Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Ток короткого замыкания фронтально-барьерного элемента равен Isc~A±Jsc- Здесь А±_ —площадь элемента и
h
g ^р2~1-тг I Фо(А.)Гв11-Я(Х)][1-Л(Ь)]Х
S; + 2 (Ф ) ь=о
X Q (a, L, dlt Flt г, S)dX. (4.1)
Здесь kg — длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны Cu2S, ji2 — подвижность носителей в CdS, Sj — скорость
272
Глава 4
рекомбинации на границе раздела, Ф0(А)—плотность падающего потока фотонов, Тё — степень прозрачности контактной сетки, R{X) —коэффициент отражения от поверхности элемента, А (а)—доля излучения, теряемого для преобразования вследствие поглощения, и Q — коэффициент собирания носителей в слое Cu2S. На величину Q оказывают влияние следующие параметры слоя C112S: коэффициент поглощения света а (А), диффузионная длина носителей L, эффективная толщина слоя du размер зерен г, напряженность тянущего поля F{ и скорость поверхностной рекомбинации S. Величина Q зависит также от типа конструкции элемента (фронтально-барьерная, тыльнобарьерная или эти же типы конструкций, но с отражающим контактом). Исходя из рассмотренной модели рассчитаны относительные доли уменьшения тока короткого замыкания высокоэффективных солнечных элементов на основе Cu2S—CdS, связанные с различными механизмами потерь. Их значения составляют: 5 ... 8 % — поглощение и отражение света, 5 ... 10 % — затенение поверхности контактной сеткой, 1...2%—поверхностная рекомбинация, 10 ... 15 % — объемная рекомбинация, 5 % — рекомбинация на границе раздела, 1 % — рекомбинация на межзеренных границах, 2 % — потери света вблизи тыльной поверхности и в объеме слоя CdS. При суммарных потерях, составляющих 25... 35 %, плотность тока короткого замыкания в условиях АМ1 равна 22 ... 26 мА/см2.
Если предположить, что протекание тока определяется в основном рекомбинационными процессами на границе раздела и что шунтирующее сопротивление элемента достаточно велико, то выполняется соотношение
qVос = Её1—АЕС + kT In Jsc—kT In (qNc^Si)—kT In (A j/A ±).
(4-2)
Здесь AEC — разность энергий сродства к электрону Cu2S и CdS, Nc2 — эффективная плотность состояний в зоне проводимости CdS, q — заряд электрона и Aj — площадь перехода. Согласно оценочным расчетам, слагаемые, входящие в соотношение (4.2), имеют следующие значения: (Eg 1—Д?с)тах~1 эВ, fe71n/sc=—0,1 эВ, kT\n {qNc2Sj) =—0,33 эВ, а величина kT\n(Aj/A±), зависящая от площади перехода, равна 0,03... ...0,06. В результате максимальное значение напряжения холостого хода планарного элемента составляет 0,54 В. Наиболее высокое значение Voc> достигнутое на практике у солнечных элементов на основе Cu2S—CdS, изготовляемых сухим методом, также равно 0,54 В [19]. Напряжение холостого хода можно существенно повысить путем изменения АЕс и Sj. Однако, поскольку величины ДЕс и Sj определяются свойствами исходных полупроводниковых материалов, для этого необходима модификация структуры материалов или замена одних полупроводни-
Глава 4
273
ков другими. У элементов на основе Cu2S—ZnxCdi_xS, вероятно, могут быть получены значения Egl—Д?с=1,2 эВ и УОС^0,74 В. У реальных элементов такого типа напряжение холостого хода составляет 0,65...0,71 В. Высокое значение Voc этих элементов является следствием увеличения ширины запрещенной зоны ZnxCdi-xS (по сравнению с CdS), сопровождающегося уменьшением ДЕс и возрастанием величины Eg{—A?c.
Как показывают расчеты, у тонкопленочного солнечного эле* мента на основе Cu2S—CdS с идеальными диодными свойствами при Voc — 0,51 В коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики равен 0,80. В реальных же элементах коэффициент заполнения уменьшается на 0,02... 0,04 под влиянием последовательного сопротивления и дополнительно — на 0,03 вследствие существования зависимости тока короткого замыкания от напряженности поля в области перехода. В настоящее время лучшие элементы со структурой Cu2S—CdS имеют значения коэффициента заполнения в пределах 0,68 ... 0,72.
Проведенный анализ энергетических потерь показывает, что КПД солнечных элементов на основе Cu2S—CdS может быть повышен примерно до 11 %. У элементов со структурой Cu2S— ZnxCdi-xS ожидаемое значение КПД составляет ~15%. Следует отметить, что в условиях, когда преобладающим рекомбинационным процессом является рекомбинация носителей заряда в объеме Cu2S (при низкой скорости рекомбинации на границе раздела), напряжение холостого хода при комнатной температуре может возрасти до 0,86 В, а коэффициент заполнения вольтамперной характеристики — до 0,86. При этих значениях параметров КПД достигает 26 %.
4.7. Выводы
У тонкопленочных солнечных элементов на основе Cu2S— ZnxCdi-xS малой площади, изготовляемых методом вакуумного испарения в сочетании с мокрым химическим процессом, получен КПД более 10%. Полагают, что для дальнейшего увеличения КПД потребуются оптимизация состава слоя ZnxCdi_xS и применение более совершенных методов управления процессом формирования пленки Cu2S на поверхности ZnxCdi_xS. Солнечные элементы, создаваемые посредством пульверизации с последующим пиролизом, также обладают высокой эффективностью, однако элементы, получаемые с помощью пульверизации и вакуумного испарения, имеют неодинаковую оптимальную микроструктуру. КПД солнечных элементов большой площади в условиях массового производства составляет 6. ..7%. Необходимы значительные усилия для того, чтобы освоить опытное производство высокоэффективных (с КПД более 10%) стабильных элементов большой площади с воспроизводимыми характеристиками при высоком выходе годной продукции.
