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

4 Fotodioda heterozłączowa detektor promieniowania podczerwonego (także InGaAs, InSb) 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 I rodzaju Supersieć II 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 I I ill ill = = I I dark o I sc ev exp AkBT 1 I sc 3 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 = I mv P in m = I sc VocFF P in I 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 I m V m V m V oc FF = I I m sc V V m oc I m I sc 10 Charakterystyka prądowo-napięciowa

11 Maksymalna wydajność Fotoprąd zależy od generacji par e-h i prawdopodobieństwa ich dotarcia do zewnętrznego obwodu Isc jeśli Eg Napięcie otwartego obwodu zależy od wysokości barriery na złączu Voc jeśli Eg η max : E g 1.5 ev 11

12 Maksimum wydajności jednozłączowego ogniwa obliczenia teoretyczne 12

13 Ogniwa homozłączowe µm Si monokrystaliczny krzem skośna przerwa małe α gruba warstwa Energo i materiałochłonna technologia GaAs prosta przerwa duże α cienka warstwa drogie 5 µm amorficzny krzem prosta przerwa - cienkowarstwowe tanie ale niska wydajność bo materiał bardzo zdefektowany i degradacja pod wpływem światła 13

14 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 14

15 Cienkowarstwowe ogniwo heterozłączowe CdS/CdTe, ZnO/CuInGaSe 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 15

16 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. 16

17 Cienkowarstwowe ogniwa heterozłączowe CdTe, Cu(In,Ga)Se 2 absorber CdS, Zn(O,S), In 2 S 3...,.. okno 3... E g2 p E g1 n 2-5 µm - tańsza, energooszczędna technologia max. wydajność 22.6% Elastyczne podłoża (poliamid) 17

18 Ogniwo CIGS rekord wydajności 22.7% 3.4 ev absorber ~3 µm buffor okno Elastyczne podłoża (poliamid) 18

19 Perowskity ABX 3 (np. CaTiO3) związek organiczny nieorganiczny (CH 3 NH 3 )PbI 3 rekord η=22.7% niestabilne! 19

20 Ogniwa wielozłączowe (typu tandem) bardzo kosztowna technologia rekord 44.7% 20

21 21

22 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 22