СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОГО p-n ПЕРЕХОДА
METHOD OF DETERMINING QUALITY OF PHOTOVOTAIC p-n JUNCTION

3
5
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 АВ и может быть использован в электронной промышленности для диагностики структур, применяемых в фотоэлектрических преобразователях.
0r
0d
2
2
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 - плотностью рекомбинационного тока насыщения, А/см, J - плотностью диффузионного тока насыщения, А/см, 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 ,
inc
inc
С=1
0r
0d
g
g
g,C=1
2
2
3
5
где Р - удельная мощность падающего солнечного излучения, Вт/см, P,  - удельная мощность неконцентрированного солнечного излучения, Вт/см, при C=1. Эта характеристика зависит от J, J - показателей качества фотовольтаического p-n перехода. Для p-n переходов из полупроводников АВ при C>1 зависимость η=f(C) или эквивалентно η=f(J), т.к. J=C·J имеет вид:
где - безразмерное переводное напряжение;
η=η′/100% -безразмерная эффективность;
η′- коэффициент полезного действия, %;
g
2
J - плотность фотогенерируемого тока, А/см;
g,С=1
g,C=1
SC,C=1
2
J- плотность фотогенерируемого тока при С=1, которая равна плотности тока короткого замыкания, J=J, А/см;
T- абсолютная температура, К;
-5
α=8,61·10В/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.
0r
0d
0r
S
S
2
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 - плотность рекомбинационного тока насыщения. Точность определения другого показателя J - плотности диффузионного тока насыщения меньше, чем точность определения J, из-за влияния нормированного последовательного сопротивления (R, Ом·см) на форму зависимости J=f(V), и зависит от величины R. 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.
I
SC
OC
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  в зависимости от напряжения холостого хода V с последующим построением вольтамперной характеристики прибора.
3
5
OC
OC
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 АB 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, В) в зависимости от варьируемой интенсивности освещения P (интенсивность освещения допустимо измерять в фотовольтаических относительных единицах). Полученную зависимость между V и P аппроксимируют суммой двух экспоненциальных компонент, рекомбинационной и диффузионной, уравнением, имеющим соответственно 2 участка:
0r
где Р -  рекомбинационный фотовольтаический параметр, отн. ед.;
0d
P - диффузионный фотовольтаический параметр, отн. ед.
0r
0d
SC
SC
SC
0r
0r
0d
0d
g
В результате аппроксимации определяют фотовольтаические параметры - Р и P. Измеряют также плотность тока короткого замыкания J в зависимости от интенсивности освещения. Полученную зависимость J= f(P) аппроксимируют на начальном участке линейной зависимостью P=χ·J, из которой определяют переводной параметр, с помощью которого производят преобразование фотовольтаических параметров в показатели качества p-n перехода J=P/χ, J=P/χ. На основе этих показателей качества в дальнейшем по формуле (1) получают характеристику η = f(C) или эквивалентно η=f(J).
0r
0d
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, J 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:
g
где Е - ширина запрещенной зоны полупроводника диагностируемого p-n перехода, эВ;
g,top
g,top
g
E - 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=1.4 Е, эВ, при z=1;
ос
ос
Изменяют интенсивность P света и измеряют возникающее напряжение холостого хода V при каждом значении P и проводят аппроксимацию полученной зависимости между V и P уравнением (2):
0r
0d
2
Определяют из полученной аппроксимированной зависимости значения фотовольтаических параметров Р и Р. 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/см и проводят аппроксимацию полученной зависимости между L и J уравнением
r
d
r
d
0r
0d
-2
-1/2
-2
-1
где k - рекомбинационный электролюминесцентный параметр, А·см (отн.ед.); k - диффузионный электролюминесцентный параметр, А·см(отн.ед.). Находят из полученной аппроксимированной зависимости значения k и k и определяют качество фотовольтаического p-n перехода по величине плотности рекомбинационного тока насыщения J и плотности диффузионного тока насыщения J, определяемых из соотношений:
0r
0d
g
В дальнейшем на основе полученных значений J и J по формуле (1) может быть определена характеристика η=f(C) или эквивалентно η=f(J).
Заявляемый способ определения качества фотовольтаического p-n перехода иллюстрируется чертежами, где
OC
на фиг.1 приведена фотовольтаическая зависимость V=f(P) GaSb p-n перехода;
на фиг.2 показана электролюминесцентная зависимость L=f(J) GaSb p-n перехода;
g
inc,C=1
g
С=1
SC,C=1
2
2
на фиг.3 приведена зависимость потенциальной эффективности η от плотности генерируемого фототока J, пропорционального кратности концентрирования солнечного излучения для GaSb p-n перехода (напряжение αТ=0,025 В - при комнатной температуре), Р=136 мВт/см (АМО), где АМО - спектр солнечного излучения, соответствующий нулевой атмосферной массе, J,=J=40 мА/см (АМО, GaSb).
g
0c
0c
0r
0d
r
d
0r
0d
-3
-6
2
-2
-1/2
-2
-1
-5
2
-9
2
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 =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 от 0,18 до 0,44 В в зависимости от интенсивности освещения. Полученная зависимость V=f(Р) (см. фиг.1) была аппроксимирована уравнением (2), и определены фотовольтаические параметры Р=7,1·10 отн. ед., Р=1,0·10 отн. ед. Через GaSb p-n переход пропускался прямой ток, генерирующий краевую люминесценцию. В диапазоне плотностей тока (0,1-7,0) А/см измерялась интенсивность краевой электролюминесценции в относительных единицах. Полученная зависимость L=f(J) (см. фиг.2) была аппроксимирована уравнением (4), и определены люминесцентные параметры: k=3,3 А·см(отн.ед.), k=42 A·см(отн.ед.). По выражению (5) определены показатели качества фотовольтаического p-n перехода: J=3.73·10А/см, J=5.48·10А/см, т.е. GaSb p-n переход продиагностирован.
g
Далее полученные показатели качества использованы для построения по уравнению (1) искомой зависимости η=f(J) или эквивалентно η=f(С) - расчетной потенциальной эффективности от плотности фотогенерируемого тока (см. фиг.3), который пропорционален кратности концентрирования солнечного излучения (С).