Солнечным излучением

В качестве эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоисточников электрической энергии — применяются кремниевые элементы, изготавливаемые на основе монокристалла кремния, а также пленочные элементы на основе сульфида кадмия. Основные требования к солнечным элементам заключаются в следующем. Прежде всего их спектральная характеристика должна наиболее полно соответствовать спектру излучения солнца.

В качестве эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоисточников электрической энергии — применяются кремниевые элементы, изготавливаемые на основе монокристалла кремния, а также пленочные элементы на основе сульфида кадмия. Основные требования к солнечным элементам заключаются в следующем. Прежде всего их спектральная характеристика должна наиболее полно соответствовать спектру излучения солнца.

Гл. 5 посвящена солнечным элементам на основе аморфного кремния, результатам теоретического анализа их работы и конкретным разработкам некоторых видов преобразователей солнечной энергии. Рассматриваются вопросы оптимизации характеристик и предельных значений к.п.д. солнечных элементов на основе аморфного кремния с p-i-n-переходом, а также на основе гетеропереходов с использованием ряда новых аморфных сплавов (Sii_xC^, Sij_^Nx и т.д.) или поликристаллических полупроводниковых материалов. Обосновывается роль качест-

Первые работы по 'солнечным элементам на ocnqBe аморфного кремния были выполнены Карлсоном н Вронски [1], а в 1977 г. [2] были созданы солнечные элементы с барьером Шоттки Pt/a-Si: Н, имеющие к.п.д. 5,5 %. Достижение такого уровня к.п.д. на начальной стадии разработок в значительной мере способствовало привлечению внимания ученых к области фотовольтаических исследований. Следующим шагом можно считать достижение группой Хамакава [ 3] в Университете г. Осака весной 1978 г. к.п.д. = 4,5 % на элементе со структурой оксиды индия-олова/р-1-и/нержавеющая сталь. Такой тип структуры ^солнечного элемента имеет несколько преимуществ: 1) довольно легко и с хорошей воспроизводимостью можно изготовить элементы большой площади; 2) с точки зрения будущего массового производства процесс получения такой структуры с заданными параметрами элемента поддается лучшей возможности контролирования. Действительно, большинство солнечных элементов, производимых в настоящее время на основе a-Si имеют этот тип структуры.

Окамото и др., базируясь на другой концепции неосновных носителей, присущей солнечным элементам на основе a-Si, вывели основные соотношения для эффективности собирания носителей, темновой и световой ВАХ в зависимости от приложенного напряжения смещения YU и от спектра падающего света [13]. Физическими параметрами в этих соотношениях являются: произведения подвижности на время жизни для электронов (Иптп) и дырок (МрТр); параметры эффективной поверхностной рекомбинации 3„ и Sp, определенные как скорости эффективных поверхностных рекомбинаций на рЦ (S'p/j)- и i\n (S,•/„)-границах раздела, деленные на подвижность электронов и дырок соответственно; внутреннее электрическое поле в пределах г-слоя Е(х). Такое теоретическое рассмотрение учитывает как диффузионную, так и дрейфовую компоненты потока заряда в процессе собирания носителей. В этом смысле такая теория является общей для свойств перехода и может быть применена не" только к солнечным элементам на основе a-Si, но с некоторым видоизменением и к солнечным элементам на основе кристаллического материала.

Первое сообщение [45] о солнечных элементах с Pt/a-Si : Н-барьером Шоттки на подложке из нержавеющей стали с к.н.д. до 5,5 % было опубликовано в 1976 г. В 1978 г. исследовательская группа Университета г. Осака также сообщила ( 46] о создании солнечных элементов со структурой оксиды индия-олова (ОИО)/р-1-п/не-ржавеющая сталь (Нерж. ст.) с к.п.д. 4,5 %. Эти показатели относились к солнечным элементам малой площади (несколько квадратных миллиметров). Фирма "Fuji Electric" сосредоточила свои усилия на разработке солнечных батарей большой площади на основе аморфного кремния и весной 1979 г. появилось сообщение о создании солнечной батареи с барьером Шоттки на подложке из нержавеющей стали площадью 49 см2. В 1980 г. [47] были созданы солнечные элементы со структурой ОИО/р-г-п/Нсрж. ст. площадью примерно 1 см2 и к.п.д. >6 %; а затем на батарее площадью 100 см2 был получен к.п.д. > 4 % [ 27].

