Анализ влияния метереологических факторов на энергетические характеристики солнечных элементов

Уравнение (3.1) показывает, как изменяется (уменьшается) энергия фотонов солнечной радиации с увеличением их длины волны. Очевидно, существует такая длина волны, когда энергия фотонов оказывается недостаточной, чтобы возбужденные ими электроны могли перескочить через запрещенную зону. Например, ширина запрещенной, зоны для кремния при обычных температурах составляет около 1,1 эВ, что соответствует энергии фотона с длиной волны около 1,1 мкм. Около 20% солнечной радиации у поверхности земли на уровне моря приходится на более длинные волны, таким образом, они выпадают из сферы действия устройств на основе кремния. К сожалению, и более коротковолновую радиацию также нельзя использовать полностью. Поскольку электроны перемещаются только на разрешенные уровни, то возбужденное состояние долго сохраняют лишь те электроны, энергия которых близка к ширине запрещенной зоны. При облучении материала более энергичными фотонами избыток энергии электронов быстро расходуется на усиление колебаний решетки вещества, то есть на повышение его внутренней энергии. Таким образом, при облучении кремния фотонами с длиной волны 0,6 мкм (соответственно с энергией около 2,0 эВ) электрон может «принять» лишь 1,1 эВ, остаток же энергии бесполезно тратится на повышение температуры материала.

Теперь ориентировочно оценим максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью идеального фотоэлектрического генератора. Эта эффективность частично зависит от распределения энергии в спектре солнечной радиации, которое изменяется в зависимости от метеорологических условий и широты местности. Для примера в таблице 4 приведены данные, полученные для безоблачных условий в тропиках.

Таблица 3.2. Максимальная эффективность преобразования солнечной энергии в кремнии при условии граничная волна равна 1,1 мкм

Приведенные в третьей колонке значения получены как отношение средней длины волны интервала к граничной длине волны, соответствующей ширине запрещенной зоны. Из уравнения (3.1) видно, что если энергия фотона с длиной волны К равна 1,24Д, а энергию, точно соответствующую ширине запрещенной зоны» имеют фотоны с длиной волны Л₃, то долю полезной энергии при облучении фотонами с длиной волны Я можно определить отношением К/К₃. Фотоны с длинами волн, превышающими граничную длину волны, вообще не возбуждают электроны.

Подобные расчеты, проведенные для различных граничных длин волн, показывают, что кремний (Я₃ = 1,1 мкм) является, по-видимому, самым лучшим материалом для фотоэлектрических генераторов. Его максимальный КПД для некоторого интервала длин волн вблизи К₃ достигает всего лишь 45%[8]. Следовательно, КПД подобных фотоэлектрических устройств не превышает 45%.

4. Улучшение оптических и фотоэлектрических характеристик солнечных элементов

Улучшение оптических и фотоэлектрических характеристик солнечных элементов достигается разнообразными путями: созданием в легированном и базовом слоях фотоэлемента тянущих электростатических полей (за счет, например, направленного изменения распределения примесей или градиента ширины запрещенной зоны по глубине» элемента), переходом от гомогенных к гетерогенным полупроводниковым структурам использованием для собирания избыточных носителей заряда вместо р-n-перехода барьера металл - полупроводник (барьер Шоттки) или металл-диэлектрик (как правило, оксидный слой) - полупроводник (МДП- или МОП-структуры). Роль тонких слоев металла в этих системах часто выполняют более прозрачные пленки из легированных широкозонных полупроводников на основе, например, двуокиси олова, станната кадмия или смесей окислов индия и олова, называемых кратко пленками.

Рядом интересных особенностей обладают тонкопленочные солнечные элементы, необходимость разработки которых диктуется в первую очередь желанием удешевить солнечные элементы за счет уменьшения количества расходуемого для их производства полупроводникового материала. Тонкопленочные элементы, изготовляемые преимущественно из полупроводников, характеризующихся прямыми оптическими переходами, имеют, как выяснилось, повышенную чувствительность в коротковолновой области спектра, что позволяет эффективно применять такие элементы как малогабаритные датчики ультрафиолетового излучения.

К более полному использованию всех областей широкого солнечного спектра ведет и разработка каскадных, двусторонних, многопереходных солнечных элементов. Лишь после создания конструкции солнечного элемента, прозрачного в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, удалось от теоретических моделей перейти к экспериментальной разработке каскадных элементов различного типа, с помощью которых в настоящее время достигается КПД от 28 до 35% при измерениях в наземных условиях.

Очень высокие значения КПД (от 17 до 28%) получены и при использовании совершенно иных физических принципов повышения:

ь эффективности преобразования энергии излучения в электрическую энергию. Предварительного разложения солнечного спектра на две (или более) спектральные области с помощью многослойных пленочных светоделителей (дихроических зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным солнечным элементом с высоким КПД;

ь применения переизлучающих гетероструктур (с близким к 100% внутренним квантовым выходом), сужающих широкий спектр падающего излучения для последующего более эффективного преобразования его в электроэнергию с помощью гомогенного полупроводникового материала, например арсенида галлия;

ь использования структуры с pn-переходом в гомогенном материале, на внешней поверхности которой расположено оптическое «окно» из широкозонного полупроводника с изменяющимся по глубине химическим составом, благодаря чему ширина запрещенной I зоны «окна» уменьшается по мере приближения к гомогенному материалу.

Остановимся на особенностях характеристик экспериментально полученных и исследованных фотоэлектрических систем различного типа, причем в первую очередь нас будут интересовать оптические фотоэлектрические свойства солнечных элементов с улучшенными параметрами и физические процессы, обусловливающие эти свойства, а также способы изменения чувствительности солнечных элементов в разных областях спектра.

4.1 Исследование кремниевых солнечных элементов повышенной эффективности с тянущим полем в легированной области

Влияние внутренних электрических полей на эффективность собирания и КПД полупроводниковых солнечных элементов исследовано достаточно широко. Первые работы были связаны с рассмотрением однородного поля с постоянными значениями подвижности и времени жизни носителей, не зависящими от концентрации примесей. Дальнейшее усложнение моделей солнечных элементов с встроенным полем привело к изучению неоднородных электрических полей и параметров диффузии, зависящих от пространственных координат. Однако проведенные исследования носили сугубо теоретический характер, а предлагаемые распределения примесей трудно воспроизводимы.

Создаваемые сейчас солнечные элементы имеют внутренние электрические поля, которые носят случайный характер и являются следствием используемой технологии. В связи с этим возникла задача найти профили концентрации примесей, значительно повышающие эффективность собирания носителей из легированного слоя и в то же время получаемые с помощью хорошо отработанных технологических методов.

Рассмотрим возможность создания солнечных элементов с легированным слоем из двух областей с различной концентрацией примесей (смотрите рисунок 2.1), на границе которых существует скачок потенциала.

(4.1)

Значения концентраций связаны соотношением N₁>N₂, при котором электрическое поле на границе областей I и II направлено в сторону p-n-перехода.

Рисунок 4.1 Двухслойная модель легированной области солнечного элемента

Для такой двухслойной модели, прежде всего, необходимо провести оптимизацию параметров легированного слоя по фототоку и по мощности с учетом последовательного сопротивления.

Принималась степенная зависимость подвижности и диффузионной длины носителей заряда от концентрации примесей:

(4.1.1)

Которая с достаточной точностью согласуется с экспериментальной при . Полученное выражение коэффициента собирания из легированного слоя при скорости поверхностной рекомбинации имеет следующий вид:

(4.1.2)

L_p1иL_p2 - значения диффузионной длины неосновных носителей заряда, соответственно в I и II областях шириной а и d (смотрите рисунок 4.1).

Плотность интегрального фототока из легированной области вычислялась для случая освещения абсолютно черным телом с температурой Солнца T_с=6000К:

(4.1.3)

При выводе формулы (4.1.3) использовался подход, аналогичный изложенному в статье, когда с помощью равновесной функции Бозе-Эйнштейна рассчитывается число фотонов с энергией h_ю, излучаемых Солнцем как абсолютно черным телом в определенный телесный угол, размеры которого ограничены диаметром Земли. Применение соотношений, выведенных в работе, вызвало необходимость использовать в данном случае круговую частоту ю вместо обычной частоты х и представить ширину запрещенной зоны Е_g как h_ю0.

Вычисление интеграла в формуле 4.1.3 проводилось методом квадратуры наивысшей степени точности.

При различных фиксированных значениях а и d ширины двух областей легированного слоя, определяющих глубину залегания' р-n-перехода получены зависимости фототока из легированного слоя от толщины области с повышенной концентрацией примесей. Концентрация легирующей примеси у p-n-перехода N₂=10¹⁷ ч10¹⁸ см^-3. Для концентрации примесей у поверхности N₁ задавался ряд значений от 10¹⁸ до 10²¹ см^-3, причем максимальное N₁=10²¹ см^-3 соответствует пределу растворимости фосфора в кремнии.

Расчеты показали, что наибольший фототок. из легированного слоя в рассмотренных пределах изменения параметров для всех а и d достигается при а=0,05 мкм и N₁/N₂=10².

Однако в ходе дальнейшего анализа оказалось, что при фиксированных N₁ и N₂ полезная мощность будет максимальной, когда а больше 0,05 мкм. Дело в том, что для получения высокой фото-ЭДС реальных солнечных элементов требуется, чтобы концентрация примесей у p-n-перехода N₂ составляла 10¹⁷10¹⁸ см^-2. При таких значениях концентрации наблюдается довольно высокое сопротивление растекания тонкого (1,0 мкм) легированного слоя, уменьшить которое, при той же самой форме контакта на рабочей поверхности, можно расширением области I с большим содержанием примесей.

На рисунке 4.1.2 представлены зависимости мощности просветленных элементов с соответствующим рассматриваемой модели легированным слоем, имеющим оптимальные параметры, и обычного солнечного элемента, легированный слой которого имеет однородное электрическое поле. Перепад концентраций от 5'10²⁰ см^-3 у поверхности до 10¹⁷ см^-3 у p-n-перехода с экспоненциальным распределением примесей по глубине.

Концентрации примесей 10¹⁷ см^-3 соответствуют диффузионная длина неосновных носителей заряда L_p=1 мкм и подвижность основных носителей заряда х_n=600 см²/В-с. Контактная сетка имеет ячейки к=1_к=0,5 см. База типа считается бесконечно толстой с диффузионной длиной неосновных носителей заряда Ь_п= 100 мкм.

Рисунок 4.1.2 Расчетная зависимость выходной мощности от глубины залегания перехода солнечного элемента, в легированном слое которого имеется электрическое поле

Мощность находилась по формуле:

(4.1.4)

Данные, представленные на рисунок 4.1.2 позволяют сделать следующие выводы об эффективности солнечных элементов с оптимизированной верхней двухслойной легированной областью (кривые 1, 2) по сравнению с обычными солнечными элементами, имеющими однородное электрическое поле (кривая 3).

Если концентрация примесей в легированном слое составляет N₁= 10¹⁹ и N₂=10¹⁷ см^-3(кривая 7), то солнечный элемент рассматриваемой модели превосходит по мощности обычный элемент при I_л>0,6 мкм[9]. Такой слой особенно выгоден в случае глубокого залегания pn-перехода. Действительно, при 1_Л=0,7 мкм увеличение мощности составляет 5%, при I_л=1,0 мкм-17%, при I_л=1,5 мкм-27%, при I_л=2,0 мкм-28%. Создание легированных слоев со сложной конфигурацией распределения примесей обеспечивает возможность получать более высокие значения полезной мощности при больших глубинах залегания pn-переходов, чем в случае экспоненциального распределения примесей. Например, P=16 мВт/см соответствует I±0,7 мкм (кривая 3) и I_l ±1,2 мкм (кривая 1).

При более высоком содержании примесей в легированном слое N₁= 10²⁰, N₂=10¹⁸ см^-3 (кривая 2) увеличение мощности по сравнению со случаем однородного поля при всех значениях I_л составляет 47%; несколько большее приращение мощности (до 10%) наблюдается при значениях I_л<0,5 мкм. Таким образом, если имеется возможность получения солнечных элементов с надежными контактами при глубине залегания рn-перехода менее 0,5 мкм, то целесообразно создавать легированные слои со ступенчатым распределением высоких концентраций примесей (для уменьшения последовательного сопротивления).

Экспериментальное получение солнечных элементов с двухслойной структурой легированной области.

Теоретические результаты были экспериментально проверены при создании в легированном слое ступенчатого распределения примесей с использованием термодиффузионной технологии, наиболее широко применяемой в настоящее время для изготовления кремниевых солнечных элементов. Диффузия проводилась по бокс - методу.

Выполненные расчет и эксперимент показали, что пористая окисная пленка, предварительно образованная на поверхности кремния методом анодного окисления, дает возможность даже при однократной термодиффузии получить двухслойную структуру легированной области. Часть диффузанта, например фосфора, проходя через поры, образует область низких концентраций примесей pn-перехода. Задержанный окисным слоем основной поток примеси создает тонкий слой с повышенной концентрацией примеси у поверхности. Изменяя пористость пленки, а также регулируя время и температуру диффузии, можно достаточно и плавно и точно управлять профилем распределения примесей в легированной области.

Оптимизированный режим однократной термодиффузии через предварительно созданную окисную пленку определенной пористости дает возможность получать рп-переходы с глубиной залегания легированного слоя 0,91,3 мкм. При этом распределение примесей соответствует четко обозначенным двум областям высокой и низкой концентрации (рисунок 4.1.4, кривая 1).

Другая возможность создания сложного распределения примесей двойное легирование. Для проведения этого процесса были выбраны кремниевые диски с легированным слоем толщиной порядка 3 мкм, создаваемым термодиффузионным методом, распределение примесей в котором описывается кривой 3 на рисунке 4.1.4.

Диффузионный слой стравливался до глубины 0,50,6 мкм, затем осуществлялось вторичное легирование по режиму однократной термодиффузии. Полученные рп-переходы находились на глубине 1,01,2 мкм от поверхности, при этом на глубине 0,30,7 мкм наблюдался резкий перепад концентрации примесей на два порядка» (рисунок 4.1.5, кривая 2). Профиль концентраций примесей строился на основе результатов измерения проводимости четырехзондовым методом при послойном анодном стравливании, глубина pn-переходов определялась с помощью сферического шлифа.

Рисунок 4.1.4 Экспериментальное распределение концентрации фосфора в кремнии по глубине легированного слоя от поверхности до перехода, полученного термодиффузией при различных режимах

Рисунок 4.1.5 Спектральная чувствительность непросветленных солнечных элементов, полученных различными способами

На кремниевые пластины наносились электрические токосъемные контакты по обычной методике и исследовались характеристики полученных фотоэлементов.

Экспериментальные солнечные элементы в коротковолновой спектральной области имеют повышенную спектральную чувствительность (рисунок 4.1.5, кривые 1 и 2), которая зависит от коэффициента собирания носителей заряда из легированной области. Например, при л=0,5 мкм у экспериментальных элементов со ступенчатым распределением примесей в легированном слое I/E=220±250 мкА/мВт, а у элементов с толщиной легированного слоя порядка 3 и 1,2 мкм (распределение примесей описывается соответственно горизонтальным и наклонным участками кривой 3 на рисунке 4.1.5). Значения спектральной чувствительности лежат в интервале 50125 мкА/мВт (см. рисунок 4.4.5, область 5) и 170180 мкА/мВт (см. рисунок 4.1.5, кривая 3). Даже у элементов с очень мелкой глубиной залегания pn-перехода (0,6 мкм) и экспоненциальным распределением примесей (см. рисунок 4.1.5, кривая 4) чувствительность при л =0,5 мкм не превышает 200 мкА/мВт. Солнечные элементы с глубиной залегания pn-перехода I_л==0,6 мкм (кривая 4), полученного низкотемпературной диффузией, имеют распределение примесей в легированном слое, близкое к экспоненциальному с перепадом концентраций от 5-10²⁰ у поверхности до 10¹⁶ см³ у pn-переходов. Сравнивая кривые 24, можно заключить, что повышенная чувствительность экспериментальных солнечных элементов в коротковолновой области спектра (кривые 1и2) объясняется преобладающим (над эффектом ухудшения параметров диффузии неосновных носителей в области повышенной концентрации) влиянием введенного тянущего поля сложной конфигурации.

Вольтамперные характеристики солнечных элементов с двухслойной структурой легированной области также значительно лучше, чем у обычных[10]. Плотность нагрузочного тока с единицы полезной площади солнечных элементов при глубине залегания рп-переходов 1,01,2 мкм на 917% выше, чем у элемента с экспоненциальным распределением примесей в легированном слое такой же глубины, что достаточно точно подтверждает расчетные данные (см. рисунок 4.1.5).

Таким образом, предложенное двухступенчатое распределение примесей приводит к значительному улучшению вольтамперных и спектральных характеристик солнечных элементов даже при сравнительно большой глубине залегания рп-переходов (I_л =1,2 мкм), что позволяет не только увеличить КПД элементов, но и использовать для токосъема с легированного слоя простые, дешевые и надежные электрические контакты, получаемые химическим осаждением никеля. Проблема создания надежных омических контактов, удешевления и автоматизации их нанесения одна из наиболее сложных в современной технологии изготовления солнечных элементов.

4.2 Исследование кремниевых солнечных элементов с пассивирующей поверхностной пленкой

Резко увеличить коротковолновую спектральную чувствительность кремниевых солнечных элементов можно, используя пассивирующую пленку, например, двуокиси или нитрида кремнии. Пленка содержит встроенный электрический заряд и вместе с тонким легированным слоем кремния, как и у солнечных элементов с тянущим полем в легированной области, будет образовывать двухслойную структуру n⁺-n или р⁺-р, позволяющую приблизить тянущее электростатическое поле к поверхности, уменьшить эффективную скорость поверхностной рекомбинации и улучшить собирание избыточных носителей заряда, созданных коротковолновым излучением, поглощенным вблизи поверхности солнечного элемента.

Подобная структура n⁺-n-типа была осуществлена на низкоомных кремниевых монокристаллических подложках с удельным сопротивлением 0,1-0,3 Ом*см путем бомбардировки ионами фосфора с энергией 10 кэВ и плотностью пучка ионов от 2,5-10¹² до 2,5-10^-2 см^-2. После бомбардировки проводился термический отжиг пластин в течение 30 мин при 850⁰С в атмосфере водяного пара и кислорода для электрической активации внедренной в кремний примеси фосфора. Одновременно па поверхности вырастала пленка двуокиси кремния толщиной 2000 А и происходило ее легирование фосфором и бором из подложки. Для уплотнения пленки двуокиси кремния осуществлялся еще один термический отжиг в сухом кислороде в течение одного часа при 700° С (показатель преломления пленки при этом повышался до 1,48). Для восстановлении времени жизни неосновных носителей в базовых слоях (подложках) после двух высокотемпературных отжигов образцы выдерживались при 550° С в течение двух часов. Медленным травлением толщина пленки двуокиси кремния доводилась до значения 1000 А, оптимального для просветления поверхности. Методом фотолитографии в пленке вытравливались окна для контактных полос из обычной трехслойной композиции: титан-палладий-серебро.

Распределение примесей фосфора и бора в легированной пленке и в верхнем слое кремния (рисунок 4.2) было получено с помощью метода спектроскопии вторичных ионов. Мелкозалегающий р-п - переход располагается на глубине 0,35 мкм.

Распределение примеси, как и при контролируемой диффузии через анодную окисную пленку, имеет двухступенчатый профиль (с небольшим скачком концентрации примеси па границе раздела SiO₂-Si) (рисунок 4.2). Следовательно, в этом случае также образуется тянущее электростатическое поле повышенной эффективности, что подтверждается высоким коэффициентом собирания в коротковолновой области спектра у полученных солнечных элементов (рисунок 4.2.1).

Рисунок 4.2. Распределение концентрации примеси по толщине поверхностной легированной пленки двуокиси кремния и верхнего легированного слоя кремния в солнечных элементах p-n переходом, полученных методом бомбардировки ионами фосфора с последующим термическим отжигом

Длинноволновая чувствительность солнечных элементов, сделанных из образцов низкоомного кремния, изготовленных методом бестигельной зонной плавки (рисунок 4.2.1, кривые 1 и 2), достаточно высока. У элементов же из низкоомного кремния, выращенного по методу Чохральского, использованные температурные обработки оказались не оптимальными, время жизни и диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое готовых элементов - малыми и длинноволновая чувствительность - низкой (рисунок 4.2.1, кривая 3).

Полученные солнечные элементы при внеатмосферном солнечном излучении имеют следующие выходные характеристики: з=12,3-14,5%, I_кз =34,5мА/см^2, U_xx =0.645 В. Необычайно большое значение U_xx объясняется высоким барьером на p-n-переходе, обусловленным не только выбором низкоомных подложек для базового слоя, но и влиянием легированной поверхностной пленки. Это было подтверждено прямым экспериментом: после удаления пленки травлением уменьшилось до обычных значений (менее 0,6 В).

Влияние поверхностной пассивирующей пленки на коэффициент собирания в коротковолновой области спектра (рисунок 4.2.1) и U_xx солнечных элементов было продемонстрировано экспериментально: при наличии пассивирующей пленки обе эти величины растут. Глубина залегания pn-перехода под пассивирующей пленкой составляла 0,3 мкм при слоевом сопротивлении 60 Ом/D (pn-переход получен диффузией бора в легированные фосфором подложки л-кремния толщиной 300 мкм). Поверх тонкой пассивирующей пленки Si0₂ наносилось просветляющее покрытие из нитрида кремния. При 25-кратной интенсивности наземного солнечного излучения КПД полученных солнечных элементов со структурой р⁺-р на освещаемой поверхности составил 18%[11]. При обычной однократной освещенности /_{к 3} был равен 33 мА/см², U_iX - 0,62 В.

Рисунок 4.2.1 Спектральная зависимость коэффициента собирания кремниевых солнечных элементов, полученных методом бомбардировки фосфора

4.3 Исследование кремниевых солнечных элементов с полем в базовой области и изотопным барьером у тыльного контакта

Если базовый слой солнечных элементов, например, pn-типа, легирован неравномерно и концентрация акцепторов у pn-перехода ниже, чем в глубине слоя, то возникает электрическое поле, помогающее собиранию созданных светом в базовом слое избыточных носителей заряда (в этом случае действует не только диффузионный, по и дрейфовый механизм собирания). В ряде работ, в частности в публикациях, отмечалось, что для образования тянущего поля необходимо создать некоторый перепад примесей по глубине. Это, с одной стороны, уменьшает напряжение холостого хода из-за роста обратного тока насыщения при уменьшении потенциального барьера (при снижении степени легирования базы у pn-перехода), а с другой приводит к значительному ухудшению диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей заряда (при увеличении степени легирования отдаленных от pn-перехода областей базового слоя). Оба отмеченных явления могут в значительной степени снизить эффект улучшения коэффициента собирания, обусловленный введением тянущего поля в базовый слой (обычно равномерно легированный) за счет его неоднородного легирования. При сравнительно небольших перепадах концентраций в базовом слое (10¹⁷ у pn-перехода и 10¹⁸ - 10¹⁹ см^-3 в глубине базы) можно увеличить КПД и длинноволновую спектральную чувствительность кремниевых элементов путем введения тянущего поля, сохранив на достаточно высоком уровне диодные параметры рn-перехода и время жизни неосновных носителей заряда в базовом слое.

Экспериментальное осуществление этой модели по методике медленной диффузии примеси в базовые пластины элементов оказалось слишком трудоемким и длительным. Не менее сложна технология экзодиффузии примесей в вакууме из предварительно легированной базовой пластины. Введение быстро - диффундирующего лития нашло практическое применение при изготовлении радиационно стойких солнечных элементов для космических аппаратов не только из-за технологически легко осуществимой возможности создать тянущее поло достаточно большой протяженности в базовом слое, но и из-за способности лития нейтрализовать введенные радиацией рекомбинационные центры. Метод наращивания эпитаксиального слоя кремния с переменной концентрацией примесей на монокристаллическую пластину кремния с последующим созданием (термодиффузией или нанесением эпитаксиальной сильнолегированной пленки с противоположным знаком проводимости) pn-перехода со стороны эпитаксиального слоя позволяет получать дешевые солнечные элементы наземного назначения, так как используемый в качестве подложки для нанесения эпитаксиальной пленки металлургический кремний в 100 раз дешевле кремния полупроводниковых сортов. Автолегирование эпитаксиального слоя в процессе его выращивания примесями из подложки приводит к необходимому градиенту концентрации примеси и созданию тянущего поля. При измерениях в наземных условиях КПД таких солнечных элементов составил от 12,2 до 13,5%, несмотря на то, что для их изготовления использовались дефектные эпитаксиальные слои на металлургическом кремнии, представляющие собой невосполнимый брак при производстве интегральных схем.

Модели солнечных, элементов с тянущим полем значительной протяженности в базе вскоре были вытеснены моделью с резким изотипным переходом р - р⁺- или n-n⁺ типа у тыльного металлического контакта, подобной двухслойной модели, рассмотренной в подпункте 4.1.

Для создания высокоэффективных солнечных элементов можно было бы использовать почти собственный кремний, прондиффундировав примеси n- и p-типа с обеих сторон кремниевой пластины таким образом, чтобы получить на необходимом расстоянии от поверхности pn-переход и одновременно оптимальный градиент примеси с другой стороны пластины. При получении солнечных элементов n⁺-p-p⁺ или p⁺-n-n⁺ структур, оказалось, что создать очень тонкий изотипный p-p⁺ или n-n⁺ переход у тыльного металлического контакта технологически намного проще, чем тянущее поле значительной протяженности, а практически столь же полезно для увеличения собирания избыточных неосновных носителей из базового слоя. Потенциальный барьер на изотипном переходе, полученный под легированием базового перехода с тыла, отражает неосновные носители от тыльного контакта, увеличивая их эффективную диффузионную длину, и фактически сводит к нулю скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела базовый слой-тыльный металлический контакт. Несколько уменьшается также обратный ток насыщения элементов. Тыльный подлегированный слой создается термодиффузией, ионной бомбардировкой или впеканием алюминии (в случае p-слоя) с последующей термообработкой. Глубина подлегированпого слоя обычно колеблется от 0,2 до 0,5 мкм, а распределение примесей практически повторяет аналогичное распределение в верхнем легированном слое солнечных элементов.

Преимущества солнечных элементов с изотипным переходом у тыльной поверхности сказываются в том случае, когда диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое больше толщины базового слоя, или по крайней мере равна ей. Это требование приводит к необходимости использовать для создания базового слоя достаточно чистый полупроводниковый материал с повышенным удельным сопротивлением или уменьшать толщину базового слоя до значении, меньших диффузионной длины носителей заряда в данном материале. На рисунке 4.3 представлена зависимость диффузионной длины L и времени жизни носителей заряда от удельного сопротивления р базового слоя кремния, позволяющая выбрать необходимую толщину базового слоя определенного удельного сопротивлении (или, наоборот, определить удельное сопротивление при заданной толщине слоя) для солнечного элемента с эффективно используемым изотипным переходом у тыльного контакта.

Рисунок 4.3 Зависимость диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей заряда от удельного сопротивления базового слоя кремниевых солнечных элементов

Эти данные могут примениться лишь для качественных оценок. При проведении точных расчетов необходимо учитывать, что диффузионные характеристики неосновных носителей зависят не только от удельного сопротивления, но и от типа проводимости кремния, метода его получения, предшествовавшей обработки, и пользоваться в этом случае более подробными данными, приводимыми, например, в работе. Там же представлены весьма наглядные зависимости тока короткого замыкания солнечного элемента из кремния от отношения толщины элемента I к диффузионной длине неосновных носителей заряда в базовом слое, а также зависимость КПД элемента при освещении его внеатмосферным солнечным излучением (условия ЛМО, воздушная масса равна нулю) от L (рисунок 2.9) и т для элемента с изотипным переходом у тыльного контакта и без него. Использование изотопного перехода позволяет применять для получения базовых слоев высокоэффективных солнечных элементов кремний с очень высокими значениями времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда, которые характерны для кремния с почти собственной проводимостью (так называемой (-проводимостью).

Солнечные элементы с pin- или рn-подструктурой и их модификации обладают исключительно высокой чувствительностью в длинноволновой области спектра. Форма вольтамперной характеристики элементов близка к прямоугольной, поскольку благодаря высокому уровню возбуждения в условиях освещения солнечным светом омическое падение напряжения в базовой области сводится к минимуму (при освещении высокоомного базового слоя концентрация неравновесных носителей значительно выше, чем равновесных. Большое исходное значение диффузионной длины неосновных носителей заряда в высокоомном материале увеличивает срок службы таких солнечных элементов в радиационных поясах Земли.

Рисунок 4.3.1 Зависимость КПД кремниевых солнечных элементов от диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовом слое элемента при освещении внеатмосферным Солнцем.

4.4 Исследование солнечных элементов, прозрачных в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения

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 pn-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[12]. 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 pn-перехода, характерная для современных солнечных элементов. позволила устранить одно из главных препятствий на пути создания элемента, прозрачного в длинноволновой области спектра.

Два других препятствия (то есть 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 вольтамперной характеристики прозрачного кремниевого солнечного элемента практически на уровне элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом. Подобные же результаты были получены для солнечных элементов из арсенида галлия.

Прозрачные солнечные элементы из кремния и арсенида галлия были использованы для создания первых реальных моделей каскадных солнечных элементов. 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 CuS-CdS во Франции. Как показали расчеты для геостационарной орбиты, у таких солнечных элементов в космосе температура должна понизиться на 10° С, а выходная мощность возрасти на 8-9%.

Нефотоактнвное 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.

Спектральный коэффициент отражения нескольких изученных и работе высокоэффективных солнечных элементов с тыльным контактом из алюминия представлен на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 Спектральная зависимость коэффициента отражения кремниевых солнечных элементов np-типа с тыльным омическим контактом из алюминия и просветляющим покрытием из пятиокиси тантала, нанесенным на предварительно

Два элемента имели полированные тыльную и внешнюю поверхности, и элемент 3 - неотражающую черную внешнюю поверхность, полученную селективным травлением с образованием часто расположенных пирамидообразных выступов. На поверхность всех трех элементов было нанесено различной толщины просветляющее покрытие из пятиокиси тантала. Отражающий омический контакт па впеченного алюминия позволяет увеличить отражение от солнечных элементов в длинноволновой области за краем основной полосы поглощения при 1,1 до 2,5 мкм лишь до 40%.

При тыльном контакте из трехслойной композиции титан-палладий-серебро отражение в этой области составляет не более 20-30%, но может быть несколько увеличено путем уменьшения толщины пленки титана. Солнечные элементы с черной неотражающей поверхностью практически полностью поглощают не только излучение от 0,4 до 1,1 мкм (область спектральной чувствительности элементов), но и инфракрасное излучение за краем основной полосы поглощения. На их основе прозрачные элементы не могут быть созданы.

Значительно выгоднее использовать для увеличения отражения в нефотоактивной области спектра слой высокоотражающего металла. нанесенный на поверхность кремния между полосами сетчатою контакта на тыльной стороне. I_t этом случае можно ограничиться сравнительно небольшим (до температуры 150-200° С) подогревом поверхности кремния для увеличения адгезии слоев и сохранить отражение в инфракрасной области от границы кремний-металл на достаточно высоком уровне. Спектральный коэффициент отражения внешней полированной поверхности кремниевых солнечных элементов с трехслойным покрытием (просветляющая пленка из сернистого цинка + клеящий слой кремнийорганического каучука + радиационно-защитная стеклопленка) и различными отражающими слоями из меди, алюминии, серебра, никеля, титана) на тыльной поверхности элементов, свободной от контактных полос, несмотря на наличие селективных полос поглощения излучения кремнийорганическим каучуком, в области спектра от 1,1 до 1,5 мкм достигает 75-95%.

К столь же высоким значениям коэффициента отражения приводит решение аналогичной задачи другим простым и технологичным способом: приклейкой кремнийорганическим каучуком (к тыльной поверхности прозрачных солнечных элементов) стеклопленок с предварительно нанесенным на их поверхность 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 нал токосъемными контактами к самим солнечным элементам или над электрическими соединениями между ними. Изменяя ширину полос отражающей сетки, можно регулировать температуру таких элементов при увеличении или уменьшении потока солнечного излучения[13]. Конструкция модуля с параллельно соединенными кремниевыми солнечными элементами, прозрачными в области инфракрасного солнечного излучения, с защитными стеклами на обеих сторонах и сеткой из отражающих металлических слоев на внутренней поверхности схематически показана на рисунке 4.4.1.

Солнечные батареи на модулей подобной конструкции обладают в космосе более низкой равновесной рабочей температурой (на 25-35* С) и повышенной термостойкостью, что было экспериментально подтверждено в ходе длительной эксплуатации в космических условиях на борту советских межпланетных автоматических станций «Венера-9» и «Венера-10».

Следует отметить, что оптические характеристики прозрачных солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов с отражающими слоями 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[14].

Рисунок 4.4.1 Спектральная зависимость коэффициента отражения кремниевых солнечных элементов прозрачной конструкции с трехслойным покрытием на внешней полированной поверхности и различными отражающими слоями на свободной от контактных полос тыльной поверхности (глубина залегания pn-перехода в элементах не более 0,5 мкм)

Прозрачные солнечные элементы могут при этом выполнять одновременно две функции: активно преобразующего элемента системы и светоделительного зеркала.

Заключение

Все возрастающее потребление энергии ставит перед человечеством новые насущные вопросы - необходимость более полного использования местных энергетических ресурсов, понижение себестоимости производимой энергии, создание новых энергетических центров и т.д.

Широкое потребление энергии растет все ускоряющимися темпами в связи с увеличением населения земного шара и, особенно, повышением технической оснащенности общественного и индивидуального хозяйства. В течение многих веков потребности человечества в энергии удовлетворялись по существу лишь топливом, необходимым для приготовления пищи и отопления в холодное время, мускульной силой животных, обрабатывающих пашню или перевозящих тяжести, и, наконец, простейшими установками типа водяных или ветряных мельниц, выполняющих элементарную механическую работу.

Потребление энергии во всем мире начало резко возрастать после того, как в XVIII-XIX вв. произошла промышленная и техническая революция и человек понял, что он может заставить работать на себя энергию, таящуюся в угле и нефти.

По статистическим данным общее мировое потребление энергии в 1952 г. достигло 29 * 10¹² кВт-ч и продолжает увеличиваться примерно на 5% в год.

В представленной работе показана целесообразность использования солнечных элементов в качестве альтернативного источника энергии. Предполагается с помощью данной установки экономить в пределах 30% электричества, получаемого традиционным способом. Кроме того, данная установка улучшит экологическую ситуацию в регионе, благодаря уменьшению выбросов СО2 в атмосферу. В работе рассчитан выход электричества в результате преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, а также проведен поверочный расчет КПД солнечных элементов при работе в ясную солнечную погоду.

Произведен расчет процессов, происходящих в солнечных элементах. Было рассмотрено два варианта эксплуатации солнечных элементов: при ясной солнечной погоде и в пасмурную погоду. С экономической точки зрения наиболее целесообразным является эксплуатация солнечных элементов круглый год.

Список использованной литературы

1. Семенов Н.Н. Энергию Солнца на службу человека. - В кн.: Преобразование солнечной энергии / Под ред. Н.Н. Семенова. Черноголовка: Ин-т хим. физики АН СССР, 1981, с. 3-6.

2. Лидоренко Н. С, Гибадугин Н., Почивалин Г. II, Рябиков С.В., Стребков Д.С. Исследование конструктивных схем космических солнечных электростанций для энергоснабжения Земли. - В кн.: Пути использования солнечной энергии: Тез. докл. конф., Черноголовка, 17-19 февраля 1981 г. Черноголовка: Ин-т хим. физики, 1981, с. 76-78.

3. Лидоренко Н.С., Колтун М.М. Спутники - преобразователи солнечной энергии. Земля и вселенная. 1979, №2, с. 27-31.

4. Лидоренко И.С., Колтун М.М. Солнечное электричество. Техника и наука, 1980, №8, с. 12-14.

5. Лидоренко Н С., Евдокимов В.М., Зайцева А.К., Колтун М.М., Рябит - ков С. В, Стребков Д. С Новые модели солнечных элементов н перспективы их оптимизации. - Гелиотехника, 1978, №3, с. 3-17.

6. Полупроводниковые преобразователи энергии: Пер. с англ. / Под ред. Ю.П. Маслаковца, В.К. Субашнева. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. 408 с.

7. Вавилов В.С., Ландсман А.П., Субашиев В.К. Солнечные батареи. - В кн.: Искусственные спутники Земли. М.: Изд-во АН СССР, 1958, вып. 2 (75), с. 75-80.

8. Колтун М. Солнечные батареи. - В кн.: БСЭ. 3-е изд., 1976, т. 24, кн. 1, с. 417.

9. Колтун М.М. Фотоэлектрический генератор. - В кн.: БСЭ. 3-е изд., 1977, т. 27, с. 603.

10. Колтун М.М. Фотоэлемент. - В кн.: БСЭ. 3-е изд., 1977, т. 27, с. 607.

11. Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.; JL: Изд-во АН СССР, 1957.491 с.

12. Стильбанс Л С. Физика полупроводников. М.: Сов. радио. 1967. 452 с.

13. Фистуль В. И Введение в физику полупроводников. М.: Высш. шк., 1975. 296 с.

14. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физмат - гиз, 1963. 496 с.

15. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио, 1971. 246 с.

16. Полупроводниковые фотоприемники и преобразователи излучений: Пер. с англ. / Под ред. А.И. Фримера, И.И. Таубкина. М.: Мир. 1965. 576 с.

17. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.А. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. JI. - Наука, 1989.

18. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно - технические аспекты. Энергетическая безопасность. (Проблемы функционирования и развития электроэнергетики). - М.: МГФ «Знание», 2001.

19. Бекман У.А., Клейн С.А., Даффи Д.А. Расчет систем солнечного теплоснабжения. - М.:Энергоиздат, 1982.

20. Более чем достаточно? Оптимистический взгляд на будущее энергетики Под. ред. Р. Кларка. Пер. с англ., - М.: Энергоатомиздат, 1984.

21. БурдаковВ.П. Электроэнергия из космоса. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

Размещено на Allbest.ru