ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

АННОТАЦИЯ

В работе проанализирован процессы генерации электрического тока в полупроводниках и p-n-структурах, а также влияние на них температуры. Отдельное внимание удалено влиянию температуры на характеристики полупроводниковых фотоэлектрических приборов. В то же время проанализированы методы моделирования полупроводниковых фотоэлектрических приборов и воздействия на них вариации температуры.

ABSTRACT

The work analyzes the processes of electric current generation in semiconductors and p-n structures, as well as the influence of temperature on them. Special attention is paid to the influence of temperature on the characteristics of semiconductor photovoltaic devices. At the same time, methods for modeling semiconductor photovoltaic devices and the effects of temperature variations on them are analyzed.

Ключевые слова: полупроводник, р-n-структура, фотоэлектрические приборы, температура, моделирование.

Keywords: semiconductor, p-n-structure, photovoltaic devices, temperature, modeling.

Введение

Постепенный рост потребления энергетических ресурсов и обострение глобальных экологических проблем требуют интенсивного расширения использования источников возобновляемых видов энергии. Наиболее перспективными и экологически чистыми видами возобновляемых источников энергии являются фотоэлектрический и ветроэлектрический преобразователи энергии, а также инновационные гибридные фото- и ветроэнергетические устройства. Эффективность фотоэлектрических энергетических устройств, в первую очередь, определяется эффективностью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей энергии. Более 85 % используемых в практике полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) изготовлены на основе кремния. Эффективность или производительность кремниевых СЭ непосредственно зависит от уровня освещенности и температуры окружающей среды. С целью выработки большей фотоэлектрической энергии с каждого СЭ требуется повышение уровня его освещенности посредством концентрации солнечного излучения с большой площади концентратора на небольшую поверхность СЭ. Такой способ позволяет сократить площадь используемых дорогостоящих кремниевых СЭ. Но при этом наблюдается существенное повышение температуры СЭ и, следовательно, уменьшение их эффективности [1-4].

Анализ научной литературы показывает, что для нужд наземной энергетики целесообразно использование СЭ, изготовленных на базе различных видов полупроводникового кремния. В регионах жаркого климата становится проблемой использование кремниевых СЭ даже без концентраторов излучения. Разработка технических мер по охлаждению кремниевых СЭ осложняется тем, что температурные коэффициенты основных фотоэлектрических параметров существенно различаются друг от друга в зависимости от вида кремниевого материала базы, качества р-п-перехода, устойчивости контактных электродов и качества антиотражающих поверхностных покрытий (АОП). В связи с этим считается актуальным исследование влияние температуры на основные фотоэлектрические параметры тонких кремниевых СЭ [5-7]. 

Целью работы является анализ процессов генерации электрического тока в полупроводниковых р-п-структурах и влияние на них температуры посредством цифрового моделирования. Особое внимание уделяется изучению влияния температуры на характеристики полупроводниковых фотоэлектрических приборов. В то же время анализируются методы моделирования полупроводниковых фотоэлектрических приборов и воздействия на них вариации температуры [8, 9].

Методология исследования

При цифровом моделировании для определения электростатического потенциала в твердом теле необходимо решить известное уравнение Пуассона:

                     (1)

где - диэлектрическая проницаемость, - вектор поляризации, q- элементарный заряд, n и p - плотности электронов и дырок,  - концентрация ионизированных доноров,  - концентрация ионизированных акцепторов,  - плотность заряда в ловушках (зарядовых состояниях).

При моделировнии использован термодинамическая модель, в которой приняты для расчета тока уравнения:

, ,                  (2)

где и - абсолютные термоэлектрические энергии и -температура решетки - q- элементарный заряд, n - плотности электронов, µ - подвижность заряженных частиц, Ф_р и Ф_n - Потенциал Ферми для электронов и дырок, T - температура.

Результаты и обсуждения

С целью упрощения задачи и расширения возможностей разработана программа для ЭВМ “STTemperature” с использованием програмного языка C#9.0. Приведены и обсуждены результаты исследования влияния температуры на основные кинетические параметры носителей заряда в кремнии, полученные при помощи программной системы «PVLightHouse» в разделе «Calculator, Wafer ray tracer» [10]. При выборе исходных параметров полупроводникового кремния основывались на критерии требования параметров, подходящих для изготовления эффективных СЭ. Уровень легирования выбрана в диапазоне (10¹⁴ ÷ 10¹⁸) см^-3, а температура варьировалась в диапазоне (250 ÷ 350) град. [11, 12].

В качестве первичных результатов получены зависимости кинетических параметров носителей заряда (НЗ) в монокристаллическом кремнии такие, как концентрация, коэффициент диффузии, диффузионная длина, подвижность, времени жизни основных и неосновных НЗ, а также электрическая проводимость, изменение ширины запрещенной зоны от уровня легирования или от концентрации основных НЗ. Построены соответствующие номограммы для указанных параметров температуры и концентрации НЗ. Полученные расчетные данные позволяли сделать заключение: 1) Подвижность электронов как для п-типного, так и р-типного кремния в 2,8 – 3 раза выше, чем дырок; 2) Подвижность основных и неосновных НЗ уменьшается с увеличением температуры как для п-типного, так и р-типного кремния; 3) С увеличением концентрации основных НЗ уменьшается чувствительность их подвижностей к изменениям температуры.

Также была вычислена температурная зависимость удельной проводимости или удельного сопротивления кремния. Далее выполнен расчет изменения ширины запрещенной зоны в кремнии р-типа от температуры. По результатам можно увидеть, что изменение ширины запрещенной зоны кремния от вариации температуры идентичны как при расчете для электронов, так и дырок.

Если рассматривать комплект кинетических параметров НЗ, то можно отметить, что не изучено влияние температуры на эффективную массу НЗ. В модели переноса заряда плотность тока электронов и дырок определяется пространственным изменением их эффективной массы. Однако в программной системе “Pvlighthouse” не предусмотрен такой расчет. В то же время изменение эффективной массы в кремнии от температуры можно изучать при помощи новой программы “STTemperature”. Первичные результаты такого расчета приведены на рис. 1. При этом эффективная масса электронов касается им в эмиттерном слое (п-типа с концентрацией 10¹⁷ см^-3) и эффективная масса дырок касается им в базовом слое (р-типа с концентрацией 10¹⁵ см^-3).

Рисунок 1. Зависимость эффективной массы (расчет для электронов и дырок) в кремнии п-типа (донор-фосфор) от температуры

Таким образом, впервые определены зависимости эффективной массы электронов и дырок в эмиттерном и базовом слоях кремниевых структур, взаимное соотношение которых интерпретируются в рамках теории физики полупроводников.

Представляет интерес результаты расчета влиянии температуры на характеристики кремниевых р-п-структур при помощи системы “Sentaurus”. При исследовании температурных свойств кремниевых СЭ рассмотрен диапазон температуры 250÷350 К, представляющий важное практическое значение для наземных и космических назначений. На рис. 2. приведены нагрузочные вольт-амперные характеристики кремниевых СЭ при различных температурах в диапазоне 250÷350 К.

Рисунок 2. Нагрузочная вольт-амперная характеристика кремниевого солнечного элемента при различных температурах

Сопоставление определенных в данной работе температурных коэффициентов основных фотоэлектрических параметров кремниевых структур с данными экспериментальных работ свидетельствует об их удовлетворительном соответствии.

Основываясь на основных представлениях физики полупроводников и изменении кинетических параметров носителей заряда, проанализировано влияние температуры на фотоэлектрические характеристики монокристаллических и поликристаллических кремниевых фотоэлектрических структур. А также, впервые изучены и выявлены особенности поведения солнечных блоков и панелей при вариации температуры. Результаты определения параметров, исследованных структур в условиях различной освещенности приведены в сопоставлении СЭ из моно- и поликристаллического кремния.

Также измерена нагрузочная ВАХ СЭ из поли- и монокристаллического кремния и на рис. 3 приведены кривые двух ВАХ СЭ в сопоставлении. Можно отметить некоторое преимущество СЭ из монокристаллического кремния. Но при этом необходимо учитывать, что СЭ из моно-кремния более дорогостоящие, чем из поли-кремния.

Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика СЭ из моно- и поликристаллического кремния

Температурный коэффициент для тока к.з. поликристаллического кремниевого СЭ тем больше, чем больше его площадь. При этом разница составляет в 80 раз. Последовательное и параллельное соединение СЭ приводит к уменьшению температурного коэффициента для тока к.з. в 4 и в 1,3 раза соответственно. Величина температурного коэффициента напряжения холостого хода х.х. СЭ очень маленькая как для отдельных элементов, так и при их последовательном или параллельном соединении.

При сборке плоских солнечных панелей (СП) из отдельных СЭ и блоков СЭ, не всегда сохраняется исходные характеристики первичных СЭ. Характеристики СЭ и СП могут существенно отличатся друг от друга, в т. ч. и температурные характеристики. Поэтому проведено исследование температурных характеристик кремниевых СП. Для проведения сопоставительного исследования выбраны промышленные СП из моно- и поликристаллического кремния. Были измерены ВАХ исследованных СП при различных температурах. Результаты по СП из моно- и поликристаллического кремния представлены на рис. 4.

Рисунок 4. Нагрузочная ВАХ плоской СП с мощностью 250 Вт, собранных из отдельных солнечных элементов из монокристаллического (m-Si) и поликристаллического (p-Si) кремния при освещенности 739 Вт/м² и температуре 46 ^оС.

Заключение

По результатам комплексного исследования путем использования современного цифрового приборно-технологического моделирования и экспериментального анализа влияния изменения температуры на электрофизические свойства кремния и основные фотоэлектрические характеристики р-п-структур, созданных на его основе, сформулированы следующие основные выводы:

1. Предложена и разработана программная система “STTemperature”, основанная на использовние современной программной “С#9.0” технологии, позволяющая обрабатывать результаты расчета международной системы “PVLighthouse”, получить в универсальном и комплексном “Exсell” виде для научного анализа.

2. Составлены комплексные номограммы изменения электропроводности, кинетических параметров носителей заряда, ширины запрещенной зоны кремния и фотоэлектрических параметров кремниевых р-п-структур с различными исходными уровнями легирования (10¹⁴÷10¹⁸см^-3) в зависимости от температуры окружающей среды в диапазоне 250 ÷ 350 К.

3. Определены особенности изменения ВАХ современных кремниевых фотоэлектрических р-п-структур, ее основных фотоэлектрических параметров при изменении температуры и установлена удовлетворительная взаимная корреляция данных, полученных методами моделированного численного расчета и выполненного эксперимента.

Список литературы:

1. Overview of PV simulation programs [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.PVLighthouse.com.au/simulation-programs [01.06. 2020]
2. Гульков В.Н., Колесниченко И.Д., Коротков К.Е. Исследование влияния нагрева солнечных модулей на эффективность преобразования излучения. // Извстия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2019, №1. С. 10-16.
3. Литвин Н.В., Капустина Н.В., Власова В.Д. Моделирование параметров элементов солнечных батарей. // Переводная версия журнала "Современные проблемы науки и образования". "Modern Problems of Science and Education. Surgery» (ISSN - 2686-9101). № 1 (43), 2020. С. 40-45.
4. Зиёитдинов Ж.Н. Влияние температуры на фотоэлектрические характеристики р-п-структур на основе моно- и поликристаллического кремния. Автореферат диссертации доктора философии (PhD) по физико-математическим наукам. Фергана, 2022
5. Sentaurus™ Device User Guide O-2018.06. 2018. -1530.
6. Идришенюк В.И., Певцов Е.Ф. Основы приборно-технологического моделирования в Sentaurus TCAD. М.: Московский технологический университет, 2018, -139 с.
7. R.Aliev, J.Gulomov, M.Abduvohidov, S.Aliev, Zh.Ziyoitdinov, and N.Yuldasheva Stimulation of Photoactive Absorption of Sunlight in Thin Layers of Silicon Structures by Metal Nanoparticles. // Гелиотехника (Applied solar energy), Vol. 56, №5, 2020, С. 364-370.
8. J.Gulomov, R.Aliev, M.Nasirov, and J.Ziyoitdinov Modeling metal nanoparticles influence to properties of silicon solar cells. // International journal of Advanced Research (IJAR) 2020, 8(11) pp. 336-345.
9. Абдувохидов М.К., Мирзаалимов А.А., Зиёитдинов Ж.Н., Мирзаалимов Н.А., Гуламов Ж.Ж., Мадаминова И.М. Создание новых программ численного моделирования и платформ для моделирования солнечных элементов.  //  Universum: Технические науки. Научный журнал. Российская Федерация, Москва, 2020, 6(75), С. 14-17.
10. https://www2.pvlighthouse.com.au/calculators/wafer%20ray%20tracer/wafer%20ray%20tracer.html.
11. R.Aliev, J.Ziyoitdinov, J.Gulomov, M.Abduvohidov, B.Urmanov. Digital modelling of influence of temperature on photo-electric processes in silicon solar cells // Материалы ХХII международной научно-практической конференции «Возобновляемая энергетика и энергоэффективность в ХХI веке», 20-21 мая, 2021 г. Украина, С.532-536.
12. Алиев Р., Зиёитдинов Ж., Носиров М. Влияние температуры на фотоэлектрические процессы в кремниевых солнечных элементах с наночастицами. Материалы международной конференции «Роль передовых инновационных технологий и образования в решении задач автоматизации и энергетики, направленная на повышение энергоэффективности производств и социальной сферы» 24-25 июня, 2021 г., Наманган, С. 387-389.