Справедливость использованного анализа оценивалась путем его применения к солнечным элементам с одним переходом.

Гл. 5 посвящена солнечным элементам на основе аморфного кремния, результатам теоретического анализа их работы и конкретным разработкам некоторых видов преобразователей солнечной энергии. Рассматриваются вопросы оптимизации характеристик и предельных значений к.п.д. солнечных элементов на основе аморфного кремния с p-i-n-переходом, а также на основе гетеропереходов с использованием ряда новых аморфных сплавов (Si^^C*, Sii_^Nx и т.д.) или поликристаллических полупроводниковых материалов. Обосновывается роль качест-

Первые работы по 'солнечным элементам на ocnqBe аморфного кремния были ыполнены Карлсоном н Вронски [1], а в 1977 г. [2] были созданы солнечные лементы с барьером Шогтки Pt/a-Si: Н, имеющие к.п.д. 5,5 %. Достижение такого ровня к.п.д. на начальной стадии разработок в значительной мере способствовало [ривлечению внимания ученых к области фотовольтаических исследований. Сле-1ующим шагом можно считать достижение группой Хамакава [ 3] в Университете . Осака весной 1978 г. к.п.д. = 4,5 % на элементе со структурой оксиды индия-1Лова/р-1-и/нержавеющая сталь. Такой тип структуры ^солнечного элемента имеет [есколько преимуществ: 1) довольно легко и с хорошей воспроизводимостью мож-ю изготовить элементы большой площади; 2) с точки зрения будущего массового 1роизводства процесс получения такой структуры с заданными параметрами элемен-'а поддается лучшей возможности кон-•ролирования. Действительно, боль-иинство солнечных элементов, произ-юдимых в настоящее время на основе i-Si имеют этот тип структуры.

Окамото и др., базируясь на другой концепции неосновных носителей, присущей солнечным элементам на основе a-Si, вывели основные соотношения для эффективности собирания носителей, темновой и световой ВАХ в зависимости от приложенного напряжения смещения Уд и от спектра падающего света [13]. Физическими параметрами в этих соотношениях являются: произведения подвижности на время жизни для электронов (Иптп) и дырок (МрТр); параметры эффективной поверхностной рекомбинации Sn и Sp, определенные как скорости эффективных поверхностных рекомбинаций на рЦ (S'p/j)- и //« (5,•/„)-границах раздела, деленные на подвижность электронов и дырок соответственно; внутреннее электрическое поле в пределах /-слоя Е(х). Такое теоретическое рассмотрение учитывает как диффузионную, так и дрейфовую компоненты потока заряда в процессе собирания носителей. В этом смысле такая теория является общей для свойств перехода и может быть применена не" только к солнечным элементам на основе a-Si, но с некоторым видоизменением и к солнечным элементам на основе кристаллического материала.

Первое сообщение [45] о солнечных элементах с Pt/a-Si : Н-барьером Шоттки на подложке из нержавеющей стали с к.п.д. до 5,5 % было опубликовано в 1976 г. В 1978 г. исследовательская группа Университета г. Осака также сообщила ( 46] о создании солнечных элементов со структурой оксиды индия—олова (ОИО)/р-1-п/не-ржавеющая сталь (Нерж. ст.) с к.п.д. 4,5 %. Эти показатели относились к солнечным элементам малой площади (несколько квадратных миллиметров). Фирма "Fuji Electric" сосредоточила свои усилия на разработке солнечных батарей большой площади на основе аморфного кремния и весной 1979 г. появилось сообщение о создании солнечной батареи с барьером Шоттки на подложке из нержавеющей стали площадью 49 см2. В 1980 г. [47] были созданы солнечные элементы со структурой ОИО1р-1-п/\{ерж. ст. площадью примерно 1 см2 и к.п.д. >6 %; а затем на батарее площадью 100 см2 был получен к.п.д. > 4 % [ 27].

