Солнечные элементы

Колтун Марк Михайлович

По приведенным выше данным о глубине проникновения в кремний оптического излучения различной длины волны п из рис. 2.15 легко определить, какой длины волны оптическое излучение должно использоваться в таких экспериментах, чтобы избыточные носители создавались преимущественно в верхнем легированном слое элементов.

Глубина p-n– перехода может быть достаточно точно оценена методом послойного анодного окисления и травления, по окрашенному плоскому косому или цилиндрическому шлифу (сделанному, как правило, под углом 3° к поверхности элемента), по значению коэффициента отражения или пропускания p-n– перехода в инфракрасной области спектра с учетом глубины проникновения

света и ориентировочно — по значению поверхностного слоевого сопротивления.

Анализируя отдельные (в основном коротковолновые) участки спектральной зависимости коэффициента собирания, можно оценить отношение S/D и при известном коэффициенте диффузии D получить значение скорости поверхностной рекомбинации 5, а также определить l_n и L_p в легированном слое.

Интересен способ определения глубины залегания p-n– перехода или диффузионной длины неосновных носителей по положению максимума спектральной чувствительности на примере солнечных элементов из арсенида галлия. Предложен простой и удобный графический метод, позволяющий по тщательно измеренной спектральной зависимости коэффициента собирания при использовании ряда упрощающих предположений (однородные встроенные электрические поля и постоянные параметры носителей заряда) оценить с достаточной точностью такие характеристики солнечного элемента, как глубина залегания p-n– перехода, скорость поверхностной рекомбинации, диффузионные длины носителей заряда, напряженность электрического поля при определенном соотношении между геометрией солнечного элемента и электрофизическими свойствами.

Диффузионную длину неосновных носителей L_б в базовой области, получаемую по экспериментальным оптическим и фотоэлектрическим характеристикам солнечных элементов, полезно сравнить со значениями, определяемыми при облучении солнечных элементов гамма-квантами или электронами. Эти методы дают близкие значения L, но являются более удобными для непрерывных измерений характеристик солнечных элементов во время испытаний на радиационное облучение, имитирующее воздействие составляющих радиационных поясов Земли на солнечные батареи.

Спектральная чувствительность и коэффициент собирания солнечных элементов

Спектральная чувствительность солнечного элемента представляет собой спектральную зависимость его тока короткого замыкания, рассчитанного на единицу энергии падающего оптического излучения.

Для обычных, не прецизионных измерений спектральной чувствительности используется зеркальный монохроматор со стеклянной оптикой. Источником света служит обычно ленточная вольфрамовая лампа накаливания, тело накала которой с помощью зеркального эллиптического отражателя проецируется на входную щель прибора. Стабильность светового потока поддерживается за счет постоянства тока накала лампы, который контролируется амперметром.

Такая лампа дает возможность проводить измерения в видимой и инфракрасной областях спектра (до границы пропускания стекла). При измерениях в ультрафиолетовой области спектра от 0,4 до 0,3 мкм применяется лампа накаливания с увиолевым стеклом, цветовая температура которой 3200 К, а при измерениях в области длин волн менее 0,3 рекомендуется использовать водородную лампу, поскольку она дает сплошной спектр и отличается высокой (по сравнению с другими газоразрядными лампами) стабильностью. Рабочие щели монохроматора, как правило, изменяются от 1 мм для области спектра 0,4–0,5 мкм до 0,25 мм в области длин волн больше 0,9 мкм, с тем чтобы спектральная ширина щели

оставалась постоянно в пределах 0,01—0,015 мкм. Изменение длины волны осуществляется небольшим поворотом зеркала, что позволяет выделяемому излучению любой длины волны проходить через призму с минимальным отклонением от первоначального пути.

Для устранения рассеянного света при измерениях спектральной чувствительности в различных областях спектра используются соответствующие светофильтры. За выходной щелью монохроматора помещаются две линзы, с помощью которых расходящийся световой поток может быть распределен по всей поверхности или собран на части солнечного элемента. Этот световой поток на определенном расстоянии от второй линзы проецируется в полоску, полностью попадающую на приемную пластину термоэлемента. Затем солнечный элемент устанавливается на место термоэлемента таким образом, чтобы весь свет, измеренный термоэлементом, вписывался в приемную поверхность солнечного элемента.

Измерения плотности потока монохроматического излучения могут быть осуществлены, например, с помощью вакуумного компенсационного элемента. Термоэлемент включается на вход низкоомного потенциометра. Чувствительность термоэлемента периодически проверяется по эталонным светоизмерительным лампам, отградуированным по цветовой температуре и силе света.

В качестве неселективных могут быть также использованы приемники излучения, основанные на металлических термопарах, пленочных термоэлементах, полупроводниковых термостолбиках. Градуировку этих приемников полезно осуществить несколькими независимыми методами: применяя эталонную лампу; с помощью встроенной обмотки замещения, по которой пропускается определенный ток; используя модель абсолютно черного тела с известной температурой.

При измерениях сначала весь спектр монохроматора от 0,4 до 1,16 мкм градуируется с помощью термоэлемента, а затем на его место устанавливается солнечный элемент, ток короткого замыкания которого измеряется по компенсационной схеме. Установка и снятие исследуемого элемента после каждого изменения длины волны привели бы к значительно большим погрешностям за счет неточности механических перемещений.

В качестве индикатора нуля используется обычно гальванометр, измерительным прибором может служить микроамперметр с шунтом.

Энергия на выходе монохроматора изменяется при измерениях во всем спектральном диапазоне от 0,002 до 0,02 мВт (что соответствует потоку фотонов 1,5x10¹²– 1x10¹⁴ с^{– 1}).

Следует отметить, что из-за нелинейности люкс-амперной характеристики многих солнечных элементов при переходе от низких освещенностей, создаваемых монохроматическим светом, к высоким, характерным для солнечного излучения вне атмосферы или в ясные дни в наземных условиях, особенно ответственные прецизионные измерения спектральной чувствительности, например для эталонных солнечных элементов, проводятся на усовершенствованных установках.

В условиях облучения даже однократным солнечным потоком плотность падающего на поверхность элемента потока энергии, составляющая около 100 мВт/см², на несколько порядков выше плотности потока, создаваемого обычным монохроматором (как правило, от 10 до 20 мкВт/см²). От уровня засветки при измерении спектральной чувствительности зависит, в частности, значение диффузионной длины неосновных носителей заряда L_б в базовом слое, поскольку при увеличении концентрации инжектированных светом носителей значение L_б сначала резко растет, а затем практически не меняется. При низкой освещенности обычно отклонение от линейности связано с рекомбинационными процессами, при сверхвысокой — с потерями генерируемой мощности на сопротивлении растекания.