к заявляемому способу является способ определения качества фотовольтаического p-n перехода, применяемый для однопереходных солнечных элементов из А³B⁵ Si (см. F. Recart, Н. Mäckel, A.Cuevas, R.A.Sinton. -Proc. 4th Word Conf. on Photovoltaic Energy Conversion (WC PEC-4). - Hawaii, 2006, p.1215), совпадающий с заявляемым техническим решением по большинству существенных признаков и принятый за прототип. В способе-прототипе p-n переход освещают немонохроматическим светом. Измеряют напряжение холостого хода (V_OC, В) в зависимости от варьируемой интенсивности освещения P (интенсивность освещения допустимо измерять в фотовольтаических относительных единицах). Полученную зависимость между V_OC и P аппроксимируют суммой двух экспоненциальных компонент, рекомбинационной и диффузионной, уравнением, имеющим соответственно 2 участка:

где Р_0r - рекомбинационный фотовольтаический параметр, отн. ед.;

P_0d - диффузионный фотовольтаический параметр, отн. ед.

В результате аппроксимации определяют фотовольтаические параметры - Р_0r и P_0d. Измеряют также плотность тока короткого замыкания J_SC в зависимости от интенсивности освещения. Полученную зависимость J_SC = f(P) аппроксимируют на начальном участке линейной зависимостью P=χ·J_SC, из которой определяют переводной параметр, с помощью которого производят преобразование фотовольтаических параметров в показатели качества p-n перехода J_0r=P_0r/χ, J_0d=P_0d/χ. На основе этих показателей качества в дальнейшем по формуле (1) получают характеристику η = f(C) или эквивалентно η=f(J_g).

Недостатком способа-прототипа является его неприменимость к многопереходным солнечным элементам. В этом случае неосвещенный p-n переход включен по отношению к фототоку освещенного p-n перехода в обратном направлении, поэтому режим тока короткого замыкания неосуществим, и соответственно нельзя определить переводной параметр - χ. Целью заявляемого способа является экспериментальное определение показателей качества p-n перехода - J_0r, J_0d и их использование для получения искомой характеристики: эффективность - кратность концентрирования солнечного излучения или эквиалентно эффективность - фотогенерируемый ток.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такого способа определения качества фотовольтаического p-n перехода, который бы позволял диагностировать p-n переход, находящийся в составе многопереходного солнечного элемента.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ определения качества фотовольтаического p-n перехода, в соответствии с которым освещают p-n переход монохроматическим светом с длиной волны λ, определяемой соотношением:

где Е_g - ширина запрещенной зоны полупроводника диагностируемого p-n перехода, эВ;

E_g,top - ширина запрещенной зоны полупроводника (z-1)-го p-n перехода в солнечном элементе (z - порядкой номер, отсчитываемый от освещаемой поверхности, p-n перехода, у которого определяют его качество) при z≥2; Е_g,top=1.4 Е_g, эВ, при z=1;

Изменяют интенсивность P света и измеряют возникающее напряжение холостого хода V_ос при каждом значении P и проводят аппроксимацию полученной зависимости между V_ос и P уравнением (2):

Определяют из полученной аппроксимированной зависимости значения фотовольтаических параметров Р_0r и Р_0d. Кроме того, пропускают через p-n переход прямой ток различной величины, измеряют интенсивности генерируемой краевой электролюминесценции L (интенсивность электролюминесценции допустимо измерять в отн. ед.) при каждом значении плотности тока J, A/см² и проводят аппроксимацию полученной зависимости между L и J уравнением

где k_r - рекомбинационный электролюминесцентный параметр, А·см^-2 (отн.ед.)^-1/2; k_d - диффузионный электролюминесцентный параметр, А·см^-2(отн.ед.)^-1. Находят из полученной аппроксимированной зависимости значения k_r и k_d и определяют качество фотовольтаического p-n перехода по величине плотности рекомбинационного тока насыщения J_0r и плотности диффузионного тока насыщения J_0d, определяемых из соотношений:

В дальнейшем на основе полученных значений J_0r и J_0d по формуле (1) может быть определена характеристика η=f(C) или эквивалентно η=f(J_g).

Заявляемый способ определения качества фотовольтаического p-n перехода иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 приведена фотовольтаическая зависимость V_OC=f(P) GaSb p-n перехода;

на фиг.2 показана электролюминесцентная зависимость L=f(J) GaSb p-n перехода;

на фиг.3 приведена зависимость потенциальной эффективности η от плотности генерируемого фототока J_g, пропорционального кратности концентрирования солнечного излучения для GaSb p-n перехода (напряжение αТ=0,025 В - при комнатной температуре), Р_inc,C=1=136 мВт/см² (АМО), где АМО - спектр солнечного излучения, соответствующий нулевой атмосферной массе, J_g,_С=1=J_SC,C=1=40 мА/см² (АМО, GaSb).

