Der pn-übergang. Bardeen - Shockley - Brattain (Bell Labs.)

Transkript

1 Der Bardeen - Shockley - Brattain (Bell Labs.)

2 Übersicht Generation und Rekombination Direkte Rekombination Kontinuitätsgleichung Haynes Shockley Experiment Elektrisches Feld im Halbleiter Aufbau Ladungsträgertransport Die Strom-Spannungskennlinie von Solarzellen Herleitung Diskussion elektrischer Verluste Zusammenfassung

3 Wiederholung n.p = n i 2 n+n A - = p+n D + Massenwirkungsgesetz Ladungsneutralität

4 Generation und Rekombination Am Beispiel der direkten Rekombination skizziert. Annahmen: n-typ Halbleiter: n n0 >>p n0 schwache Injektion: τ p.. Statistische Zeitkonstante (Lebensdauer)

5 Stationärer Zustand Relaxation p= I.a. τ p τ n (Größenordnung von ns - ms). Die Lebensdauern hängen stark vom Rekombinationsmechanismus ab. Bsp. 1Ωcm p-si: Störstellenrekombination an herstellungsbedingten Verunreinigungen (C, O): τ n 10µs

6 Kontinuitätsgleichungen Erweiterung des Ladungstransports durch Drift und Diffusion um die Generation/Rekombination im Halbleiter

7 Diffusionslänge L p In der Solarzelle legt L die (elektrisch sinnvolle) maximale Dicke, d des Absorbers fest (L/d 1). Bsp. 1Ωcm p-si: τ n 10µs, µ n 1500cm 2 /Vs, T=300K L n 190µm 0.1Ωcm p-si: τ n 2µs, µ n 1500cm 2 /Vs, T=300K L n 90µm

8 Haynes Shockley Experiment Das (von außen angelegte) elektrische Feld trennt die generierten Elektron- Lochpaare. S.M. Sze, Semiconductor Devices - Physics and Technology, 1985

9 Elektrisches Feld im Halbleiter Wie erzeugt man im Halbleiter ein elektrisches Feld?

10 Stromfluß im unbeleuchteten pin-übergang (G L =0) Freie Ladungsträger diffundieren in den i-bereich Ionenrümpfe bauen ein E-feld auf Der Driftstrom kompensiert den Diffusionsstrom

11 Stromfluß im beleuchteten pin-übergang (G L >0) 0 0 Typischer Aufbau für amorphe Si Dünnschichtzellen Der Verbraucher, R legt den Arbeitspunkt im j(u) Diagramm fest.

12 Funktioniert auch ein? Innerhalb der Raumladungszone (SCR) sind die Verhältnisse ähnlich der intrinsischen Region. Im elektr. neutralen Bereich (E=0) treibt der Diffusionsgradient die Minoritätsladungsträger zur Raumladungszone (E 0)

13 Vergleich der pin Struktur mit dem am Beispiel InP

14 Die Strom-Spannungskennlinie j(u): Qualitative Betrachtung im äußerem Feld, unbeleuchtet - + E SCR <E(0), j>j(0) Vorwärtsrichtung, U>0 + - E SCR >E(0), j<j(0) Sperrrichtung, U<0 j 0.. Sättigungsstromdichte

15 Hergeleitet werden kann dieses Verhalten aus den 5 Transportgleichungen: Poissongleichung

16 Die Strom-Spannungskennlinie j(u) unter Beleuchtung: Beleuchtet: Für eine Leistungsabgabe muß U ext >0 und j ph >j diode sein. Solarzelle

17 Aufbau einer konventionellen c-si Solarzelle α -1 d Zelle (>100µm) d Zelle L n L n N A (>10 16 cm -3 ) N A qu (1) D qu D N D (>5x10 19 cm -3 ) N D W (2) g W g d Si:P (<0.5µm) j ph = j ph (Si:P)+ j ph (SCR)+ j ph (Si:B) (1) qu D maximale Beschleunigungsenergie die nach außen abgegen werden kann. (2) W g aufgrund von Gitterverzerrungen bewirken opt. Verlust

18 Verluste einer konventionellen c-si Solarzelle j max 80% U max 50%!? (Könnte 75% sein) U LL <U D (Diffusionsspannung, built-in potential) weil durch j ph = j diode bestimmt. U LL U D? (1) j ph (2) j diode MPP, Fehlanpassung

19 Strategien um U LL /U D zu vergrößern: j ph j diode j diode = f(n i2 ) n i 2 exp(-w g /k B T) j diode Optische Konzentration Temperaturmanagement Materialmanagement

20 Hetero-Übergang a-si/c-si: Beispiel: SANYO Heterojunction with Intrinsic Thin layer Struktur U LL (2009): HIT: 0.743V vrs V Homo-Übergang c-si Transparenter elektrischer Kontakt (TCO) a-si (*) : W g 1.7eV n i 2 2x10 9 cm -6 c-si: W g 1.12eV n i 2 1x10 20 cm -6 (* )S.R. Dhariwal, S. Rajvanshi, Solar Energy Materials & Solar Cells, 79 (2003), Bild aus H. Fujiwara et. al., Appl.Phys. Lett., 90, (2007).

21 Zusammenfassung Im elektrisch neutralen Halbleiter halten sich Generation und Rekombination von Elektron - Lochpaaren das Gleichgewicht. Zur Trennung der lichtgenerierten Ladungsträger muß im Halbleiter ein elektrisches Feld existieren. Die Beschleunigungsenergie der lichtgenerierten Minoritätsladungsträger im elektrischen Feld kann als Nutzenergie an einen äußeren Stromkreis abgegeben werden. Die Leistungsabgabe einer Solarzelle wird durch ihre Strom- Spannungskennlinie festgelegt: