Главная > Разное > Солнечные элементы: Теория и эксперимент
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

5.2.3. Наиболее распространенная структура солнечного элемента на основе GaAs и ее предварительная оптимизация

За исключением одного единственного раннего сообщения о солнечном элементе на основе -гомоперехода в [Jenny е. а., 1956], интенсивные исследования солнечных элементов на основе начались значительно позже, чем в случае . В одной из ранних публикаций сообщалось о солнечном элементе на основе р - и-перехода в имевшем при и большое значение [Gobat е. а., 1962]. В 1970 г. впервые стало известно о создании гетеро-переходной структуры имевшей в условиях освещения АМО КПД 10-11% и сильно расширенную спектральную чувствительность в коротковолновой области по сравнению с р- л-гомопереходом [Alferov е.а., 1971].

Большой скачок в повышении КПД произошел в 1972 г. с появлением солнечного элемента с гетерофазной границей раздела; впервые это удалось Вудалу и Ховелу: их элементы со структурой изготовленные методом жидкофазной эпитаксии, имели и 19,1% при соответственно [Woodall, Hovel, 1972]. В результате диффузии при осаждении слоя в пластине формировался промежуточный слой -типа проводимости. Вскоре был сделан аргументированный вывод, что солнечные элементы на его основе, имеющие большой КПД, перспективны для применения в системах, использующих концентрированные солнечные потоки, в которых высокая стоимость самого элемента составляет лишь малую долю стоимости всей концентраторной системы.

В 1978 г. появился солнечный элемент на основе гомопереходов со структурой, напоминающей типичный кремниевый солнечный элемент с изотипным переходом у тыльного контакта [Fan, Bozber, 1978]. Слои -типов получали методом химического осаждения из паровой фазы, причем утончение -слоя до требуемого размера (0,045 мкм) выполнялось анодированием. Слой анодного оксида после завершения стравливания -слоя оставляли на поверхности элемента, и он служил в качестве просветляющего покрытия. Коэффициент полезного действия этого элемента при составлял 20% без использования концентрированных потоков. Все же элементы с гетероструктурами имеют пока более высокий КПД: 24,7% при и степени концентрации 180 в случае гетероструктуры с переменным составом слоя [Sahai е. а., 1978]; 21% при (без применения концентрированных потоков) [James, Moon, 1975] и 21,9% при (без концентрации солнечного излучения [Woodall, Hovel, 1977 ].

Параметры и выходные характеристики солнечного элемента с гетероструктурой применения коицеитрироваииого излучении)

(см. скан)

Структура солнечного элемента, созданного Вудалом и Ховелом (рис. 5.6), в большинстве современных конструкций элементов практически полностью сохранилась, изменения коснулись только толщины и состава слоев.

Значительная часть носителей, фотогенерированных в слое - рекомбинирует на лицевой поверхности при на которой . Однако ввиду большой ширины запрещенной зоны для непрямых оптических переходов в вклад фотогенерированных в этом слое носителей заряда в общий фототок незначителен, и поэтому влияние потерь, связанных с рекомбинацией на лицевой поверхности, также очень мало. Несоответствие параметров кристаллических решеток и возможность получения чистых границ раздела в процессе изготовления обусловливают малые рекомбинационные потери на гетеропереходе [Ettenberg, Kressel, 1976].

Поскольку в большинстве случаев -слой участвует в собирании носителей заряда (исключение составляет структура, рассмотренная в 5.2.4), электропроводность тонкого -слоя, в котором происходит полезное поглощение большей части световой энергии, можно оптимизировать с целью увеличения а не коэффициента собирания. При сравнении диффузионного -перехода, полученного с помощью диффузии

Рис. 5.6. Энергетическая зонная диаграмма типичного гетероструктурного солнечного элемента

Рис. 5.7. Зависимость тока, наведенного электронным пучком, от расстояния до -перехода: а - структура со слоем образованным при диффузии в процессе выращивания слоя AlGaAs; б - со слоем осажденным методом жидкофазной эпитаксии до выращивания слоя AIGaAs [Shen.//California, Stanford. Thesis, Dcp. Electr. Eng., 1976]

атомов и изготовленного путем осаждения слоя легированного атомами установлены более высокие значения и коэффициента собирания фотогенерированных носителей в последнем случае. Это подтверждается, например, анализом результатов, полученных при измерении тока, наведенного электронным пучком (рис. 5.7). Из других измерений зтим методом следует, что мкм при уровне легирования атомами

Диодные вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе достаточно хорошо можно описать инжекционными и рекомбинационно-генерационными моделями Шокли. При значениях токов, соответствующих неконценгрированному освещению, характерному для условий может доминировать как инжекционный, так и рекомбинационно-генерационный механизм, а при высоких уровнях концентрации солнечного излучения в большинстве элементов действует инжекционный механизм, которому соответствуют и низкие значения

Таблица 5.2. Диодные характеристики ряда солнечных элементов на основе (см. скан)

. В табл. 5.2 приведенызначения диодных коэффициентов А и обратных токов насыщения для различных солнечных элементов, а также значения, рассчитанные исходя из параметров уже известных ранее материалов. На основе модели Саха—Нойса—Шокли и модели Чу Ховелом был проведен анализ механизмов переноса заряда через -переход и рассчитаны предельные КПД для различных солнечных элементов на основе [Hovel, 1973].

Улучшать характеристики генетроструктурных солнечных элементов можно несколькими путями.

1. Уменьшая толщину широкозонного окна - -слоя. На рис. 5.8 представлены результаты расчетов по влиянию уменьшения толщины широкозонного окна — фильтра в условиях АМО, из которых следует, что ее значение должно бьггь как можно меньше, пока это позволяет сопротивление растекания. Эти результаты, конечно, сильно зависят от выбранного соотношения и толщины воздушной массы. Влияние толщины на показано на рис. 5.9.

2. Оптимизируя толщину -слоя. Влияние изменения толщины -слоя на увеличение числа фотогенерированных носителей и их собирание показано на рис. 5.10. В случае больших значений при мкм наблюдают широкий максимум (параметры материалов

Рис. 5.8. Расчетные зависимости коэффициента собирания солнечных элементов со структурой от энергии фотонов при различных толщинах D слоя мкм; мкм; в слое мкм в слое мкм в подложке

Рис. 5.9. Расчетная зависимость от толщины d слоя в условиях освещения АМО. Использовали те же параметры, что и на рис. 5.8; кроме того, сделано предположение, что

Рис. 5.10. Расчетная от толщины d слоя при различных значениях (в условиях освещения АМО). Использованы такие же параметры материалов, что и на рис.

такие же, как и в предшествующих расчетах. При расчетах по оптимизации КПД солнечных элементов, предназначенных для работы в концентраторных системах, на графике от d также имел место широкий максимум при

3. Оптимизируя уровень легирования. Путем варьирования уровня легирования -областей при сохранении высоких значений в -слое можно добиться максимальных значений В случае -переходов, в которых перенос носителей осуществляется по рекомбинационно-генерационному механизму, эта оптимизация включает подбор значения с учетом влияния уровня легирования в квазинейтральной области на время жизни в обедненном слое. Была рассмотрена зависимость от уровня легирования квазинейтральной n- области в солнечных элементах, протекание тока в которых определялось рекомбинационно-генерационным механизмом, и поэтому предположили, что время жизни носителей в обедненном слое зависит от значения в квазинейтральной n- области [Sekela е. а., 1977].

Расчеты показали, что оптимальное значение ND лежит в интервале в котором отсутствует сильная зависимость от ND. На основе имеющихся материалов можно изготовить солнечные элементы с в условиях освещения АМО без учета затенения токосъемной сеткой и потерь на оптическое отражение. В солнечных элементах, где доминируют механизмы инжекции и диффузии носителей, возможности оптимизации шире, причем могут оказаться более выгодными высокие уровни легирования.

Одним из существенных достоинств солнечных элементов на основе является лишь незначительное уменьшение КПД с ростом температуры. В большинстве случаев наблюдают монотонное уменьшение КПД на 0,033% на каждый градус (например, при уменьшении температуры на 1 °С КПД уменьшается от 20 до 19,967%), как это следует из рис. 3.23.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление