Эффект Стеблера–Вронского

Эффект Стеблера -Вронского (SWE) относится к метастабильным изменениям свойств гидрогенизированного аморфного кремния, вызванным светом .

Плотность дефектов гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H) увеличивается под воздействием света, что приводит к увеличению тока рекомбинации и снижению эффективности преобразования солнечного света в электричество .

Он был открыт Дэвидом Л. Стэблером и Кристофером Р. Вронски в 1977 году. Они показали, что темновой ток и фотопроводимость гидрогенизированного аморфного кремния могут быть значительно уменьшены путем длительного освещения интенсивным светом. Однако при нагревании образцов до температуры выше 150 °C они могли обратить эффект вспять. ^[1]

Объяснение

Некоторые экспериментальные результаты

• Фотопроводимость и темновая проводимость сначала быстро уменьшаются, а затем стабилизируются на более низком значении.
• Перерывы в освещении не оказывают никакого влияния на последующую скорость изменения. Как только образец снова освещается, фотопроводимость падает, как будто перерыва не было.

Предлагаемые объяснения

Точная природа и причина эффекта Стеблера-Вронского до сих пор не известны. Нанокристаллический кремний меньше страдает от эффекта Стеблера-Вронского, чем аморфный кремний, что позволяет предположить, что беспорядок в сетке аморфного кремния Si играет важную роль. Другими свойствами, которые могут играть роль, являются концентрация водорода и его сложный механизм связывания, а также концентрация примесей.

Исторически наиболее предпочтительная модель — модель переключения водородных связей. ^[2] Она предполагает, что пара электрон-дырка, образованная падающим светом, может рекомбинировать вблизи слабой связи Si–Si, высвобождая энергию, достаточную для разрыва связи. Затем соседний атом H образует новую связь с одним из атомов Si, оставляя оборванную связь . Эти оборванные связи могут захватывать пары электрон-дырка, тем самым уменьшая ток, который может проходить. Однако новые экспериментальные данные ставят под сомнение эту модель. Совсем недавно модель столкновения H предположила, что два пространственно разделенных события рекомбинации вызывают испускание подвижного водорода из связей Si–H с образованием двух оборванных связей, при этом метастабильное спаренное состояние H связывает атомы водорода на удаленном участке. ^[3]

Эффекты

Эффективность аморфного кремниевого солнечного элемента обычно падает в течение первых шести месяцев работы. Это падение может быть в диапазоне от 10% до 30% в зависимости от качества материала и конструкции устройства. Большая часть этих потерь приходится на коэффициент заполнения элемента. После этого начального падения эффект достигает равновесия и вызывает небольшую дальнейшую деградацию. Уровень равновесия смещается с рабочей температурой, так что производительность модулей имеет тенденцию восстанавливаться в летние месяцы и снова падать в зимние месяцы. ^[4] Большинство коммерчески доступных модулей a-Si имеют деградацию SWE в диапазоне 10–15%, и поставщики обычно указывают эффективность на основе производительности после того, как деградация SWE стабилизируется. В типичном аморфном кремниевом солнечном элементе эффективность снижается до 30% в течение первых 6 месяцев в результате эффекта Стеблера-Вронского, а коэффициент заполнения падает с более чем 0,7 до примерно 0,6. Эта деградация, вызванная светом, является основным недостатком аморфного кремния как фотоэлектрического материала. ^[5]

Методы снижения SWE

• Использование нанокристаллического кремния вместо аморфного кремния
• Работа при более высокой температуре. Этого можно добиться путем интеграции PV в фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор (PVT).
• Наложение одного или нескольких более тонких слоев аморфного кремния вместе с другими материалами для формирования многопереходного солнечного элемента . ^[6] Более сильное электрическое поле, которое применяется в более тонких слоях, по-видимому, снижает SWE.

Ссылки

1. Staebler, DL; Wronski, CR (1977). "Обратимые изменения проводимости в аморфном Si, полученном разрядом". Applied Physics Letters . 31 (4): 292. Bibcode : 1977ApPhL..31..292S. doi : 10.1063/1.89674. ISSN  0003-6951.
2. Kołodziej, A. (2004). «Эффект Стеблера-Вронского в аморфном кремнии и его сплавах». Opto-Electronics Review . 12 (1): 21–32 . Получено 31 октября 2015 г.
3. Branz, Howard M. (15 февраля 1999 г.). «Модель столкновения водорода: количественное описание метастабильности в аморфном кремнии». Physical Review B. 59 ( 8). Американское физическое общество (APS): 5498–5512. Bibcode : 1999PhRvB..59.5498B. doi : 10.1103/physrevb.59.5498. ISSN  0163-1829.
4. Учида, Y и Сакаи, H. Светоиндуцированные эффекты в пленках a-Si:H и солнечных элементах, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 70, 1986
5. Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных элементов . Imperial College Press.
6. Эффект Штеблера-Вронского в фотоэлектрических модулях аморфного кремния и процедуры ограничения деградации. Архивировано 6 марта 2007 г. в Wayback Machine , EY-1.1: 28 октября 2005 г., Бенджамин Страм, Федеральная политехническая школа Лозанны, Центр исследований и физики плазмы (Power Point). слайд-шоу)