Солнечные элементы

1 — R_п = 5 Ом, R_ш = 100; 2 — R_п = 5, R_ш = ?; 3 — R_п = 0, R_ш = ?, 4 — R_п = 0, R_ш = ?; 5—11 — R_п = 0; 1; 2; 3,5; 5; 10 и 20 Ом соответственно

Как световая, так и темновая вольт-амперные характеристики солнечного элемента могут быть исследованы еще более детально. При этом для ряда элементов часто обнаруживается, что в зависимости от уровня напряжения механизм протекания обратного тока насыщения через p-n– переход меняется. Как правило, этот ток представляет сумму двух токов. В связи с этим предложено записывать уравнение вольт-амперной характеристики солнечного элемента в следующем виде:

I = I₀₁(exp (q/AKT U) -1)+ I₀₂(exp q/AKT U -1) — I_ф,

где I_o1 — обратный ток насыщения, определяемый диффузионным механизмом протекания тока через тонкий p-n– переход; I₀₂ — обратный ток насыщения, возникающий вследствие рекомбинации в области p-n– перехода, при этом обычно коэффициент А=2.

В настоящее время разработан ряд достаточно точных методик, позволяющих по измеренным темновым и световым вольт-амперным характеристикам солнечных элементов рассчитать значения I₀, R_п, R_ш, коэффициента А и выявить тем самым физические процессы, приводящие к недостаточно высокой эффективности солнечных элементов из определенного полупроводникового вещества.

Pис 2.10. Типичная вольт-амперная характеристика современного кремниевого солнечного элемента при измерении на имитаторе внеатмосферного Солнца

1 — световая; 2 — темновая

На рис. 2.10 представлена типичная вольт-амперная характеристика: световая (измеренная на имитаторе внеатмосферного Солнца) и темновая (измеренная с приложением внешнего смещения в темноте в прямом — IV квадрант и обратном — II квадрант направлениях). Часть световой характеристики, расположенной в I квадранте, и ее продолжение (IV квадрант) представляют собой прямую линию. Наклон этой прямой к оси токов характеризует последовательное сопротивление солнечного элемента

R_п = ?U?_пр._c/?I?пp. с,

где ?U?_пр._c и ?I?пp. с. измеряются в области, близкой к I_нз.

Часть характеристики в I квадранте и ее продолжение (II квадрант) тоже являются прямой линией. Наклон ее к оси напряжений характеризует собой шунтирующее сопротивление солнечного элемента

R_ш ⁼ ?U?_пр._c/?i?пp. с

где ?U?_пр._c и ?i?пp. с измеряются в области, близкой к I_нз·

В связи с тем, что на световой вольт-амперной характеристике наклон прямой около точки I_нз измерить трудно, определение R_ш обычно проводят по наклону темновой вольт-амперной характеристики (штриховая кривая во II квадранте):

R_ш=?U_обр/?I_обр.

Построение темновой характеристики позволяет также найти обратный ток насыщения I₀. Отрезок на оси ординат от начала координат до точки пересечения с продолжением линейного участка обратной ветви темновой характеристики дает значение I₀.

Поскольку, однако, p-n– переход солнечного элемента в рабочем режиме включен в прямом направлении (воздействие светового излучения, появление благодаря ему избыточного количества неравновесных носителей в областях полупроводника по обе стороны p-n– перехода аналогичны подключению напряжения в прямом направлении), правильнее определять ток насыщения, а также рассчитывать коэффициент А по прямой ветви темновой вольт-амперной характеристики или по световой вольт-амперной характеристике (называемой также нагрузочной световой характеристикой элемента).

Для первого из этих методов можно воспользоваться темновой характеристикой диода, записав ее в виде уравнения прямой в отрезках:

ln (I_п +I₀)=ln I₀ + q/AKT U.

Это уравнение применяется при расчетах только в случае больших токов (когда I_д>>I₀), а также рекомбинационного механизма протекания обратного тока насыщения через p-n– переход, в связи с чем в знаменатель показателя экспоненты в уравнении вводится, как уже указывалось, коэффициент А. Участок больших токов и напряжений (характерных для рабочей нагрузочной точки солнечного элемента) прямой ветви темновой характеристики используется для построения зависимости ln I_д= f(U). Тангенс угла наклона этой прямой равен q|AKT, а отрезок, отсекаемый на осп ординат, дает значение ln I₀.

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.