Какъв е обратният ток на утечка на фотоволтаичните диоди и как да го оптимизирате?

一, Механизъм на образуване и ключови влияещи фактори на обратния ток на утечка
1. Физически механизъм: Двойни ефекти на дифузия на носител и термично възбуждане
Обратният ток на утечка се състои от две части:

Ток, генериран в областта на пространствения заряд: При обратно отклонение, ширината на областта на пространствения заряд на PN прехода се увеличава и силното електрическо поле ускорява движението на носителите на заряд, причинявайки двойките електронни дупки, генерирани от термично възбуждане, да бъдат разделени от електрическото поле, образувайки ток. Токът е експоненциално свързан с широчината на забранената лента, като представлява над 80% в базираните на силиций -устройства.
In vivo дифузионен ток: Малцинствени носители (като електрони в областта тип P-) дифундират към областта тип N- под силата на концентрационния градиент, образувайки слаб ток. Стойността му обикновено е в диапазона nA, но може значително да се увеличи при висока температура или среда със силна радиация.
2. Ключови влияещи фактори: цялостни ефекти на материалите, процесите и околната среда
Материални дефекти: дислокации на решетката и метални примеси (като желязо и мед) могат да бъдат въведени в композитния център, намалявайки живота на малцинствените носители на заряд. Експериментите показват, че когато концентрацията на метално замърсяване надвишава 1 × 10 ¹⁰ атома/cm², токът на утечка може да се увеличи с 2-3 порядъка.
Производствен процес: Неравномерното допиране и недостатъчното пасивиране на повърхността могат да увеличат дела на повърхностния ток на утечка до 30% -50%. Например диодите на Шотки имат ток на утечка с 2-3 порядъка по-висок от традиционните PN преходи поради техните контактни характеристики на метален полупроводник.
Температурен ефект: За всеки 10 градуса повишаване на температурата, токът на утечка се удвоява. При високи-температурни сценарии, като например пустини, токът на утечка на традиционните силициеви-диоди може да достигне μ A, докато трето-поколение полупроводникови устройства (като SiC) могат да го намалят с 2-4 порядъка.
Обратно напрежение: Когато напрежението надвиши критичната стойност (като 1,2 пъти VRWM), токът на утечка нараства експоненциално, което може да причини повреда при повреда.
2, Стратегия за оптимизация за обратен ток на утечка: пълно подобряване на веригата от материали до системи
1. Иновации в материалите: Революционни приложения на полупроводници от трето поколение
Силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN): Техните характеристики с широк обхват (3,2 eV за SiC и 3,4 eV за GaN) значително намаляват тока на топлинно възбуждане и показват отлична устойчивост на високи -температури. Например, Infineon CoolSiC ™ Токът на утечка на диодите на Шотки при 150 градуса е само 1/1000 от този на базираните на силиций -устройства.
Структура на хетеропреход: Чрез отглеждане на материали като GaAs или InGaP върху силициев субстрат се формира интерфейс на хетеропреход за потискане на дифузията на носителя. Фотоволтаичният диод HJT (heterojunction), разработен от Panasonic Corporation в Япония, намалява тока на утечка до под 0,1nA/cm².
2. Оптимизация на процеса: фин контрол от вафла до опаковка
Изключително чиста производствена среда: Използвайки чисти стаи от клас 10 (с по-големи или равни на 0,5 μm частици, по-малки или равни на 10 на кубичен фут въздух), комбинирани с технология за вакуумно опаковане, концентрацията на метално замърсяване може да се контролира под 1 × 10 ⁸ атоми/cm².
Технология за пасивиране на повърхността: отглеждане на тънки филми Al ₂ O3 или SiN ₓ чрез отлагане на атомен слой (ALD), запълване на повърхностни дефекти и намаляване на повърхностната плътност на състоянията. Експерименталните данни показват, че ALD пасивирането може да намали тока на утечка с 50% -70%.
Процес на лазерно допиране: използване на лазерно локално нагряване за постигане на прецизно допиране, избягване на проблема с неравномерното допиране в традиционните процеси на дифузия. Лазерната допинг технология, разработена от Fraunhofer ISE Institute в Германия, контролира флуктуацията на концентрацията на допинг в рамките на ± 3%.
3. Структурен дизайн: систематична иновация от устройства до модули
Серийна структура с много кръстовища: Чрез свързване на множество PN кръстовища последователно, обратното блокиращо напрежение се увеличава и силата на електрическото поле на единично кръстовище се намалява. Например, при обратно напрежение от 1000 V, токът на утечка на фотоволтаичен диод с три прехода е само 1/10 от този на устройство с един преход.
Интегрирана защитна схема: MOSFET или TVS (потискане на преходно напрежение) диод е вграден в диодния модул, за да образува обратна защитна мрежа. STPROTECT от серия STMicroelectronics™ може да ограничи обратния ток на утечка до под 10nA.
Оптимизиране на термичното управление: Използване на материали с фазова промяна (PCM) или технология за микроканално охлаждане за контролиране на работната температура под 85 градуса. Експериментите показват, че понижение на температурата с 20 градуса може да намали тока на утечка със 75%.
4. Тестване и скрининг: пълен контрол на процеса от производството до приложението
Оборудване за високо прецизно изпитване: Използвайте електростатичен измервателен уред Keithley 6517B или анализатор на параметри на полупроводници Agilent B1500A, за да извършите изпитване на ток на утечка в диапазона от -55 градуса до 175 градуса, с точност от 0,1fA.
Тест за ускорено стареене: Изберете устройства с отлична стабилност на тока на утечка чрез тестове за висока-температура и висока влажност (85 градуса /85% RH) или температурна нестабилност (BTI). Например стандартът HALT (High Accelerated Life Test) на T Ü V Rheinland изисква скоростта на промяна на тока на утечка на устройството след 1000 часа стареене да бъде по-малка или равна на 10%.
Модел на скрининг, управляван от данни: Въз основа на алгоритми за машинно обучение, установете модел на корелация между тока на утечка, параметрите на процеса и условията на околната среда, за да постигнете точен скрининг. Системата за скрининг с изкуствен интелект, разработена от екипа за цифрова енергия на Huawei, намали процента на дефекти до под 0,01%.