Технические науки/5. Энергетика

Д.ф.-м.н. Слипченко Н.И., к.т.н. Письменецкий В.А., Костина Н.А., асп. Лукьяненко В.Л.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Украина

Туннельно-диффузионный механизм токопереноса в германиевых фотоячейках

С момента введения в эксплуатацию советских космических аппаратов (КА) и создания GaInP/GaInAs/Ge гетероструктур [1,2] солнечные элементы (СЭ) успешно используются в системах автономного энергообеспечения КА. Высокая эффективность использования германиевой базовой ячейки требует исследования процесса токопереноса в германиевом СЭ, а также температурных зависимостей его ВАХ.

Согласно [1] в германиевом p - n- переходе имеет место туннельно-диффузионный механизм токопереноса, наглядно представляемый с помощью рекуррентного двохекспоненциального уравнения темновой ВАХ

(1),

где J_0d - плотность диффузионного тока, А/см²; U - входное напряжение, В; J_ot - плотность туннельного тока, А/см²; J - плотность выходного тока, А/см²; E_d=0.025 В, температурный потенциал, А/см²; E_t - характеристический потенциал туннельной составляющей, В; R_s – последовательное сопротивление, Ом.

Поведение ВАХ ФП при малых значениях входного напряжения и вариации параметров J_0d , J_ot отображены на рис.1. Как видим, когда параметр находится в пределах 0<U <0.17 влияние туннельной компоненты J_ot более заметно, чем J_0d . При U>0.17 влияние J_ot не существенно. Используя данную методику исследования легко установить, что R_s практически не деформирует темновую ВАХ при напряжении, меньшем 0,2 В, что также подтверждается в работе [1].

Рисунок 1- Темновые ВАХ Рисунок 2- Световые ВАХ СЭ

Для исследования световых ВАХ и исходных параметров германиевого СЭ. применялась спектральная методика на основе известного соотношения для удельного спектрального S(ε) и энергетического S_уд(ε)потока фотонов [2]

где ε - текущее значение энергии фотонов, эВ.

Для вычисления плотности тока генерации J_Г p - n - перехода интегрируется спектральное распределение S_уд (ε), а для фототоков J_ф вводится коэффициент собирания k_SO, фотоносителей заряда и учитывается спектральная характеристика S_ф Ge фотоячейки

где₁ и ₂ — уровни энергии, определяющие границы параметра S_ф.

Как известно, световые погрузочные ВАХ p − n - перехода продуцируются из темновой ВАХ и потому задаются теми же параметрами [1]. Все световые ВАХ можно нормировать по току короткого замыкания(J_sc), который практически равняется фототоку, если R_s<<U_OC/J_SC.

Результаты нормирования световой ВАХ с учетом фототока, реально равного I_кз, приведены на рис. 2. Как видно из приведенного семейства ВАХ с ростом туннельного фототока уменьшается U_SC и смещается точка оптимального режима. На рисунке сплошной линией обозначена характеристика для плотности туннельного тока 5*10^-4мА/см²(верхняя), пунктирной 1.45*10^-3 мА/см²(средняя), и прерывистой 3.3 *10^-3 мА/см² (нижняя).

Дальше вычислялись зависимости КПД = f(U_н) для трех значений параметра S_ф. Результаты исследования влияния спектра поглощения на КПД германиевой фотоячейки приведены на рис.3 Они позволяют сделать вывод, что с уменьшением этого параметра уменьшается и КПД СЭ. Выполненный анализ позволяет моделировать работу отдельных ячеек трехпереходного ФП со структурой GaInP/GaInAs/Ge. Для исследования температурных характеристик однопереходного германиевого СЭ прежде всего используем зависимости от температуры для параметров J_0d, E_d, J_0r, ширины запрещенной зоны, эффективной плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне.

Рисунок 3 – 1) КПД при поглощении всей спектральной характеристикой СЭ; 2) КПД при ограничении длиной волны 1.3 мкм ; 3) КПД при ограничении длиной волны 0.89 мкм

Если считать, что последовательное сопротивление R_s достаточно мало, с помощью уравнения (1) находим темновые ВАХ для температур 200, 250, 300, 350 К, а дальше для фиксированного значения плотности фототока 48мА/см² вычисляем соответствующие световые ВАХ. Результаты расчетов приведены на рис. 4. Наблюдается уменьшение напряжения холостого хода с повышением температуры.

Рисунок 4. – Температурные зависимости световых ВАХ

В работе показано, что туннельная компонента тока связана с наличием скачка зонной диаграммы в пределах p-n-перехода и потому проявляется при малых напряжениях. С увеличением температуры имеет место уменьшение напряжения холостого хода.

Литература:

1. Калюжный Н.А.Германиевые субэлементы для многопереходных фотоэлектрических преобразователей GaInP/GaInAs/Ge [Текст]/ Н.А.Калюжный, А.С. Гудовских, В.В.Евстропов,В.М.Лантратов, С.А.Минтаиров, Н.Х.Тимошина, М.З.Шварц, В.М.Андреев //Физика и техника полупроводников. -2010. – Т.44, №11. –С.1568-1576

2. Васильев А.М., Полупроводниковые фотопреобразователи [Текст] / А.М.Васильев, А.П.Ландсман.-М.,Сов.радио,1971,248 с.