Заявляемый способ определения качества фотовольтаического p-n перехода поясняется на примере GaSb p-n перехода, являющегося нижним узкозонным каскадом двухпереходного GaAs/GaSb солнечного элемента (тандема). Ширина запрещенной зоны GaSb Е_g =0,726 эВ, что соответствует длине волны 1,7 мкм - верхней границе диапазона из выражения (3). GaSb p-n переход освещался полупроводниковым лазером λ = 1,3 мкм, генерирующим напряжение холостого хода V_0c от 0,18 до 0,44 В в зависимости от интенсивности освещения. Полученная зависимость V_0c=f(Р) (см. фиг.1) была аппроксимирована уравнением (2), и определены фотовольтаические параметры Р_0r=7,1·10^-3 отн. ед., Р_0d=1,0·10^-6 отн. ед. Через GaSb p-n переход пропускался прямой ток, генерирующий краевую люминесценцию. В диапазоне плотностей тока (0,1-7,0) А/см² измерялась интенсивность краевой электролюминесценции в относительных единицах. Полученная зависимость L=f(J) (см. фиг.2) была аппроксимирована уравнением (4), и определены люминесцентные параметры: k_r=3,3 А·см^-2(отн.ед.)^-1/2, k_d=42 A·см^-2(отн.ед.)^-1. По выражению (5) определены показатели качества фотовольтаического p-n перехода: J_0r=3.73·10^-5А/см², J_0d=5.48·10^-9А/см², т.е. GaSb p-n переход продиагностирован.

Далее полученные показатели качества использованы для построения по уравнению (1) искомой зависимости η=f(J_g) или эквивалентно η=f(С) - расчетной потенциальной эффективности от плотности фотогенерируемого тока (см. фиг.3), который пропорционален кратности концентрирования солнечного излучения (С).

При определении качества фотовольтаического перехода освещают p-n переход монохроматическим светом с длиной волны λ, определяемой соотношением:, мкм,

где E_g - ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ; E_g,top - ширина запрещенной зоны полупроводника (z-1)-го p-n перехода в солнечном элементе (z - порядкой номер, отсчитываемый от освещаемой поверхности, p-n перехода, у которого определяют его качество) при z ≥2; E_g,top=1-4 Е_g, эВ, при z=1. Изменяют интенсивность P освещения и измеряют возникающее напряжение V_ос холостого хода при каждом значении P и аппроксимируют полученную зависимость между V_ос и Р. Определяют из полученной аппроксимированной зависимости значения рекомбинационного и диффузионного фотовольтаических параметров Р_0r и P_0d. Далее пропускают через p-n переход прямой ток различной плотности J, измеряют интенсивность генерируемой краевой электролюминесценции L при каждом значении J и аппроксимируют полученную зависимость между L и J. Находят из полученной аппроксимированной зависимости значения рекомбинационного и диффузионного электролюминесцентных параметров k_r и k_d и определяют качество фотовольтаического p-n перехода по величине плотности рекомбинационного тока насыщения J_0r и плотности диффузионного тока насыщения J_0d. Технический результат заключается в возможности диагностирования фотовольтаического р-n перехода, находящегося в составе многопереходного солнечного элемента. 3 ил.

Способ определения качества фотовольтаического p-n перехода, включающий освещение p-n перехода монохроматическим светом с длиной волны λ, определяемой соотношением:

где Е_g - ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ;
Е_g,top - ширина запрещенной зоны полупроводника (z-1)-ого p-n перехода в солнечном элементе (z-порядкой номер, отсчитываемый от освещаемой поверхности, p-n перехода, у которого определяют его качество) при z≥2; E_g,top=1,4 Е_g,эВ, при z=1,
изменение интенсивности P освещения и измерение возникающего напряжения V_OC холостого хода при каждом значении P, аппроксимацию полученной зависимости между V_OC и P уравнением:
, отн. ед.;
где Р_0r - рекомбинационный фотовольтаический параметр, отн. ед.;
V_OC - напряжение холостого хода, В;
α=8,61·10^-5 - переводной коэффициент, B/K;
Т - абсолютная температура, K;
P_0d - диффузионный фотовольтаический параметр, отн. ед.; определение из полученной аппроксимированной зависимости значений Р_0r и P_0d, пропускание через p-n переход прямого тока различной плотности J, измерение интенсивности генерируемой краевой электролюминесценции L при каждом значении J, аппроксимацию полученной зависимости между L и J уравнением:

где J - плотность прямого тока, А/см²;
L - интенсивность генерируемой краевой электролюминесценции, отн. ед.;
k_r - рекомбинационный электролюминесцентный параметр, А·см^-2 (отн. ед.)^-1/2;
k_d - диффузионный электролюминесцентный параметр, А-см^-2 (отн. ед.)^-1; нахождение из полученной аппроксимированной зависимости значений k_r и k_d и определение качества фотовольтаического p-n перехода по величине показателей качества фотовольтаического p-n перехода J_0r, J_0d, определяемых из соотношений: , A/см²; , A/см²,
где J_0r - плотность рекомбинационного тока насыщения, А/см²; J_0d - плотность диффузионного тока насыщения, А/см².