LS-Sb92720

Рис. 2.7. Окно результатов расчета

Для каждой страницы доступны три вида представления результатов: графики, числа и информация. Переключение между этими представлениями осуществляется с использованием кнопок на левой стороне.

Актуальные результаты, содержащиеся на странице, могут быть сохранены в файл данных. Расширение файла будет зависеть от выбранной стра-

ницы (*.res, *.rac, *.iv, *.qe, *.iqean, *.adm, *.imp, *.cv, *.ct, *.spvs, *.spvv, *.spvi, *.ebic, *.pel, *.edmr, *.var, *.spek). Можно также импортировать соот-

ветствующие файлы данных в уже существующую или новую страницу. Для этого используйте главное меню окна результатов (file/save, file/import). Обратите внимание, что только актуальные результаты будут сохранены в файле. Данные, уже импортированные, не будут сохранены заново. Импортируя файлы данных, можно легко сравнить различные результаты моделирования. Также можно удалить импортированные файлы через главное меню окна результатов (file/remove). Все данные сохраняются в файлы в формате ASCII, чтобы они могли быть импортированы другими программами для последующей обработки.

21

2.6. Отображение спектров

Функция «spectra» в основном окне программы позволяет вывести различные спектры, с которыми работает программа (рис. 2.8). Для того чтобы спектры были выведены, необходимо сначала задать условия освещения и произвести расчет при освещении. Спектральный диапазон выводимых спектров определяется спектром падающего излучения.

Рис. 2.8. Окно отображения спектров

Некоторые спектры, выводимые на экран, заданы пользователем:

–спектр падающего излучения «incident spectrum»;

–спектры коэффициентов поглощения «absorption coefficients alpha» для всех слоев.

Другие спектры вычислены с помощью оптической модели:

–отражение «reflection» (доля света, отраженная в сторону освещения);

–пропускание «transmission» (доля света, выходящего из другой стороны структуры);

–поглощение «absorption» (доля света, поглощенная в каждом слое).

22

2.7.Результаты измерений

Спомощью программы может быть произведено моделирование результатов электрофизических измерений. Принятие структуры данной программы позволяет вычислить результат, который следовал бы из реального измерения.

В правом разделе основного окна есть список всех измерений, доступных в AFORS-HET (см. рис. 2.1). Чтобы провести моделирование результатов измерения, установите флажок перед названием требуемого измерения. Откроется новое окно, в котором необходимо задать параметры измерения. Для запуска

моделирования нужно нажать кнопку «calc …», появившуюся справа от выбранного измерения. AFORS-HET позволяет проводить моделирование большого числа различных измерений. С полным списком измерений можно ознакомиться в инструкции к программе. Выделим лишь часть этих измерений:

–I–V ( вольт-амперные характеристики);

–PEL ( фотоэлектролюминесценция);

–QE ( квантовая эффективность, спектральные характеристики);

–ADM ( адмиттанс или полная проводимость);

–IMP ( импеданс);

–C–V ( вольт-фарадные характеристики);

–C–T ( температурная зависимость емкости и проводимости).

В то время как программа выполняет измерение, ее можно приостановить после каждого измерительного шага, нажимая кнопку паузы в маленьком окне (см. рис. 2.6), которое можно также использовать для отмены вычисления.

Если отключить переключатель «show only latest graph» (показывают только последний график), графики старых измерений не будут удаляться автоматически при вычислении новых. Это может оказаться очень полезно, если есть необходимость сравнить несколько графиков для одного типа измерения.

Моделирование измерений может быть также включено как составная часть в функцию варьирования параметра «parameter variation», находящуюся в левой части основного меню (см. рис. 2.1) .

Теперь несколько подробнее остановимся на двух измерениях, наиболее важных для анализа солнечных элементов.

2.7.1. Вольт-амперные характеристики

При моделировании вольт-амперных характеристик (ВАХ) к структуре прикладывается напряжение и производится расчет тока, протекаю-

23

Рис. 2.9. Окно настроек параметров измерения ВАХ

щего через структуру. При отсутствии освещения будет рассчитана темная ВАХ, для расчета ВАХ при освещении необходимо заранее задать требуемые условия освещения.

При выборе измерения ВАХ в возникшем окне настроек параметров (рис. 2.9) пользователь должен определить пределы изменения напряжения «from» (от), «to» (до) [В], количество точек «in … steps» и выбрать шкалу изменения напряжения (логарифмическую или линейную).

При расчете ВАХ солнечных элементов при освещении можно запросить выделить три особые точки «iterate specific points»:

1) определение тока короткого замыкания (напряжение на структуре равно нулю);

2)определение напряжения холостого хода (ток через структуру равен

нулю);

3)определение точки максимальной мощности (произведение внешнего тока и внешнего напряжения максимальны).

Результаты расчета ВАХ появляются на отдельной странице окна результатов (рис. 2.10). При этом помимо графика в нижнем правом углу выводятся также следующие параметры солнечных элементов:

Voc – напряжение холостого хода, В;

Jsc – плотность тока короткого замыкания, мA/см2; FF – коэффициент заполнения;

«Eff» – КПД солнечного элемента, %.

24

Рис. 2.10. Страница результатов расчета ВАХ

Обратите внимание, что при расчете КПД интенсивность падающего солнечного излучения считается равной 100 мВт/см2. Если условия (главным образом интенсивность) освещения отличаются от указанных, полученное значение КПД будет некорректным.

2.7.2. Квантовый выход

Для моделирования результатов измерения спектров квантовой эффективности и спектральной чувствительности структура дополнительно освещается монохроматическим облучением с определенной длиной волны. Проводятся вычисления разницы ( Jsc) между током короткого замыкания при освещении и без освещения. Квантовый выход вычисляется как QE(λ) = Jsc / (q*Photonflux), где q – заряд электрона; Photonflux – соответствующий поток фотонов.

При выборе измерения квантовой эффективности пользователь должен определить:

–диапазон длин волн (пределы) [нм] и количество точек измерения;

–интенсивность дополнительного монохроматического освещения «mo-

nochromatic excitation photon flux» [см–2 · с–1 ].

25

Если число фотонов, поглощенных в пределах структуры, является нулем, квантовые эффективности приравниваются также к нулю. Соответствующий числовой порог, определяющий поток фотонов равным нулю, задается в численных настройках (см. 2.3).

При запуске моделирования квантового выхода автоматически устанавливается граничное условие: прикладываемое напряжение равно нулю. Это необходимо для вычисления тока короткого замыкания структуры.

В результате расчета на график выводятся:

–внешняя квантовая эффективность «eqe», где учитываются все фотоны дополнительного освещения, включая отраженные и прошедшие сквозь структуру;

–внутренняя квантовая эффективность «iqe», где учитываются только поглощенные фотоны. Но при этом так же, как и в измерении, фотоны, которые поглощены контактами, тоже учитываются, несмотря на то что они не вносят вклад в фототок;

–скорректированная внутренняя квантовая эффективность «iqe1», где учитываются только фотоны освещения, поглощенные электрическими слоями;

–спектральная чувствительность «spectral response» [А/Вт].

Обратите внимание. По определению внешняя квантовая эффективность всегда должна быть меньше, чем внутренняя, и все квантовые эффективности меньше, чем единица. Если при моделировании это не так – значит дискретизация, по крайней мере, одного из слоев была выбрана не достаточно точно. Дело в том, что количество поглощенных фотонов уменьшается по экспоненциальному закону, тогда как при моделировании происходит линейная интерполяция между узлами сетки. Следовательно, если расстояние между узлами сетки слишком большое, поглощение фотонов будет завышено. Этой проблемы можно избежать, используя более точную дискретизацию.

26

3. ПРИМЕР РАСЧЕТА p– i– n-СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ a-SI:H

На рис. 3.1 представлена p–i–n- структура моделируемого a-Si:H солнечного элемента (CЭ). В табл. 3.1 приведены основные параметры для каждого слоя, используемые в моделировании.

