Солнечные элементы

Колтун Марк Михайлович

Имеется еще один метод определения I₀ и А в условиях, близких к рабочим условиям использования солнечного элемента. При этом методе световая вольт-амперная характеристика измеряется при нескольких (хотя бы двух) разных плотностях падающего излучения от имитатора Солнца.

Запишем ранее рассмотренные уравнения с учетом падения напряжения на последовательном сопротивлении и рекомбинации в р — м-переходе:

I=I₀ (exp (q (U-IR_п) /AKT) — 1) — I_?.

В режиме холостого хода I=0, U=U_x.x, а при R_п=0 фототок I_ф можно считать

равным I_?3. Тогда

ln (I_{? 3}+I₀) = ln I₀₊qU_xx /АКТ.

При каждом новом значении плотности потока излучения лабораторного имитатора Солнца, устанавливаемом с помощью эталонного солнечного элемента с линейной зависимостью тока короткого замыкания от освещенности, измеряются значения I_{? 3} и U_x._x исследуемого солнечного элемента. Строится зависимость ln I_?.₃ от U_x._x. Тангенс угла наклона этой прямой равен q/AKT, а на оси ординат ею отсекается значение ln I₀.

Таким образом, из световых вольт-амперных характеристик удается также определить параметры А и I₀, причем именно те их значения, которые характерны для солнечных элементов в рабочем режиме.

Конструкция солнечного элемента

Из рассмотрения основных процессов, происходящих внутри солнечного элемента при преобразовании оптического излучения в электроэнергию, становится ясно, что эффективность каждого из них зависит от оптических и электрофизических свойств полупроводникового материала (отражение от поверхности, квантовый выход фотоионизации, диффузионная длина неосновных носителей тока, спектральное положение основной полосы поглощения), от характеристик p-n– перехода (механизма протекания обратного тока в нем, высоты потенциального барьера, ширины области объемного заряда), от так называемого геометрического фактора (соотношения между диффузионной длиной носителей заряда и глубиной залегания p-n– перехода), а также от степени легирования областей полупроводника по обе стороны p-n– перехода. Из данных рис. 2.9, ясно также, сколь большое влияние на форму вольт-амперной характеристики и выходную мощность оказывает последовательное сопротивление элемента, зависящее, в свою очередь, от сопротивления, толщины и степени легирования обеих областей полупроводника, а также от формы и места расположения токосъемных контактов.

Желание примирить часто взаимно исключающие требования и найти оптимальное компромиссное техническое решение привело разработчиков к выбору планарной конструкции солнечного элемента (см. рис. 2.6, а) в качестве основной. C небольшими дополнениями (введение тянущих полей, изотипного барьера у тыльного контакта, замена сплошного тыльного контакта на сетчатый, текстурирование поверхности полупроводника и покрытий, нанесение отражающего слоя на тыльную поверхность) эта конструкция остается в течение многих лет без изменений, во всяком случае, для солнечных элементов из монокристаллического кремния с гомогенным p-n– переходом, по-прежнему занимающих ведущее положение при применениях как в космических, так и в наземных условиях.

Радиационно-защитные, теплорегулирующие и просветляющие покрытия, нанесенные на светоприемную поверхность солнечных элементов, позволяют увеличить количество света, проходящего в глубь полупроводника, сбросить путем излучения избыточное тепло, возникающее в солнечном элементе при работе, и защищают элементы от воздействия корпускулярной радиации (электроны, протоны) в космосе и от неблагоприятных климатических факторов на Земле.

Внешнюю, обращенную к падающему оптическому излучению полупроводниковую область солнечного элемента из кремния делают очень тонкой и сильно легируют (до максимальной концентрации атомов примеси 10²⁰—10²¹ см^{– 3}), например, атомами фосфора, так что она становится областью ?-типа. Базовую область полупроводника p-типа чаще всего легируют сравнительно слабо — до концентрации атомов примеси 10¹⁶—10¹⁷ см^{– 3}, например, бором (обычно при получении монокристалла). Внешнюю поверхность элементов покрывают занимающей, как правило, 5–7 % площади сеткой из токосъемных полос различной конфигурации, а на

тыльной стороне создают сплошной или сетчатый контакт.

