Aký je spätný zvodový prúd fotovoltaických diód a ako ho optimalizovať?

一, Mechanizmus tvorby a kľúčové faktory ovplyvňujúce spätný únikový prúd
1. Fyzikálny mechanizmus: Dvojité účinky difúzie nosiča a tepelnej excitácie
Spätný únikový prúd pozostáva z dvoch častí:

Prúd generovaný v oblasti priestorového náboja: Pri reverznej odchýlke sa šírka oblasti priestorového náboja PN prechodu zväčšuje a silné elektrické pole urýchľuje pohyb nosičov náboja, čo spôsobuje, že páry elektrónových dier generované tepelnou excitáciou sú oddelené elektrickým poľom a vytvárajú prúd. Prúd exponenciálne súvisí so šírkou bandgap, čo predstavuje viac ako 80 % v zariadeniach na báze kremíka-.
Difúzny prúd in vivo: Menšinové nosiče (ako sú elektróny v oblasti typu P-) difundujú smerom k oblasti typu N- pod vplyvom koncentračného gradientu a vytvárajú slabý prúd. Jeho hodnota je zvyčajne v rozsahu nA, ale môže sa výrazne zvýšiť v prostredí s vysokou teplotou alebo silným žiarením.
2. Kľúčové ovplyvňujúce faktory: komplexné účinky materiálov, procesov a prostredia
Chyby materiálu: dislokácie mriežky a kovové nečistoty (ako je železo a meď) môžu byť zavedené do stredu kompozitu, čím sa skracuje životnosť menšinových nosičov náboja. Experimenty ukázali, že keď koncentrácia kovového znečistenia presiahne 1 × 10 ¹⁰ atómov/cm ², zvodový prúd sa môže zvýšiť o 2 až 3 rády.
Výrobný proces: Nerovnomerné dopovanie a nedostatočná pasivácia povrchu môžu zvýšiť podiel povrchového zvodového prúdu na 30% -50%. Napríklad Schottkyho diódy majú zvodový prúd o 2-3 rády vyšší ako tradičné PN prechody kvôli ich kovovým polovodičovým kontaktným charakteristikám.
Vplyv teploty: Pri každom zvýšení teploty o 10 stupňov sa zvodový prúd zdvojnásobí. V scenároch s vysokou-teplotou, ako sú púšte, môže zvodový prúd tradičných diód na báze kremíka{3}} dosiahnuť μA, zatiaľ čo polovodičové zariadenia tretej{4}}generácie (napríklad SiC) ho môžu znížiť o 2 až 4 rády.
Reverzné napätie: Keď napätie prekročí kritickú hodnotu (napríklad 1,2-násobok VRWM), zvodový prúd sa exponenciálne zvyšuje, čo môže spôsobiť poškodenie pri poruche.
2, Stratégia optimalizácie pre spätný únikový prúd: úplné zlepšenie reťazca od materiálov po systémy
1. Materiálové inovácie: Prelomové aplikácie polovodičov tretej generácie
Karbid kremíka (SiC) a nitrid gália (GaN): Ich charakteristika so širokým pásmovým odstupom (3,2 eV pre SiC a 3,4 eV pre GaN) výrazne znižuje tepelný budiaci prúd a vykazuje vynikajúcu vysokú -teplotnú odolnosť. Napríklad Infineon CoolSiC™ Zvodový prúd Schottkyho diód pri 150 stupňoch je iba 1/1000 zvodového prúdu zariadení na báze kremíka-.
Heterojunkčná štruktúra: Pestovaním materiálov, ako sú GaAs alebo InGaP na kremíkovom substráte, sa vytvorí heterojunkčné rozhranie na potlačenie difúzie nosiča. Fotovoltaická dióda HJT (heterojunction) vyvinutá spoločnosťou Panasonic Corporation v Japonsku znižuje zvodový prúd pod 0,1 nA/cm².
2. Optimalizácia procesu: Jemná kontrola od oblátky po balenie
Ultra čisté výrobné prostredie: Použitím čistých priestorov triedy 10 (s časticami väčšími alebo rovnými 0,5 μm menšími alebo rovnými 10 na kubickú stopu vzduchu) v kombinácii s technológiou vákuového balenia možno koncentráciu kovovej kontaminácie kontrolovať pod 1 × 10 ⁸ atómov/cm ².
Technológia povrchovej pasivácie: pestujte tenké filmy Al ₂ O3 alebo SiN ₓ prostredníctvom depozície atómovej vrstvy (ALD), vyplňte povrchové defekty a znížte povrchovú hustotu stavov. Experimentálne údaje ukazujú, že pasivácia ALD môže znížiť zvodový prúd o 50% -70%.
Proces dopovania laserom: použitie laserového lokálneho ohrevu na dosiahnutie presného dopovania, čím sa zabráni problému nerovnomerného dopovania v tradičných difúznych procesoch. Laserová dopingová technológia vyvinutá inštitútom Fraunhofer ISE v Nemecku kontroluje kolísanie koncentrácie dopingu v rozmedzí ± 3 %.
3. Konštrukčný dizajn: Systematická inovácia od zariadení po moduly
Štruktúra série s viacerými prechodmi: Zapojením viacerých prechodov PN do série sa zvýši spätné blokovacie napätie a zníži sa intenzita elektrického poľa jedného spojenia. Napríklad pri spätnom napätí 1000 V je zvodový prúd trojcestnej fotovoltaickej diódy iba 1/10 zvodového prúdu zariadenia s jedným prechodom.
Integrovaný ochranný obvod: MOSFET alebo TVS (prechodné napätie) dióda je zabudovaná v diódovom module, aby vytvorila sieť spätnej ochrany. STPROTECT zo série STMicroelectronics™ dokáže obmedziť spätný zvodový prúd pod 10 nA.
Optimalizácia tepelného manažmentu: Použitie materiálov s fázovou zmenou (PCM) alebo technológie mikrokanálového chladenia na reguláciu prevádzkovej teploty pod 85 stupňov. Experimenty ukázali, že pokles teploty o 20 stupňov môže znížiť zvodový prúd o 75 %.
4. Testovanie a skríning: úplná kontrola procesu od výroby až po aplikáciu
Vysoko presné testovacie zariadenie: Použite elektrostatický merač Keithley 6517B alebo analyzátor polovodičových parametrov Agilent B1500A na vykonanie testovania zvodového prúdu v rozsahu -55 stupňov až 175 stupňov s presnosťou 0,1 fA.
Zrýchlený test starnutia: Vyberte zariadenia s vynikajúcou stabilitou zvodového prúdu prostredníctvom testov vysokej-teploty a vysokej vlhkosti (85 stupňov / 85 % relatívnej vlhkosti) alebo testov nestability predpätej teploty (BTI). Napríklad norma HALT (High Accelerated Life Test) TÜ V Rheinland vyžaduje, aby miera zmeny zvodového prúdu zariadenia po 1000 hodinách starnutia bola menšia alebo rovná 10 %.
Model skríningu založený na údajoch: Na základe algoritmov strojového učenia vytvorte korelačný model medzi zvodovým prúdom, parametrami procesu a podmienkami prostredia, aby ste dosiahli presné skríningy. Systém skríningu AI vyvinutý tímom pre digitálnu energiu spoločnosti Huawei znížil chybovosť pod 0,01 %.