ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Механизмы переноса носителей и темновая вольт-амперная характеристика СЭ на основе аморфных полупроводников

Измерение темновых вольт-амперных характеристик СЭ позволяет най­ти преобладающие механизмы переноса в солнечных элементах, которые оп­ределяют коэффициент формы, а также оценить такие важные параметры, как последовательное и шунтирующее сопротивления.

В солнечных элементах на основе кристаллических материалов, как правило, преобладают два механизма переноса носителей: диффузионный и рекомбинационный. В этом случае темновую ВАХ СЭ можно описать с помощью двухэкспоненциальной модели. С учетом шунтирующего и после­довательного сопротивлений для темновой ВАХ СЭ получим

где RH, Rш — последовательное и шунтирующее сопротивления; П1, П2 — коэффициенты идеальности для диффузионного (п1 = 1) и рекомбинацион­ного (п2 = 1-2) механизмов переноса.

Однако не всегда, особенно для СЭ на основе аморфных полупроводни­ков, данная модель применима для описания темновой ВАХ, так как необхо­димо учитывать присутствие других механизмов переноса. В научно-тех­нической литературе отмечается, что в этом случае могут действовать эффект Пула—Френкеля и туннелирование. Наличие указанных механизмов переноса может увеличить значения коэффициента идеальности превышающего 2.

Механизм Пула—Френкеля представляет собой ускоренный электри­ческим полем процесс термовозбуждения электрона с ловушек в зону про­водимости. В этом случае запишем выражение

или

где E — электрическое поле в области рекомбинационного центра; Р = q/ns

(s — диэлектрическая проницаемость); nj — собственная концентрация но­*

сителей; W — эффективная толщина области пространственного заряда;.

Для СЭ с высокой плотностью дефектов возможно присутствие меха­низма туннелирования. Ток при туннелировании описывается соотношением

It = I03 exp (AV), (7.1)

где 103 = B exp(a£g (T ))(B — коэффициент, отвечающий за вероятность

туннелирования; a — коэффициент, не зависящий от температуры; Eg(T) — ширина запрещенной зоны, зависящая от температуры; A — коэффициент, не зависящий от температуры).

В работах Матсууры показано [93]-[95], что в гетероструктурах на основе аморфного гидрогенизированного кремния преобладает механизм многосту­пенчатого туннелирования с захватом и эмиссией носителей заряда (рис. 7.3).

При этом механизме дырки из валентной зоны c-Si ^-типа перемеща­ются в аморфный полупроводник от одного локализованного состояния к другому, которые различаются по энергии на величину порядка kT, за счет многоступенчатых процессов туннелирования. Подобное перемещение но­сителей продолжается до тех пор, пока скорость туннелирования не стано­вится меньше скорости эмиссии дырок в валентную зону либо скорости ре-

комбинации дырок с электронами из зоны проводимости аморфного полу­проводника. Конечная точка туннелирования дырок находится вблизи края области обеднения аморфного полупроводника, где скорость туннелирова­ния снижается из-за уменьшения величины электрического поля. В этом случае I03 в выражении (7.1) определяется как

где B — постоянная, зависящая от вероятности туннелирования носителей; op, on— сечения захвата для электронов и дырок соответственно; vth — термическая скорость; Ny, Nc — эффективные плотности состояний в ва­лентной зоне и зоне проводимости аморфного полупроводника соответст­венно; Ej, Ey, Ec, Ef — энергии, соответствующие уровням Ферми и ло­вушек, краям валентной зоны и зоны проводимости.