Солнечные элементы

Однако выполненные советскими исследователями измерения на автоматической межпланетной станции «Венера» (результаты которых опубликованы в журнале «Гелиотехника» в 1983 г.) говорят о том, что возможен и другой подход: создание стабильного солнечного элемента, например, из кремния со сравнительно глубоким p-n– переходом и внесение в его паспортные данные значений переходных коэффициентов, которыми необходимо пользоваться, если по данному кремниевому эталону настраивается имитатор Солнца при измерении параметров солнечных элементов из других полупроводниковых материалов или из того же материала, но иной конструкции.

Как было установлено в ходе полета автоматических межпланетных станций «Венера-13 и -14», при определении параметров солнечных элементов для внеатмосферных условий (спектр AM0, плотность потока излучения 1360 Вт/м²) на имитаторе Солнца из ламп накаливания без коррекции спектра с плотностью излучения 1000 Вт/м² для кремниевого эталона с глубоким р-n– переходом (1,0–1,2 мкм) переходный коэффициент равен 1,0, а для кремниевого элемента с небольшой глубиной залегания р-n– перехода (0,3–0,5 мкм) — 1,12—1,13; для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs переходный коэффициент составляет 1,11—1,12 при толщине слоя AlGaAs 15 мкм, 1,2–1,21 при толщине того же слоя 10 мкм и 1,54 при толщине этого слоя менее 1 мкм.

Подобным же образом можно поступить и в случае градуировки имитаторов Солнца для измерений параметров наземных солнечных элементов. В паспорт эталона, используемого при настройке имитаторов внеатмосферного Солнца, при этом следует внести значение переходного коэффициента от AM0 к стандартным наземным условиям AM1,5, определенное или пересчитанное, как и в предыдущем случае, для такого же значения рабочей температуры, причем ток при AM0 и AM 1,5 должен быть отнесен к плотности соответствующего потока излучения. Значения подобных переходных коэффициентов были получены советскими специалистами из результатов высокогорных измерений и путем использования абсолютной спектральной чувствительности данного эталонного элемента и стандартных спектров AM0 и AM1,5.

Для кремниевых солнечных элементов с мелкозалегающим p-n– переходом (глубина 0,3–0,5 мкм) переходный коэффициент от условий AM0 к стандартным наземным условиям AM 1,5 равен, как показали результаты измерений и расчетов, 1,13—1,14.

Для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs он составляет 1,26, 1,24 и 1,18 при толщине слоя AlGaAs соответственно 15, 10 и менее 1,0 мкм. Для тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероструктуры Cu₂S-CdS переходный коэффициент от AM0 к AM1,5, как правило, равен 1,04, а для элементов на основе гетероструктуры ITO-Si этот коэффициент составляет, по результатам расчетов, 1,10-1,11.

Качественно (а в некоторых случаях и количественно) близкие результаты были получены американскими исследователями. Измеренная на фильтровом монохроматоре (источник излучения — мощная вольфрамовая лампа накаливания) спектральная чувствительность кремниевых элементов была пересчитана ими на спектры излучения Солнца для условий AM0 и AM1, что позволило затем определить интегральные значения тока короткого замыкания исследуемых элементов и переходные коэффициенты от условий AM0 к условиям AM1, равные: для обычных элементов без покрытий 1,08; для элементов с текстурированной неотражающей поверхностью, полученной селективным химическим травлением, 1,14; для обычных элементов с просветляющей пленкой из двуокиси кремния 1,15; для таких же элементов наземного назначения с большой глубиной залегания p-n– перехода 1,16; для элементов с мелкозалегающим p-n– переходом и просветляющим покрытием из пятиокиси тантала 1,18. Все элементы были изготовлены из монокристаллического кремния; приведенные значения переходных коэффициентов были получены как средние для партий из двух, четырех, пяти, девяти и одиннадцати элементов соответственно. Расчетные результаты были подтверждены при измерениях на естественном Солнце в условиях атмосферной массы т = 1,7 и плотности потока излучения 850–950 Вт/м², а измеренные значения тока короткого замыкания были приведены по плотности потока излучения к значениям, характерным для условий AM1 (около 1000 Вт/м²).

Аналогичные данные получаются при пересчете спектральной чувствительности солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов на новый спектр полного (прямого + диффузного) солнечного излучения при m=1,5 и суммарной плотности потока 1000 Вт/м² (см. рис. 1.1, кривая 2 и табл. 3 Приложения).

Глава 4

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Высокоэффективные солнечные элементы из кремния

Среди различных типов фотоэлектрических преобразователей лишь монокристаллические кремниевые солнечные элементы в настоящее время нашли широкое применение в солнечной энергетике (например, в системах энергообеспечения искусственных спутников Земли). Большой практический опыт и знания, накопленные при производстве монокристаллических солнечных элементов из кремния, обеспечивают возможность перехода к полностью автоматизированной технологии изготовления солнечных элементов. Если к тому же учесть, что кремний относится к наиболее распространенным в природе химическим элементам, а монокристаллические кремниевые солнечные элементы обладают высокой эффективностью (КПД многих образцов достигает сейчас 18–19 %), то кремний можно считать во всех отношениях перспективным материалом для создания наземных фотогенераторов — фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.

Монокристаллический кремний в виде массивных образцов относится к наиболее подробно и глубоко исследованным полупроводниковым материалам. Технология получения и обработки кремния, а также изготовления электронных схем и приборов на его основе до сих пор остается базовой технологией в электронной промышленности благодаря высокому уровню развития и быстрому совершенствованию. При этом кремний занимает ведущее положение во всех областях электроники. Кроме того, кремний используется в оптоэлектронике, интегральной оптике и вычислительной технике.

Развитие высокоэффективных кремниевых солнечных элементов с обычным p-n– переходом в гомогенном материале в основном происходит путем снижения глубины залегания p-n– перехода. Она была уменьшена почти на два порядка величины — от 7–10 мкм у первых образцов до 0,1–0,015 мкм у современных солнечных элементов. Рост, например, спектральной чувствительности кремниевых элементов при уменьшении глубины залегания р-n– перехода наглядно виден из данных рис. 4.1. Результаты измерений, приводимых на этом рисунке, получены при модулировании спектрального светового луча и при солнечной подсветке по методике, описанной в гл. 2.

Pис. 4.1. Абсолютная спектральная чувствительность кремниевых солнечных элементов, непросветленных с глубоким p-n-переходом (толщина легированного слоя l >= 1,2 мкм) (1–3) и просветленных с мелкозалегающим p-n-переходом (I <= 0,3 мкм) (4–6)

1. 4 — измерения на монохроматоре в условиях низких засветок с градуировкой по калиброванному термоэлементу; 2, 6 — измерения 1, 4 на модулированном потоке с подсветкой имитированным солнечным излучением; 3, 5 — измерения 1, 4 с пересчетом с помощью масштабного множителя, определенного по эталонной светоизмерительной лампе в условиях высоких засветок

Рис. 4.2. Солнечные элементы из кремния с текстурированной поверхностью (а), с рельефной поверхностью и p-n-переходом, расположенным как на горизонтальных, так и на вертикальных участках рельефа (б)

Стремление приблизить р-n– переход к поверхности вполне понятно, если учесть, сколь большая часть солнечного света поглощается на малой глубине (см. рис. 2.7 и 2.15) и насколько велики потери носителей заряда из-за их рекомбинации в переднем легированном слое элементов. Логическим пределом движения в этом направлении являются поверхностно-барьерные солнечные элементы разных типов, вовсе не содержащие легированного слоя, так что поле объемного заряда подходит вплотную к поверхности.