|
| |
|
Слаботочка Книги Проведя численное интегрирование с использованием графиков рис. 6 23 к полагая рс = 100 мВт/см, получаем теоретически предельное значение /кз~ «40 мА/см для кремниевого фотообразователя. Значение f/xx точнее всего определяется формулой Больцмана для высоты потенциального барьера в области р-п-перехода Uxs --П---In-, (6.57) q Pno P Pno где pi - концентрация избыточных дырок на границе с р-к-переходом. Используя выражение (6.13) для отдельных спектральных составляющих, записываем Pi = 5.10»TpJ %-x{k)d\. (6.58), где Тр, с; х(Л), смЧ Так же, как для обычного фотодиода, вольт-амперная характеристика фотопреобразователя в вентильном режиме имеет вид; Lpa6 =-In-,-• (6-. 59): q If Численные оценки no (6.58), (.6.69) при типичных для кремния параметрах приводят к (7х1«0,5... 0,6 В. Эти формулы и численные оценки справедливы при Кс = 1; концентрирование солнечного излучения приводит к ряду следствий. Когда кокцсптрация генерированных дырок приближается к значению равновесной концентрации в р+-слое, рост /кз начинает замедляться. Пропорцно-наль-ность (/нз~/Сс) нарущается; медленнее, чем по (6.57), растет и t/xx- У кремниевых элементов это наступает при /Сс~20... 40. Кроме того, вследствие разогрева резко увеличивается темновой ток /т. Все это ведет к снижению-КПД. В то же время переход к очень высоким уровням иижекции сопровождается возникновением встроенного поля, т. е. к возрастанию t/xx. Если отрицательные эффекты удается подавить, то при увеличении Кс может наблюдаться возрастание КПД. Заметим, что в гетероструктурах (в сравнении с р+-п-структурой) пропорциональность (/кз~/Сс) сохраняется при гораздо больших интенсивностях засветки: практически бла-годаря высокой концентрации носителей в базе (около 10 см*) удается работать до Кс = 10 Ю*. Вернемся к режиму Кс = 1. Условие максимальной отдаваемой в нагрузку мощности определяется экстремумом d(f/-/pa6)/d/paG = 0. Предельное значение-КПД, как и 1кз, рассчитывается в предположении, что для всех значений к (Э(Я) = 1; результаты расчета для гипотетических элементов, использующих полупроводники с произвольным значением Eg, иллюстрируются рис. 6.25. Физический смысл этой кривой очевиден: если Eg велико, то значительная часть-фотонов не сможет вызвать генерацию электронно-дырочных пар (т. е. для пих т)=0); если же Eg очень мало, величина /из оказывается максимальной, но падает значение L/x (которое в пределе не может превысить (l/q)Eg). Максимум на рис. 6.25 соответствует Egcl,4 эВ, т. е. этому условию отвечает арсенид галлия. Следует подчеркнуть, что предельные значения параметров согласно-кривой рис. 6.25 справедливы лишь для р-п-структур в однородных полупроводниках при умеренных интенсивностях засветки. Выше для получения предельных значений параметров элементов предполагалось, что коэффициент собирания близок к 1. Это условие выполняется тем лучше, чем выше значение времени жизни дырок в базе Тр; практически необходимо иметь xLpl для всех значений к(%). Отметим основные факторы, снижающие теоретически предельные значения параметров /кз, f/xx, КПД: поглощение излучения в металличесКИХ электродах; отражение света от рабочей поверхности элемента; поглощение излучения на свободных носителях в р+-области; рекомбинационные потери носителей заряда в объеме, на поверхности, в области пространственного заряда р-к-иерехода; омические потери мощности на внутреннем сопротивлении элемента {PRnocn); эффекты, обусловленные разогревом структуры. Полностью исключить эти факторы не удается, и в оптимально сконструированных фотопреобразователях на их долю приходится 10... 30%-ное снижение КПД. В заключение укажем, что в основном выводы теории справедливы и для солнечных элементов с другими видами выпрямляющих контактов (р-(-к-струк-турами, гетеропереходами, барьерами Шотки. МД.П-структурами), использующих полупроводники в М0Н0-, .полимристаллическом и аморфном виде. В барьерах Шотки и МДП-структурах приходится еще учитывать роль поверхностных состояний на границах разделов. Разновидности солнечных фотопреобразователей. Стремление максимально полно удовлетворить все сформулированные выше требования обусловило развитие ряда консхруктивно-технологических направлений. 1. Кремниевые монокристалл-ические солнечные элементы. Эти приборы доминируют в промышленном производстве фотопреобразователей, так как при хорошо отработанной технологии и очень высокой надежности они обеспечивают и значительный КПД: до 20% при прямой солнечной засветке и до 2Б% при Кс = \0... W на лабораторных образцах. Достаточно высок КПД и у серийных •образцов (10... 12%). Кроме p-K(p-t-n)-переходов .