Эффект Стеблера-Вронского

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

Плотность дефектов гидрированного аморфного кремния (a-Si:H) увеличивается при освещении, вызывая увеличение тока рекомбинации и снижение эффективности преобразования солнечного света в электричество .

Его открыли Дэвид Л. Стейблер и Кристофер Р. Вронски в 1977 году. Они показали, что темновой ток и фотопроводимость гидрогенизированного аморфного кремния можно значительно уменьшить при длительном освещении интенсивным светом. Однако при нагреве образцов выше 150 °C эффект мог обратить вспять. ^{[ 1 ]}

Объяснение

Некоторые экспериментальные результаты

Фотопроводимость и темновая проводимость сначала быстро уменьшаются, а затем стабилизируются на более низком значении.
Перебои в освещении не влияют на последующую скорость изменения. Как только образец снова осветится, фотопроводимость упадет, как если бы перерыва не было.

Предлагаемые объяснения

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

Исторически наиболее предпочтительной моделью была модель переключения водородных связей. ^{[ 2 ]} Он предполагает, что пара электрон-дырка, образованная падающим светом, может рекомбинировать вблизи слабой связи Si-Si, высвобождая энергию, достаточную для разрыва связи. Соседний атом H затем образует новую связь с одним из атомов Si, оставляя оборванную связь . Эти оборванные связи могут захватывать электронно-дырочные пары, тем самым уменьшая проходящий через них ток. Однако новые экспериментальные данные ставят под сомнение эту модель. Совсем недавно модель столкновений H предположила, что два пространственно разделенных события рекомбинации вызывают эмиссию мобильного водорода из связей Si–H с образованием двух оборванных связей, при этом метастабильное парное состояние H связывает атомы водорода в удаленном месте. ^{[ 3 ]}

Эффекты

Эффективность солнечного элемента из аморфного кремния обычно падает в течение первых шести месяцев эксплуатации. Это падение может находиться в пределах от 10% до 30% в зависимости от качества материала и конструкции устройства. Большая часть этих потерь приходится на коэффициент заполнения ячейки. После этого первоначального падения эффект достигает равновесия и не вызывает дальнейшей деградации. Уровень равновесия смещается в зависимости от рабочей температуры , поэтому производительность модулей имеет тенденцию частично 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 стабилизации деградации SWE. В типичном солнечном элементе из аморфного кремния эффективность снижается до 30% за первые 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 достичь путем интеграции фотоэлектрической панели в фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор (PVT).
Соединение одного или нескольких более тонких слоев аморфного кремния вместе с другими материалами для формирования многопереходного солнечного элемента . ^{[ 6 ]} Более сильное электрическое поле, которое действует в более тонких слоях, по-видимому, уменьшает SWE.

Ссылки

^ Стейблер, Д.Л.; Вронский, ЧР (1977). «Обратимые изменения проводимости в аморфном кремнии, полученном в результате разряда». Письма по прикладной физике . 31 (4): 292. Бибкод : 1977ApPhL..31..292S . дои : 10.1063/1.89674 . ISSN 0003-6951 .
^ Колодзей, А. (2004). «Эффект Штеблера-Вронского в аморфном кремнии и его сплавах» . Обзор оптоэлектроники . 12 (1): 21–32 . Проверено 31 октября 2015 г.
^ Бранц, Ховард М. (15 февраля 1999 г.). «Модель водородного столкновения: Количественное описание метастабильности в аморфном кремнии». Физический обзор B . 59 (8). Американское физическое общество (APS): 5498–5512. Бибкод : 1999PhRvB..59.5498B . дои : 10.1103/physrevb.59.5498 . ISSN 0163-1829 .
^ Учида, Ю и Сакаи, Х. Эффекты, индуцированные светом в пленках a-Si:H и солнечных элементах, Матем. Рез. Соц. Симп. Учеб., Том. 70,1986
^ Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных батарей . Издательство Имперского колледжа.
^ Эффект Стеблера-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 в области физики плазмы (слайд Power Point). Показывать)

[StaeblerWronski1977-1] Стейблер, Д.Л.; Вронский, ЧР (1977). «Обратимые изменения проводимости в аморфном кремнии, полученном в результате разряда». Письма по прикладной физике . 31 (4): 292. Бибкод : 1977ApPhL..31..292S . дои : 10.1063/1.89674 . ISSN 0003-6951 .

[Kołodziej2004-2] Колодзей, А. (2004). «Эффект Штеблера-Вронского в аморфном кремнии и его сплавах» . Обзор оптоэлектроники . 12 (1): 21–32 . Проверено 31 октября 2015 г.

[3] Бранц, Ховард М. (15 февраля 1999 г.). «Модель водородного столкновения: Количественное описание метастабильности в аморфном кремнии». Физический обзор B . 59 (8). Американское физическое общество (APS): 5498–5512. Бибкод : 1999PhRvB..59.5498B . дои : 10.1103/physrevb.59.5498 . ISSN 0163-1829 .

[4] Учида, Ю и Сакаи, Х. Эффекты, индуцированные светом в пленках a-Si:H и солнечных элементах, Матем. Рез. Соц. Симп. Учеб., Том. 70,1986

[5] Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных батарей . Издательство Имперского колледжа.

[6] Эффект Стеблера-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 в области физики плазмы (слайд Power Point). Показывать)

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]