Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Transkrypt

1 Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne 1

2 Generacja optyczna swobodnych nośników Fotoprzewodnictwo σ=e(µ e n+µ h p) Fotodioda optyczna generacja par elektron-dziura pole elektryczne złącza rozdziela parę płynie prąd nosników mniejszościowych Wyklad 2: R=G w stanie stacjonarnym R= n/τ G=dΦ/dt 2

3 Fotodioda cd osw = sc sc Δp = e L τp p Δn + L τ n n αφ ev kot osw= o e 1 sc - prąd nośników mniejszościowych 3

4 Fotodioda heterozłączowa detektor promieniowania podczerwonego (także ngaas, nsb) telekomunikacja, matryce 2-wym do termowizyjnego obrazowania detektory na ultrafiolet oparte na GaN 4

5 Fotodetektory dalekiej podczerwieni Absorber: CdHgTe 4-10 µm Niezbędne chłodzenie! Zastosowania: Detektory gazów, kolej dużych szybkości, wojskowe itp Nowy pomysł - detektory na supersieciach 5

6 Supersieć Metoda Molecular Beam Epitaxy 6

7 Supersieć w detektorach dalekiej podczerwieni Supersieć rodzaju Supersieć rodzaju Nie ma potrzeby chłodzenia bo mniejszy prąd ciemny niż w złaczu z materiału o wąskiej przerwie 7

8 Ogniwo słoneczne Vanguard, 1958 Dobry materiał fotowoltaiczny: E g 1.5 ev prosta przerwa energetyczna możliwie długa droga dyfuzji 8

9 Efekt fotowoltaiczny w złączu pn - e E c 1. absorpcja 2. termalizacja 3. dyfuzja 4. dryf E F E g h + 1 fotoprąd prąd nośników mniejszościowych ill ill = = dark o sc ev exp AkBT 1 sc E v ważne parametry: o E g o domieszkowanie o współczynnik absorpcji α o czas życia fotowzbudzonych nośników τ o droga dyfuzji L d o ruchliwość µ 9

10 Sprawność ogniwa słonecznego η = mv P in m = sc VocFF P in sc - prąd zwarcia: im więcej zaabsorbowanych fotonów tym większy V oc - napięcie otwartego obwodu: im większa przerwa energetyczna materiału tym większe FF - współczynnik wypełnienia Maksimum mocy m V m V m V oc FF = m sc V V m oc m sc 10 Charakterystyka prądowo-napięciowa

11 Ogniwa homozłączowe µm Si monokrystaliczny krzem skośna przerwa małe α gruba warstwa drogie GaAs prosta przerwa duże α cienka warstwa drogie amorficzny krzem prosta przerwa - cienkowarstwowe tanie ale niska wydajność 5 µm 11

12 Ogniwo c-si mm warstwa antyrefleksyjna pasywacja powierzchni emiter absorber max. wydajność 25% technologia materiało- i energochłonna L D musi być porównywalna z grubościa absorbera niezbędny długi czas życia nośników mniejszościowych, czyli wysoka jakość materiału 12

13 Cienkowarstwowe ogniwo heterozłączowe CdS/CdTe, ZnO/CunGaSe 2,, kesteryty Cu 2 SnZnS 2 absorber - + 2µm okno mała grubość absorbera - wystarczy krótka L D Absorber: prosta przerwa energetyczna ok. 1.5 ev mała koncentracja centrów rekombinacyjnych (L D rzędu grubości absorbera) Okno: szeroka przerwa energetyczna duże przewodnictwo elektryczne interfejs o odpowiednich własnościach (stabilny, brak nieciagłości pasm dla nośników mniejszościowych) okno absorber 13

14 Heterozłącze zalety konfiguracji okno-absorber Złacze pn heterozłacze E E Maksimum generacji na przedniej powierzchni straty na rekombinację powierzchniową konieczność pasywacji powierzchni maks. generacji poza obszarem polem elektr. maks. generacji w absorberze daleko od powierzchni w obszarze maks. pola elektri. 14

15 Cienkowarstwowe ogniwa heterozłączowe CdTe, Cu(n,Ga)Se 2 absorber CdS, Zn(O,S), n 2 S 3...,.. okno 3... E g2 p E g1 n 2-5 µm - tańsza, energooszczędna technologia max. wydajność 22.6% Elastyczne podłoża (poliamid) 15

16 Perowskity ABX 3 (np. CaTiO3) związek organiczny nieorganiczny (CH 3 NH 3 )Pb 3 rekord η=20.1% (X 2014) niestabilne! 16

17 Maksimum wydajności jednozłączowego ogniwa obliczenia teoretyczne 17

18 Ogniwa wielozłączowe (typu tandem) bardzo kosztowna technologia rekord 44.7% 18

19 19

20 Ważne: fotodioda złącze pn lub heterozłącze plus optyczna generacja nośników mniejszościowych; fotoprąd zależy od natężenia światła i od czasu życia nośników (L d!) najważniejsze procesy i ich rola w fotodiodzie i ogniwie słonecznym: absorpcja, termalizacja, dyfuzja, dryf parametry istotne dla czułości fotodiody i sprawności ogniwa E g w fotodiodzie dopasowane do zastosowań ogniwo słoneczne fotodioda o dużej powierzchni czuła na promieniowanie widzialne (optimum Eg 1.5 ev) ogniwa homozłączowe (Si,GaAs) cienkowarstwowe ogniwa heterozłączowe: rola okna o szerokiej przerwie i absorbera, ważne parametry warstw i interfejsu maksymalna wydajność teoretyczna jednego złącza ~30% bo tylko część energii fotonów ze światła słonecznego można wykorzystać ogniwa wielozłączowe lepiej dopasowane do widma słonecznego ale b. drogie 20