привлекают внимание элементы с контактом металл - полупроводник, имеющие повышенную чувствительность в коротковолновой части спектра и отличающиеся простотой технологии. Особенно перспективно использование для контактирования окислов олова и индия (ЗпОг и 1п2о3), прозрачных и имеющих высокую электропроводность. Эти материалы представляют собой широкозоиные полупроводники, поэтому при их нанесении ва кремний удается сочетать .преимущества гетероструктур и барьеров Шотки. В МДП-структурах создание очень тонкого и стабильного слоя диэлектрика позволяет одновременно получать повышенное значение [/хх при приемлемых /ка. Элементы с барьером Шотки и МДП-фотоэлементы изготавливаются по технологии, аналогичной тоикопленочной, отличающейся наивысшей производительностью .и простотой. К сожалению, и основные недостатки тонкопленочиых эле-.ментов - нестабильность и низкая воспроизводимость параметров, обусловлен-щые поверхностными эффектами, - также присущи этим структурным разновидностям. Развитие «кремниевого» направления связано главным образом с разработкой высокопроизводительных процессов получения специфических монокристал-.лических структур: выращивание из расплава тонких широких непрерывных лент, эпитаксиальным осаждением кремния иа некремниевых (металлических, графитовых, полимерных) подложках и т. п. Получить монокристаллы удается не всегда; уменьшение же КПД и надежности элементов, характерное для по- ликристаллических пленок, не в полной мере компенсируется выигрышем" в- снижении стоимости. 2. Арсенид-галлиевые фотопреобразователи. Арсенид галлия, давно и во многих областях полупроводниковой техники рассматриваемый как альтернатива кремнию, имеет в гелиотехнике ряд достоинств: оптимальное значение ширины запрещенной зоны £а«1,4эЕ, соответствующее предельному значению-КПД; большое значение L/x на один элемент (до 1 Вт) при прямой солнечной засветке; большее, чем у кремния, значение коэффициента формы (до а «0,85);. меньшую (на порядок по сравнению с кремнием) глубину поглощения излучения; высокую (до 250... 300 °С) рабочую температуру; возможность изготовления совершенных гетероструктур в системе GaAlAs. Все перечисленные достоинства способствуют тому, что на основе арсенида. галлия достигнуты наивысшие значения КПД (217о при АМО и 25% при AMI,. 5), два последних момента позволяют создавать элементы, эффективно работающие (КПД более 257о) при высокой концентрации солнечного излучения, (/Сс » 10... 10); использование широкозонного гетероокна упрощает преобразование коротковолновой части спектра. Исходные материалы, технологический процесс синтеза и обработки структур в случае арсенида галлия значительно дороже, чем для кремния. Преодоление этого недостатка видится в использовании концентраторов, благодаря, которым солнечная энергия с большой площади направляется на небольшой кристалл преобразователя; кроме того, при выращивании поликристаллических, пленок на дешевых подложках арсенид галлия имеет преимущество из-за меньшей глубины поглощения света, что позволяет уменьшить толщину пленок в сократить расход галлия. Техническая значимость арсенид-галлиевого направления в определяющей степени зависит от удешевления технологии гетероструктур и от разработки дешевых концентраторов солнечного излучения. 3. Солнечные элементы на аморфном кремнии. Хотя в основе этих при-боров-лежит использование кремния, они кардинально отличаются от монокристаллических (и поликристаллических) элементов. Это отличие состоит прежде всего & технологии нанесения - низкотемпературное разложение силаиа в тлеющем или высокочастотном газовом разряде и осаждение аморфного кремния на стеклянных подложках. Использование процесса гидрогенизации - заполнения «оборванных» свободных связей атомов кремния водородом - обеспечивает повышенную фоточувствительность и долговременную стабильность свойств изготавливаемых а-Зи-хНх-пленок. Освоение техники легирования позволшо создавать .и использовать в качестве фотовольтаических контактов не только барьеры. Шотки и МДП-переходы, но и р-г-п-структуры. При аморфном состоянии кремния на порядок уменьшается глубина поглощения излучения, что позволяет работать с пленками микронной толщины. Элементы на а-Sii xHx характеризуются повышенными значениями f/xx (до 0,8... 1,1 В), и хотя плотность фототока у них несколько меньше, чем у монокристаллических образцов, общий КПД, может быть достаточно большим (до 20%). Э.гементы на аморфном кремнии появились во второй половине 1970-х гг., лишь с начала 1980-х гг. началось их развитие в виде достаточно совершенных p-i-n-структур, а к середине текущего-десятилетия они уже превратились в один из весьма представительных и наиболее быстро прогрессирующих типов солнечных фотопреобразователей. Перспективность данного направления определяется простотой и дешевизной техно- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 [70] 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |