Солнечные элементы

Солнечные элементы на основе кремния (а также других полупроводниковых материалов), прозрачные в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, представляют собой разработку, сыгравшую большую роль в наблюдаемом нами сейчас бурном прогрессе полупроводниковой фотоэнергетики, ибо на основе таких элементов оказалось возможным реализовать на практике многие казавшиеся неосуществимыми теоретические модели элементов с очень высоким кпд, в частности каскадные элементы. Принципиальная возможность создания таких солнечных элементов обеспечивается прозрачностью любого чистого высокоомного полупроводникового материала за краем основной полосы поглощения. Однако если базовый слой солнечных элементов выполняется из сравнительно чистого материала с малым содержанием легирующих примесей, то верхний слой для уменьшения сопротивления растекания тока носителей заряда, разделенных p-n– переходом, легируется практически до концентрации, соответствующей пределу растворимости донорной или акцепторной примеси в данном полупроводниковом материале. Естественно, что такой высоколегированный слой будет сильно поглощать и отражать длинноволновое излучение.

Низкое значение времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда в легированном слое приводит к необходимости уменьшения толщины этого слоя до значений в диапазоне 0,15—0,5 мкм. Поглощение инфракрасной области солнечного излучения (? от 1,1 до 2,5 мкм) элементом с легированным слоем такой толщины не превышает 1–3 %. Таким образом, тенденция к уменьшению глубины залегания p-n– перехода, характерная для современных солнечных элементов, позволила устранить одно из главных препятствий на пути создания элемента, прозрачного в длинноволновой области спектра.

Два других препятствия — поглощение излучения в сплошном тыльном контакте и высокое отражение от тыльной поверхности элемента — были преодолены путем замены сплошного тыльного контакта на сетчатый и нанесения просветляющего покрытия с оптической толщиной 0,3–0,4 мкм. Расчет показал, что при сетчатом тыльном контакте определенной конфигурации можно сохранить последовательное сопротивление и коэффициент заполнения нагрузочной вольт-амперной характеристики прозрачного кремниевого солнечного элемента практически на уровне элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом.

Равновесная рабочая температура у прозрачных солнечных элементов из кремния в космосе значительно ниже, чем у обычных, вследствие того, что интегральный коэффициент поглощения солнечной радиации составляет, как показали данные прямых измерений этой величины в космических условиях, не 0,92—0,93 (значения, характерные для элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом из плохо отражающего металла), а 0,72—0,73.

Солнечные элементы с тыльным сетчатым контактом, прозрачные в инфракрасной области спектра, начиная от длины волны 1,1 мкм, были получены в СССР из кремния и арсенида галлия и на основе тонкопленочных структур Cu₂S — CdS во Франции. Как показали расчеты для геостационарной орбиты, у таких солнечных элементов в космосе температура должна понизиться на 10–15°, а выходная мощность возрасти на 5–7 %.

Прозрачные солнечные элементы из кремния и арсенида галлия были успешно использованы также для создания первых реальных моделей каскадных солнечных элементов.

Нефотоактивное длинноволновое инфракрасное излучение может быть не только пропущено сквозь прозрачный солнечный элемент, но и отражено от его тыльной поверхности к источнику излучения. Для этого на тыльную поверхность прозрачных солнечных элементов, свободную от токосъемного омического контакта, должен быть нанесен слой высокоотражающего металла, например алюминия, меди, серебра.

Отражающий слой может быть получен испарением в глубоком вакууме обычной трехслойной структуры титан — палладий — серебро непосредственно на поверхность кремния, свободную от контактных полос, или создан одновременно с алюминиевым контактом. Однако необходимое для получения хорошего омического контакта впекание алюминия при высоких температурах приводит к уменьшению коэффициента отражения таким слоем инфракрасного излучения.

Значительно выгоднее использовать для увеличения отражения в нефотоактивной части спектра слой высокоотражающего металла, нанесенный на поверхность кремния между полосами сетчатого контакта на тыльной стороне. В этом случае можно ограничиться сравнительно небольшим (до температуры 150–200 °C) подогревом поверхности кремния для увеличения адгезии слоев и сохранить отражение в инфракрасной области от границы кремний — металл на достаточно высоком уровне.

К столь же высоким значениям коэффициента отражения приводит решение аналогичной задачи другим простым и технологичным способом: приклейкой кремнийорганическим каучуком к тыльной стороне прозрачных солнечных элементов стеклопленок с нанесенным слоем алюминия или серебра. При этом к внешней поверхности элементов или группы — модуля из таких элементов — может быть приклеено стекло с нанесенной на его поверхность (обращенную к элементу) сеткой из отражающего металла в местах, расположенных над токосъемными контактами самих солнечных элементов или над электрическими соединениями между ними. Изменяя ширину полос отражающей сетки, можно регулировать температуру таких элементов при увеличении или уменьшении потока солнечного излучения. Солнечные батареи такой конфигурации обладают в космосе более низкой равновесной рабочей температурой (на 25–35 °C) и повышенной термостойкостью, что было экспериментально подтверждено в ходе длительной эксплуатации в космических условиях на борту советских межпланетных станций «Венера-9» и «Венера-10».

Рис. 4.3. Конструкция прозрачного двустороннего солнечного элемента с n⁺ — р — p⁺– или p⁺ — p — n⁺– структурой (а) и его вольт-амперные характеристики (б)

1–3 — слои п⁺– , p-, р⁺– типа в случае n⁺ — р — р⁺– структуры и слои p⁺ — ,p-, п⁺– типа в случае р⁺ — р — n⁺– структуры соответственно; 4 — токосъемные контакты, 5 — просветляющие и защитные покрытия. А — солнечное излучение; Б — его инфракрасная составляющая, проходящая сквозь элемент; I — освещение только тыльной стороны (Е = 1360 Вт/м²); II — освещение только верхней стороны (Е = 1360 Вт/м²); III — одновременное освещение верхней (Е = 1360 Вт/м²) и тыльной стороны элемента (Е = 420 Вт/м²)

Следует отметить, что оптические характеристики прозрачных солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов с отражающими покрытиями на тыльной стороне весьма близки к оптическим характеристикам дихроических светоделительных зеркал, что делает весьма перспективным применение таких солнечных элементов для создания высокоэффективных фотоэлектрических систем со спектральным разделением солнечного излучения и последующим преобразованием его в электроэнергию элементами с различной спектральной чувствительностью. Прозрачные солнечные элементы могут при этом выполнять одновременно две функции: активно преобразующего элемента системы и светоделительного зеркала.

Советскими специалистами была впервые высказана также идея о том, что можно создать двусторонние солнечные элементы, совмещая элементы, прозрачные в инфракрасной области спектра, с элементами с изотипным переходом у тыльной поверхности n⁺ — р — р⁺– или p⁺ — p — n⁺– структуры (рис. 4.3, а). При уменьшении толщины базового слоя или увеличении диффузионной длины неосновных носителей заряда за счет использования более высокоомного кремния такие двусторонние элементы столь же эффективно преобразуют свет, падающий сзади, как и элементы со вторым p-n– переходом у тыльной поверхности.

Введение изотипного перехода в конструкцию прозрачных солнечных элементов позволяет резко снизить скорость поверхностной рекомбинации S на тыльной поверхности и увеличить коэффициент собирания неосновных носителей заряда (при L/l>1) двусторонних солнечных элементов, освещаемых сзади, до значений, характерных для этого коэффициента при освещении солнечных элементов с верхней лицевой поверхности (рис. 4.3, б).

В отличие от самых первых моделей элементов двусторонней конструкции с двумя p-n– переходами (на передней и тыльной сторонах элемента), предложенных еще в начале 60-х годов, в двусторонних элементах с изотипным переходом не наблюдается увеличения обратного тока насыщения при освещении только верхней лицевой поверхности солнечных элементов. В то же время нанесение токосъемных контактов на обе поверхности может производиться одновременно при использовании однократного фотолитографического процесса (одновременная засветка с двух сторон).