Конструкция стен, крыш и навесов галереи и эстакад выбирается так, чтобы кабели были надежно защищены от нагрева, вызванного солнечным излучением.

Пятый период начнется после окончания четвертого (в случае если не будет открыта и освоена энергия деления нейтронов и протонов или какой-то иной источник энергии). Человечеству придется жить в состоянии «динамического равновесия», довольствуясь непрерывно возобновляющимися ресурсами: солнечным излучением, движением вод в реках и морях, энергией ветра, теплом недр Земли и химической энергией растений. В соответствии с поступающей энергией придется регламентировать население Земли, оснащенность его престижной, бытовой, культурной и другой энергоемкой техникой. Окружающая среда будет тоже приведена в состояние динамического равновесия, т. е. будет полностью восстанавливаться.

Если не будут открыты неизвестные сейчас источники энергии, то в будущем человечество ожидает, вероятно, пятый период, когда исчерпаются все невозобновляемые химические и ядерные энергетические ресурсы и придется жить в состоянии динамического равновесия, довольствуясь непрерывно возобновляющимися ресурсами: солнечным излучением, движением вод в реках и морях,

Итак, с увеличением Ед материала р—тг-перехода плотность фототока, генерируемого солнечным излучением, уменьшается. При этом максимальная энергия, выделяемая в нагрузке в расчете на один поглощенный фотон (Етт по формуле (1. 63)), будет сначала расти с увеличением Ед, а затем начнет уменьшаться, когда изменение члена, содержащего гф, станет существенным. Решение задачи

Рассмотрим теперь рекомбинационные потери в СЭ. В реальном СЭ электронно-дырочные пары могут быть генерированы солнечным излучением как в п-, так и в р-области, в зависимости от того, на какой глубине произошло поглощение фотонов с данной энергией. Неосновные носители тока — электроны в р-области и дырки в re-области — двигаются к р—п-переходу ( 1.10), электрическое поле которого осуществляет собирание электронов в re-область, а дырок в р-область. Часть неосновных носителей тока может исчезнуть в результате рекомбинации. За меру эффективности процесса собирания фотогенери-рованных^ носителей принимается коэффициент Q (коэффициент собирания), равный отношению количества электронно-дырочных пар, разделенных полем р—re-перехода, к общему количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. Величина Q существенно зависит от длины волны возбуждающего излучения, поскольку имеет место спектральная зависимость показателя поглощения полупроводников ( 1.3) и генерация носителей происходит на разном расстоянии от р—ге-перехода.

На 2.19 кривыми 1—4 представлены экспериментальные нагрузочные ВАХ СЭ из GaAs диаметром 17 мм при равномерном освещении и разных вариантах неравномерного освещения, получаемых с помощью накладных диафрагм. Здесь же показаны расчетные точки для С/х х и дискретных координат ВАХ, полученные путем анализа эквивалентной схемы 2.15 (формулы не приводятся ввиду их громоздкости). Видно, что неравномерность освещения сильно влияет на выходную электрическую мощность, уменьшая ?/х х и фактор заполнения ВАХ при более сильной засветке центра светочувствительной поверхности и увеличиват их при засветке периферийных участков. Если из экспериментальных ВАХ в условиях засветки концентрированным солнечным излучением с неравномерным распределением облученности и формул (2. 56) определить значения R* и R*, то они будут характеризовать данный СЭ вместе с используемым концентратором. Сравнение кривых 3 и 4 на 2.19 показывает, что повышенная облученность периферийных участков СЭ оказывается энергетически более выгодной, чем его равномерное облучение. Это позволяет наметить один из путей оптимизации систем концентрирования солнечного излучения, а именно создание таких систем, которые формировали бы распределение облученности с провалом в центре. Указанное распределение может быть получено, например, с помощью сфероторических и параболоторических зеркал [30], а также двухзеркальных систем. Разумеется, такой путь оправдан только в том случае, когда именно продольное сопротивление контактной сетки ограничивает выходную мощность СЭ. Если же лимитирующим является сопротивление фронтального полупроводникового слоя или контактное сопротивление, то любое локальное увеличение плотности фототока по сравнению с условиями равномерной облученности СЭ будет приводить к уменьшению его выходной мощности.