Разделенные полем p-n– перехода неосновные носители заряда^[3] должны попасть во внешнюю цепь (к нагрузке). В верхней тг-области полупроводника, обращенной к свету, избыточные носители заряда передвигаются вдоль слоя, а в базовой области p-типа (см. рис. 2, 6, а) — поперек слоя. Диффузионная длина неосновных носителей заряда в сильнолегированном верхнем слое n-типа обычно составляет 0,2–0,6 мкм, в базовом слое 100–200 мкм, что зависит от концентрации примеси и режима термообработки (число термоциклов, скорость нагрева и охлаждения, максимальная температура) при получении исходного кристалла и изготовлении из него затем солнечного элемента (например, при термодиффузии легирующих примесей и операциях нанесения и упрочнения просветляющих покрытий). Влиянию термообработки на снижение значения диффузионной длины неосновных носителей заряда в полупроводниковых материалах и солнечных элементах посвящен ряд глубоких исследований; показана возможность уменьшения этого влияния путем извлечения вредных примесей из базовой области кремния и арсенида галлия (как правило, для этого на лицевые и торцевые поверхности пластин наносятся стеклообразные пленки, куда при термообработке переходят примеси в ходе процесса, получившего название геттерирования) и осуществления строгого контроля за режимом термической обработки на каждой технологической операции.

Необходимо отметить, что вследствие многочисленных термообработок, которым подвергаются слои полупроводника на различных технологических стадиях изготовления солнечных элементов, и введения при этом нежелательных примесей и центров рекомбинации многие оптические и электрофизические параметры полупроводникового материала изменяются, отклоняясь от исходных значений. В связи с этим самым точным является определение параметров полупроводника в конце технологического цикла. Обычно это делается расчетом по выходным характеристикам солнечных элементов — таким, как вольт-амперная характеристика пли спектральная чувствительность, а также по другим, более специфическим, например, по вольт-емкостной (изменение емкости элемента от приложенного напряжения) или люкс-амперной (зависимость основных фотоэлектрических параметров от освещенности) характеристикам. Обычно эти характеристики измеряются в тех случаях, когда солнечные элементы используются в системах автоматики и оптоэлектронных устройствах, где важную роль играют быстродействие и линейность характеристик при низких и высоких освещенностях.

Малая диффузионная длина в легированном слое диктует необходимость мелкого залегания p-n– перехода (у современных серийных солнечных элементов в интервале 0,3–0,6 мкм). При этом, чтобы обеспечить поглощение всех падающих фотонов солнечного излучения с энергией hv>=E_g толщина базовой области должна быть не менее 200 мкм. Сопротивление базовой области невелико — ток протекает поперек слоя достаточно большого сечения к вплавляемому в кремний в инертной атмосфере при температуре 750–800^o C сплошному или сетчатому базовому контакту, первый слой которого (для уменьшения переходного сопротивления металл — кремний р– типа) часто делается из алюминия, являющегося примесью р– типа. Алюминий наносится испарением в высоком вакууме или в виде алюминийсодержащих паст с органическим связующим. Слой алюминия перекрывается затем пленками титана, палладия, серебра или никеля и слоем припоя из олова и свинца.

Высокое слоевое сопротивление верхнего легированного слоя кремния n– типа, составляющее, как правило, от 50 до 100 Ом/?, преодолевается созданием на внешней поверхности частой металлизированной сетки токосъемных контактов из тех же материалов, что и тыльный контакт (за исключением слоя алюминия, необходимость в котором при контакте к n– слою отпадает^[4]). Конфигурацию верхней контактной сетки можно рассчитать по выведенным для этой цели формулам.

При изготовлении верхнего токосъемного контакта возникает сложная проблема: необходимо обеспечить достаточно хороший омический (невыпрямляющий) контакт, который при нанесении и последующей обработке не пробивал бы очень тонкий легирующий слой.

Эксперимент показывает, что создание металлического слоя целиком на всей внешней поверхности с последующим образованием контактного рисунка травлением приводит к появлению микрозакорачивающих участков, уменьшению R_ш и росту I₀ как в случае монокристаллических, так и тонкопленочных солнечных элементов. Этого можно избежать, если наносить контактные полосы через металлические маски или (что очень похоже по идее) через окна в слое полимерного фоторезиста или просветляющего покрытия, а также непосредственно через просветляющее покрытие. В любом случае происходит соприкосновение металла с легированным слоем только в местах будущего контакта.