ЭДС в полупроводниковых структурах при фоторазогреве носителей заряда

• Автор: Юрченко, Владимир Борисович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Харьков
• Количество страниц: 124 c. : ил

Глава I. ФОТО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ФОТОРАЗОГРЕВ
НОСИТЕЛЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ
§ I. Фотоэлектрический эффект в структурах с
"холодными" носителями заряда
§ 2. Уравнения непрерывности тока и баланса
энергии при фоторазогреве носителей заряда
§ 3. Граничные условия в теории контактных
явлений
Глава 2. ФОТОЭФФЕКТ В СТРУКТУРАХ С ГРЕЮЩИМИСЯ
НОСИТЕЛЯМИ ПРИ СЛАБОМ ОСВЕЩЕНИИ
§ I. Фотоэдс в р -п -структурах в условиях фото
разогрева неосновных носителей
§ 2. Фотоэдс в структурах с одинаково разогретыми
основными и неосновными носителями
§ 3. Фотоэдс при разогреве носителей в гетероструктурах
Глава 3. НЕЛИНЕЙНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНОМ
РАЗОГРЕВЕ НОСИТЕЛЕЙ
§ I. Фотоэдс в структурах с греющимися носителями
при сильном освещении
§ 2. Нелинейный фотоэффект, вызванный фоторазогревом
неосновных носителей
§ 3. Оптимизация фотоэлектрических преобразователей
с горячими носителями заряда
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Необходимость широкого использования энергии солнечного излучения сделала актуальной проблему создания эффективных солнечных элементов-устройств, преобразующих солнечную энергию в электрическую £1,22 • Самыми перспективными из таких устройств ока -зываются твердотельные фотоэлектрические преобразователи, пост -роенные на основе различных полупроводниковых структур. В нас -тоящее время кпд солнечных элементов этого типа превышает 20% для лучших монокристаллических преобразователей (кремниевых и арсенид-галлиевых) и 10% - для наиболее совершенных пленочных (поликристаллических) С 1-5] . Применение таких преобразователей остается, однако, весьма ограниченным. Связано это с тем, что солнечные элементы оправдывают себя экономически лишь в тех случаях, когда их эффективность оказывается выше определенного уровня, зависящего от их стоимости, долговечности и других факторов С 6 Л. Известные же устройства еще не достигают такого уровня эффективности. Поэтому повышение кпд твердотельных фотопреобразователей наряду с уменьшением их стоимости, увеличением долговечности и т.п..по-прежнему является насущной задачей. Решение этой задачи требует более глубокого изучения эффектов, определяющих работоспособность данных устройств.
Настоящая диссертация посвящена построению нелинейной тео -рии твердотельных фотоэлектрических преобразователей, позволяю -щей предложить новые пути повышения их эффективности.
Работа твердотельных фотопреобразователей основана на испо -льзовании фотоэлектрического эффекта. Этот эффект состоит в по -явлении электродвижущей силы (эдс) в различных полупроводниковых структурах при освещении последних мекзонно поглощаемым светом С I Л . Суть эффекта нагляднее всего проявляется в р- ^-структу-

pax. При межзонном поглощении света в этих структурах генерируются неравновесные электронно-дырочные пары, которые разделяются затем электрическим полем р — п -перехода; носители заряда, неосновные в той или иной области структуры, вытягиваются этим полем в соседнюю область, тогда как носители, являющиеся основными, возвращаются им вглубь исходной области. В результате этих процессов в структурах формируется фотоэдс, а во внешней электрической цепи появляется фототок [7-Ю]
Твердотельные фотопреобразователи,как уже говорилось,являются самими эффективными солнечными элементами. В то же время их кпд в силу многих причин в целом остается невысоким. Одна из главных причин, ограничивающих кпд этих солнечных элементов,за -ключается в том, что неравновесные электроны и дырки,рожденные высокоэнергичными фотонами, неупруго рассеиваются на фононах и, таким образом, передав большую избыточную энергию Е =
rl,p
~(n(i)-E-~)»T кристаллической решетке, быстро "термализуются"
а &
[ 7,9] (здесь F - кинетическая энергия электронов и дырок,
+ с
h Со - энергия фотонов, £ ширина запрещенной зоны полу -проводника, TQ - температура кристаллической решетки). В кремнии,например, при То = 300 К "термализация" носителей происхо-*
дит всего за Ч- 10 с [II] • При этом время жизни неравно
весных носителей ^ 0 обычно гораздо больше (в том же кремнии
— 4
может достигать iO -f 10 с. [12] ). В этих условиях фотоэдс формируется носителями, почти потерявшими избыточную энергию, вследствие чего на создание полезного эффекта расходуется только часть энергии фотонов, равная ширине запрещенной зоны полупроводника Є ^ .В случае солнечного излучения (как и другого излучения с широким спектром) указанный эффект сразу же приводит к значительному снижению кпд фотопреобразо-

Рис.2.1. Распределение избыточной энергии фотонов между электронами и дырками при мензонном поглощении света