Создается изотопный тыльный барьер обычно дополнительной диффузией примеси, обеспечивающей подлегирование тыльной поверхности. Преимущества СЭ с изотипным тыльным барьером проявляются в том случае, когда диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое сравнима с толщиной базовой области. Поэтому в таких СЭ в качестве исходного материала необходимо использовать кремний с высокими значениями LD и т неосновных носителей. В высокоэффективных кремниевых СЭ, предназначенных для работы с концентрированным солнечным излучением, для снижения омических потерь в качестве материала базовой области обычно используют относительно низкоомный материал (р?»0.3—0.5 Ом-см), получаемый методом бестигельной зонной плавки, с высоким значением времени жизни (яп ]> 10~5 с) неосновных носителей заряда. При этом для повышения коэффициента собирания носителей из базовой области толщину кремниевой пластины уменьшают до 200—300 мкм, а для уменьшения оптических потерь и увеличения эффективного коэффициента поглощения излучения осуществляют текстурирование фронтальной поверхности.

В кремниевых СЭ, оптимизированных для работы с неконцентрированным солнечным излучением, при увеличении интенсивности засветки КПД начинает уменьшаться при небольшом повышении облученности (при Кс > 2—3), причем это снижение КПД составляет 20—30 отн. % при Kcf^lO [36, 45] в основном за счет снижения фактора заполнения нагрузочной характеристики.

Рассмотрим параметры некоторых планарных кремниевых СЭ, специально разработанных для работы с концентрированным (Кс ^ 50) солнечным излучением.

Коротковолновый край фотоответа зависит от состава и толщины твердого раствора ( 3.13, 3.23). Содержание AlAs в слое Al^Ga^As обычно устанавливается в диапазоне х=0.75—0.9. Как видно из 3.23, при уменьшении толщины слоя А10 8eGa0 14As от 5 до 0.05 мкм коротковолновый край фотоответа смещается от X» «0.5 мкм до Хл*0.3 мкм, т. е. при толщине широкозонного слоя 0.05— 0.1 мкм обеспечивается его полная прозрачность для солнечного излучения. Предельные расчетные значения тока короткого замыкания в таких СЭ при увеличении толщины (D) слоя твердого раствора уменьшаются в условиях AM 0 от ih 3=35 мА/см2 при D=0.05— 0.1 мкм до iK.3=26 мА/см2 при D=5 мкм ( 3.24). При этом КПД снижается от 21.5 до 16.5 %. В условиях освещения солнечным излучением с воздушной массой AM 1.5—2, характеризующимся меньшей интенсивностью коротковолнового излучения, уменьшается доля света, поглощаемого в слое твердого раствора, что приводит к более пологой зависимости ig.,=/ (D). Так, для AM 2 при увеличении D от 0.1 до 5 мкм iK-3 уменьшается от —23 до 19.5 мА/см2, т. е. относительное снижение КПД в 1.5 раза меньше, чем для «космического» солнечного излучения.

солнечным излучением составляет г„«10 1В А/см2 при минимально возможном значении ?0?«10~20 А/см2. Близость значений реально получаемых и предельных значений i0 обеспечивает достижение в этих СЭ близких к теоретическим значений напряжения холостого хода (выражение (1.51)) и фактора заполнения нагрузочной характеристики. Выше^уже отмечалось, что ток, протекающий через последовательно включенную с освещаемым СЭ нагрузку, может быть представлен в виде разности фототока и темнового тока (iT) через