Температурное воздействие на коэффициент неидеальности фотоэлектрических параметров солнечного элемента

Известно, что плотность фототока в цепи освещенного солнечного элемента (СЭ) определяется выражением:

jф = ^J о [ exp [ U 1 - ¹ V J' ^ ,                      (3)

у у nkT J у где j о- плотность тока насыщения СЭ, U-напряжение и jK3 - плотность тока короткого замыкания. Из этой формулы для коэффициента не идеальности ВАХ освещенного СЭ можно получить выражение:

n =

qU

kT

ln(

^j ф + j кз + J 0 j ₀

)

Однако, используя это выражение, температурную зависимость коэффициента не идеальности ВАХ освещенного СЭ можно определить только экспериментальным путем, так как, нет выражения определяющее температурную зависимость напряжения и плотности фототока.

В работах [1, 2] исследованы корреляция между напряжением холостого хода (Uхх), плотностью тока короткого замыкания (Iкз), эффективного напряжения (Uэф) и эффективной плотностью тока (jэф) от температуры в интервале 200К2). Из этого следует, что значение коэффициента не идеальности ВАХ освещенного СЭ различаются на различных точках ВАХ. Действительно, коэффициент не идеальности ВАХ освещенного СЭ определяется выбранной точкой кривой фототока [3], поэтому он не может иметь одинаковое значение на различных точках ВАХ. Так, как в точке определения напряжение холостого хода, фототок равен нулю и при этом значение коэффициента не идеальности ВАХ близко к 1 [4].

Принимая во внимание вышесказанное, настоящая работа посвящена исследованию температурной зависимости коэффициента не идеальности ВАХ СЭ.

В работе [2] для плотности тока насыщения, напряжению холостого хода и плотности тока короткого замыкания при T0 = 300 К, получены следующие выражения,

^J 0 = j 00 exp

q p (± - 1) kT T

T

UXX = UО XX — P)--+ P , хх        0 хх

T ₀

^j 3 = j 00 exp

q P (1 - 1) kT T

X

exp

J P ( ц хх. — , + T l) — 1

nkT₀   p      T

где - U - и j00 - напряжение холостого хода и плотность тока насыщения, при температуре Т0 = 300 К, n1- коэффициент не идеальности ВАХ в точке где определяется плотность тока короткого замыкания (точка 1), φ высота потенциального барьера СЭ. Как известно, потенциальный барьер СЭ тоже зависит от температуры в явном виде:

p = P 0 - yT ,

где φ0– высота потенциального барьера СЭ при температуре абсолютного нуля, γ–температурный коэффициент потенциального барьера, а его значение для основных полупроводников лежит в диапазоне γ = 5×10-3 ÷ 5×10-5 В / К.

Когда фототок равен нулю, выходное напряжение СЭ является напряжением холостого хода, поэтому из (3) можно получить следующую формулу:

n = q         . ¹   .   .                                                  (9)

^kT ln( j^{3 +} j ⁰ )

j 0

Подставляя (5) - (8), (10) и (11) в соответствующие формулы (9) и (12), получим выражение, для температурной зависимости коэффициента не идеальности ВАХ освещенного СЭ.

В работе [4] для эффективних значений напряжения и плотности тока СЭ получены следующие выражения:

n ₂ kT   j_кз n ₂ kT

,

U эф =          ■   TT q     j0 qU хх

J эф = ^j 3

(nk^T - 1 - j J , I qu ..      л J

(11) где n ₂- значение коэффициента не идеальности ВАХ в точке определения эффективних значений фотогальванических характеристик СЭ (точка 2). Когда напряжение равно эффективному значению, плотность фототока также будет равна ее эффективному значению. Поэтому для коэффициента не идеальности ВАХ из формулы (3) можно получить:

qUэф1

n =---------:-----::— kT     j эф + jкз + j0 X ln()

j ₀

.

Результаты расчета температурной зависимости коэффициента не идеальности ВАХ в точке определения тока короткого замыкания по выражению (9) для СЭ , изготовленных на основе свидетельствуют о ее ничтожности . Другими словами , коэффициент не идеальности ВАХ освещенного СЭ не зависит от температуры в интервале 160 K <  T < 500 K . При этом выполнены расчеты для значений параметров: j ₀₀ = 3,468 × 10^-10 А/см ², φ ₀ =1,12 В и γ =2 × 10^-4 В/K и значение для коэффициента составляет n 1 = 1,0018.

В таблице приведены результаты расчетов для СЭ на основе полупроводников для температурной зависимости коэффициента не идеальности ВАХ в точке опредения эффективного значения фотогальванических характеристик .

Как следует из таблицы, коэффициент не идеальности ВАХ слабо зависит от температуры в диапазоне 160 K <  T < 500 K; диапазон изменений коэффициента при этом составляет 2,1 < n 2 <2,3. Считаем, что эти изменения происходить из за более существенного изменения фототока в точке определения эффективных значений фотогальванических характеристик. Эти расчеты выполнялись для значений j ₀₀ = 3,468×10 ^-10

А/см², φ ₀ =1,12 В и γ =2×10^-4 В/K. Максимальное значение коэффициента составляло n 2 = 2,5.

Таблица

Температурная зависимость коэффициента не идеальности ВАХ кремниевых СЭ, вычисленная для эффективной точки

T ,K	163	183	203	223	243	263	283	303	323
N	2.217 7	2.218 9	2.220 0	2.221 2	2.222 3	2.223 4	2.224 5	2.225 6	2.226 7
T ,K	343	363	383	403	423	443	463	483	503
N	2.227 8	2.228 8	2.229 9	2.230 9	2.232 0	2.233 0	2.234 0	2.235 1	2.236 1

Значение фототока в кремниевых структурах в 10⁵÷10⁶ раз превышает значение темнового тока. Поэтому влияние температуры на темп рекомбинации носителей заряда в области объемного заряда р-п- перехода и, следовательно, на коэффициент не идеальности ВАХ для освещенного СЭ является несущественным. Не большое изменение значений п в эффективной точке ВАХ освещенного СЭ с температурой в основном связано с изменением последовательного и шунтирующего сопротивления кремниевой структуры с поверхностными омическими контактами. Следовательно, с физической точки зрения, можно считать более целесообразным использование уравнения (12) в экспериментальных задачах физики полупроводниковых приборов.

Таким образом, в настоящей работе исследовано влияние температуры на значения коэффициента не идеальности ВАХ освещенного СЭ. Получены полуэмпирические выражения для определения температурной зависимости коэффициента не идеальности ВАХ освещенного полупроводникового СЭ. Показано, что его значение почти не зависит от температуры в интервале 160 K <  T < 500 K .