ZnO 1.5 µm

(n)a-Si:H 10 nm

a-Si:H 200 nm

a-SiC:H buffer 10 nm (p) a-SiC:H 10 nm ZnO 1.5 µm

glass

a б

Рис. 3.1. Схематическое изображение p– i– n-структуры a-Si:H солнечного элемента (а) и структура СЭ, используемого в моделировании (б)

				Таблица 3.1
	Основные параметры слоев a-Si:H p– i– n СЭ
Слой	Толщина, нм	Ширина щели	Положение уровня	Электронное
		подвижности, эВ	Ферми, эВ	сродство, эВ
a-SiC:H (p)	10	1.9	0.4	3.8
a-SiC:H (i)	10	1.9	0.95	3.8
a-Si:H (p)	200	1.72	0.85	3.9
a-Si:H (n)	10	1.72	0.3	3.9

На практике степень легирования слоев a-Si:H определяется не концентрацией легирующей примеси в пленке, а положением уровня Ферми относительно ближайшей зоны. Дело в том, что высокая плотность состояний в щели подвижности приводит к значительному сдвигу положения уровня Ферми. При моделировании необходимо проводить подгонку значений концентрации доноров с целью обеспечения требуемого положения уровня Ферми в слое a-Si:H в условиях равновесия.

27

Для описания плотности состояний в щели подвижности слоев аморфных полупроводников использовался классический подход: два экспоненциальных распределения, описывающие состояния в хвостах зоны проводимости и валентной зоны; два дефекта в середине зоны с распределением Гаусса: один – донорного, другой – акцепторного типа, описывающие состояния в середине щели, обусловленные оборванными связями. В табл. 3.2 приведены параметры вводимых дефектных уровней, используемые при расчете для базовой модели. Графики распределения плотности состояний для всех слоев, представлены на рис. 3.2–3.5.

						Таблица 3.2
		Параметры дефектных уровней, используемые
		при расчете для базовой модели
	Параметр	a-SiC:H (p)	a-SiC:H (i)	a-Si:H (i)		a-Si:H (n)
		Хвост зоны проводимости (CBT)
	σ , cм2	7 · 10–16	7 · 10–16	7 · 10–16		7 · 10–16
	n
	σ , cм2	7 · 10–16	7 · 10–16	7 · 10–16		7 · 10–16
	p
	EU, эВ	0.068	0.05	0.03		0.068
	N , cм–3	1.36 · 1020	1.36 · 1020	3 · 1019		1.36 · 1020
	t
		Хвост валентной зоны (VBT)
	σ , cм2	7 · 10–16	7 · 10–16	7 · 10–16		7 · 10–16
	n
	σ , cм2	7 · 10–16	7 · 10–16	7 · 10–16		7 · 10–16
	p
	EU, эВ	0.1245	0.06	0.06		0.1245
	N , cм–3	1.36 · 1020	6 · 1019	6 · 1019		1.36 · 1020
	t
	Гауссовское распределение дефектов акцепторного типа (DBA)
	σ , cм2	3 · 10–15	3 · 10–15	3 · 10–15		3 · 10–15
	n
	σ , cм2	3 · 10–14	3 · 10–14	3 · 10–14		3 · 10–14
	p
	E, эВ	1.3	1	1		0.78
	σ, эВ	0.23	0.15	0.15		0.23
	N , cм–3	5 · 1019	3.76 · 1017	3.76 · 1015		5 · 1019
	t
g	, cм–3 · эВ–	8.7 · 1019	1 · 1018	1 · 1016		8.7 · 1019
	max
	1
	Гауссовское распределение дефектов донорного типа (DBD)
	σ , cм2	3 · 10–14	3 · 10–14	3 · 10–14		3 · 10–14
	n
	σ , cм2	3 · 10–15	3 · 10–15	3 · 10–15		3 · 10–15
	p
	E, эВ	1.1	0.8	0.8		0.58
	σ, эВ	0.23	0.15	0.15		0.23
	N , cм–3	5 · 1019	3.76 · 1017	3.76 · 1015		5 · 1019
	t
g	, cм–3 · эВ–	8.7 · 1019	1.36 · 1018	1 · 1016		8.7 · 1019
	max

28

1

		1021
															Ec
эВ– 1								Ev
		1019
см– 3 ·
g,
		1017
				0						0.5		1		1.5
											E, эВ

Рис. 3.2. Распределение плотности состояний в запрещенной зоне слоя a-SiC:H (p)

		1020
										Ec
– 1				Ev
		1017
см– 3 · эВ
g,
		1014
		0
						0.5	E,	1		1.5
								эВ

		1020										Ec
–1					Ev
эВ
		1018
см–3 ·
g,		1016
			0
							0.5		1		1.5
								E, эВ

Рис. 3.3. Распределение плотности состояний в запрещенной зоне слоя a-SiC:H (i)

		1021
						Ev						Ec
эВ–1
		1019
см–3 ·
g,
		1017
			0					0.5		1		1.5
									E, эВ

Рис. 3.4. Распределение плотности	Рис. 3.5. Распределение плотности
состояний в запрещенной зоне	состояний в запрещенной зоне
слоя a-Si:H (i)	слоя a-Si:H (n)

На рис. 3.6 представлена зонная диаграмма, рассчитанная для заданной p– i– n-структуры a-Si:H СЭ в состоянии равновесия. Видно, что на протяжении всей толщины i-слоя a-Si:H поле достаточно высоко для эффективного разделения носителей заряда.

На первом этапе было исследовано влияние слоя широкозонного окна a-SiC:H на эффективность преобразования солнечного излучения. Было проведено моделирование вольт-амперных характеристик (ВАХ) СЭ при освещении AM1.5G для двух вариантов структур: 1) вариант, представленный в табл. 3.1, с широкозонным окном a-SiC:H p-типа; 2) вариант структуры, в ко-

29

Рис. 3.6. Зонная диаграмма a-Si:H p– i– n-структуры, рассчитанная в состоянии равновесия

E, эВ

				тором широкозонный слой a-SiC:H
–4				был заменен на слой легированного
				a-Si:H p-типа. Рассчитанная ВАХ,
–5				представленная на рис. 3.7, показала,
				что введение широкозонного окна a-
–6				SiC:H позволяет существенно повы-
				сить КПД СЭ, повышая при этом как
–7				значение тока короткого замыкания
0	1E-5	см	2E-5	(Jsc), так и напряжения холостого хо-
	х,

да (Voc). На рис. 3.8 представлены

расчетные спектры внешней квантовой эффективности для этих двух вариантов структур. Видно, что уменьшение Jsc для структуры без широкозонного окна обусловлено снижением чувствительности в коротковолновой области спектра. На рис. 3.9 показано, что увеличение ширины щели подвижности окна a-SiC:H с 1.9 до 2 эВ также позволяет повысить КПД СЭ, за счет снижения поглощения в этом слое и, следовательно, увеличения Jsc.

На следующем этапе было проведено исследование плотности состояний в собственном слое a-Si:H. Результаты для двух максимальных значений

	0							0.8
									(p)a-SiC:H
– 0.002		– (p) a-SiC:H;							(p)a-SiH
		(p) a-Si:H
	- .	(p) a-SiC:H
		–	(p) a-Si:H					0.6
2– 0.004
J, A/см2 J, A/см	- .
	- .						EQEEQE	0.4
– 0.006
	- .							0.2
– 0.008
	– 0.01									– (p) a-SiC:H;
										– (p) a-Si:H
	- .							0
	0	0.2	0.4	00.6	0.8	1			300	400	500	600	700	800
			V,, BВ					200
										λλ,, нм
	Рис. 3.7. Расчетные ВАХ СЭ						Рис. 3.8. Расчетные спектры внешней
	при освещении AM1.5G для двух							квантовой эффективности для двух
вариантов структур: 1) с окном a-SiC:H							вариантов структур: 1) с окном a-SiC:H
	p-типа; 2) со слоем a-Si:H p-типа							p-типа; 2) со слоем a-Si:H p-типа

30