Photovoltaik Physik und Technologie der Solarzellen - IPHT Jena

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- 55 - Vor dem Kontakt Im Kontakt Abb. 4.24: Bandschema eines Heteroübergangs ohne Ladungen an der Grenzfläche [Würfel] 4 Halbleiter I: Gleichgewicht F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11
- 56 - 5 Halbleiter II: Nichtgleichgewicht 5.1 Optische Absorption Im sichtbaren Spektralbereich absorbieren Halbleiter Licht durch freie Ladungsträger, Band- Band-Übergänge und Übergänge, an denen Störstellen beteiligt sind. Für Solarzellen wesentlich sind photoneninduzierte Übergänge zwischen Valenz- und Leitungsband. Dazu muss die Photonenenergie größer als die Bandlücke sein. Wie bereits in Kapitel 4.2 erwähnt, muss in einem kristallinen Halbleiter bei der elektronischen Anregung durch ein Photon auch die Impuls- oder k-Erhaltung erfüllt werden. Da bei Photonenenergien in der Größenordnung der Bandlücke der k-Wert des Photons kleiner als 10 5 cm -1 ist während die k-Werte der Elektronen am Rand der Brillouin-Zone 10 8 cm -1 betragen, erfolgt die Anregung im Bandschema nahezu senkrecht. In einem direkten Halbleiter, bei dem das Maximum des Valenzbandes und das Minimum des Leitungsbandes beim selben k-Wert liegen, kann die Absorption unter k- Erhaltung bei Photonenenergien an der Bandlücke beginnen. In indirekten Halbleitern ist die k- Erhaltung unmittelbar oberhalb E g nicht gewährleistet. Es muss mindestens ein Phonon erzeugt oder absorbiert werden, das zur k-Erhaltung beiträgt, aber wenig Energie überträgt. In amorphen Halbleitern entfällt die k-Erhaltung. Sie verhalten sich oberhalb der Bandlücke eher wie direkte Halbleiter. In die Berechnung des Absorptionskoeffizienten gehen ein: 1. Das Matrixelement des Störoperators der Lichtwelle mit den ungestörten Wellenfunktionen des Ausgangs- und des Endzustandes: Haben beide Wellenfunktionen dieselbe Parität, so verschwindet das Matrixelement, es liegt ein dipolverbotener Übergang vor und der Absorptionskoeffizient ist klein. Sind die Paritäten verschieden, dann ist der Übergang erlaubt und der Absorptionskoeffizient groß. 2. Die Zustandsdichten in den beiden beteiligten Bändern: Sie beschreiben die Anzahl der vorhandenen Elektronenzustände der erforderlichen Energiedifferenz. 3. Die Fermiverteilung: Der Ausgangszustand muss besetzt, der Endzustand unbesetzt sein. Das ist für Halbleiter mit E g>1 eV bei Raumtemperatur kein Problem. 4. Bei indirekten Übergängen die Wahrscheinlichkeit von Phononenerzeugung und -vernichtung. Störstellen sind wenig effektiv bei der Impulsübernahme. Das alles führt zu folgender Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von der Photonenenergie, gültig ab der Bandlücke bis einige zehntel eV darüber: Direkte Halbleiter Erlaubte Übergänge Verbotene Übergänge (5.1) Amorphe Halbleiter Indirekte Halbleiter 5 Halbleiter II: Nichtgleichgewicht F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11
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