Солнечные элементы

Колтун Марк Михайлович

Влияние толщины и состава верхних слоев на оптические характеристики и КПД солнечных элементов с широкозонным окном-фильтром из Al_xGa_1-xAs и р-п-переходом в находящемся под ним монокристаллическом арсениде галлия можно проследить, сравнивая результаты работ, проведенных различными исследователями. На рис. 4.10 представлены экспериментальные спектральные зависимости коэффициента собирания носителей заряда солнечного элемента из арсенида галлия обычной конструкции с гомогенным p-n– переходом (кривая 7) и гетероструктурой на поверхности (кривая 2). Солнечный элемент с гетероструктурой имел следующий состав и толщину слоев: p– Ga_0,3Alo_0.7As (8 мкм), p– GaAs (0,7 мкм) и n– GaAs (300

мкм). Такие солнечные элементы позволили получить при измерениях в наземных условиях КПД более 20 %. В то же время в силу сравнительно большой толщины широкозонного окна-фильтра и низкого последовательного сопротивления эти элементы можно эффективно использовать при повышенной плотности потока солнечного излучения. Однако по этой же причине коротковолновый край спектральной чувствительности таких солнечных элементов соответствует 0,51—0,52 мкм (см. рис. 4.10).

Расчетная оптимизация параметров солнечных элементов на основе арсенида галлия с гетеропереходами, проведенная в ряде работ, показала, что, уменьшая толщину верхнего слоя твердого раствора и изменяя его состав (увеличивая содержание алюминия), можно значительно расширить спектральную чувствительность таких элементов в коротковолновую область спектра. Расчетные спектральные зависимости коэффициента собирания солнечных элементов данного типа при разной толщине слоя твердого раствора Al_0.36Ga_0.14As и следующих параметрах элементов: толщина слоев p– GaAs и n– GaAs 1,5 и 250 мкм соответственно, концентрация носителей заряда во всех слоях (1–3)x10¹⁸ см^{– 3}; в верхнем слое твердого раствора диффузионная длина L_n=0,5 мкм, подвижность носителей заряда ?_n= =250 см²/(Bxc); в p– GaAs слое L_n=5 мкм, ?_n= =2500 см²/(Bxc); в n– GaAs слое L_p=0,5 мкм, ?_p= =150 см²/(Bxc), представлены на рис. 4.11.

Следует отметить, что высокие значения коэффициента собирания данных элементов в длинноволновой области (при ?=0,6?0,9 мкм) объясняются сравнительно большим значением диффузионной длины носителей в p– GaAs (более чем в три раза превышающей толщину слоя).

Рис. 4.11. Спектральная зависимость коэффициента собирания солнечных элементов структуры p-Al_0.86Ga_0.14AS — p-GaAs (толщиной l = 1,5 мкм) — n-GaAs (l = 250 мкм) при разной толщине верхнего слоя твердого раствора

1–1,0 мкм; 2–0,5; 5–0,25; 4–0,1; 5–0,05 мкм

Рис. 4.12. Зависимости максимального КПД солнечного элемента с р-n-переходом в гомогенном материале от ширины запрещенной зоны полупроводника при различной степени концентрации излучения

1 — 1000; 2 — 100; 3 — 10; 4–1 (однократный солнечный поток)

Рис. 4.13. Энергетические зонные диаграммы и схемы расположения слоев в различных солнечных элементах на основе арсенида галлия а — с переходом в гомогенном материале и широкозонным окном-фильтром на поверхности; б — с варизонной структурой в слое окна-фильтра; в — с переизлучающей структурой между двумя областями окна-фильтра; 1 — p-n-переход в арсениде галлия; 2 — окно-фильтр из твердого раствора алюминия в арсениде галлия; 3 — варизонная структура (переменный по х состав Al_xGa_1-xAs); 4 — переизлучающая структура; А — солнечное излучение; Б — люминесценция

Эксперимент подтверждает результаты расчетов. Вольт-амперная нагрузочная характеристика экспериментальных

солнечных элементов говорит о том, что их КПД в условиях наземного Солнца уже заметно превышает 20 % и может быть увеличен до 25 %, например, за счет использования очень тонких верхних слоев твердого раствора с плавно меняющимся по глубине химическим составом и шириной запрещенной зоны, образующих варизонную структуру. Возможность получения таких слоев методами газовой и молекулярной эпитаксии в настоящее время теоретически и экспериментально доказана.

Повышение КПД солнечных элементов из простых и сложных полупроводниковых структур

Повышение КПД солнечных элементов имеет как научное, так и инженерно-экономическое значение: уменьшение себестоимости электроэнергии, получаемой от солнечных элементов, может быть достигнуто не только путем применения дешевых исходных полупроводниковых материалов и автоматизации технологии их изготовления, но и благодаря резкому росту КПД, хотя это и требует дополнительных затрат, которые тем не менее окупаются при эксплуатации таких сравнительно дорогостоящих солнечных элементов.

Вероятно, сразу после опубликования первых работ, где предельно достижимые КПД солнечных элементов ограничивались значениями 24–25 %, начались поиски оригинальных физических идей, которые можно было бы положить в основу новых, более эффективных моделей солнечных элементов, чтобы открыть дорогу исследовательским и практическим работам по реализации таких элементов. Выдвинутые вскоре модели каскадных и многопереходных солнечных элементов, элементов с гетеропереходами, встроенными электрическими полями, варизонными структурами, долгое время не удавалось проверить в эксперименте, хотя предельный теоретический КПД большинства новых моделей поднимался до уровня 30–50 %. В то же время благодаря успешной практической реализации многих новых моделей солнечных элементов в эксперименте в наземных условиях был достигнут КПД 14–15 % для дешевых кремниевых солнечных элементов,· базовый слой которых получен сравнительно простыми и экономичными методами, и от 20 до 25 % для элементов на основе гетероструктур в системе твердый раствор алюминия в арсениде галлия — арсенид галлия.

Теоретические исследования, направленные на развитие и усовершенствование модели объемного фотоэффекта в полупроводниковых структурах, рассчитанной применительно к преобразованию солнечной энергии, показали, что если для создания солнечного элемента выбирать варизонную структуру, в которой максимальное значение ширины запрещенной зоны (на поверхности) соответствует крайнему коротковолновому участку солнечного спектра, а минимальное (у разделяющего барьера вблизи тыльной поверхности) — крайнему длинноволновому, а также обеспечить большое отношение подвижностей электронов и дырок, то в таком элементе возможно полное поглощение и преобразование энергии фотонов солнечного излучения в электроэнергию. Таким образом, ограничение предельного значения КПД преобразования оптического излучения Солнца полупроводниковыми солнечными элементами практически было снято, указывалась даже возможность достижения КПД, превышающего 60 %.

В настоящее время намечен и экспериментально исследован ряд новых направлений, развитие которых может привести к получению на практике высокого КПД преобразования солнечного излучения непосредственно в электрическую энергию.

Из теории следует (и подтверждается экспериментально), что КПД солнечного элемента растет с увеличением интенсивности освещения. В объеме полупроводника возникает ЭДС Дембера, связанная с разницей в подвижности рожденных светом электронов и дырок и их взаимодействием. Если свет падает на р⁺– слой в солнечном элементе с р⁺ — p — n+-структурой, то ЭДС Дембера совпадает по знаку с фото-ЭДС, генерируемой изотипным барьером, а когда освещается верхний разделяющий барьер п⁺—р, ЭДС направлены в противоположные стороны. В связи с этим для получения повышенных значений U_x.x полезно освещать двусторонние элементы более интенсивно с тыльной стороны (при больших световых потоках). Число избыточных носителей заряда, возникающих при высокой интенсивности освещения, значительно превосходит их тепловое равновесное количество, определяемое степенью легирования полупроводника, что приводит к уменьшению электрического сопротивления базовой области солнечного элемента за счет явления фотопроводимости. При очень больших (тысячекратных) освещенностях в солнечных элементах может быть получено значение U_x.x, близкое к потенциалу запрещенной зоны данного полупроводника, выраженному в вольтах. Увеличение КПД солнечных элементов при повышении интенсивности падающего солнечного потока со спектром AM1 может быть представлено в виде полученных расчетным путем зависимостей максимального КПД от ширины запрещенной зоны полупроводника при температуре 300 К (рис. 4.12).