Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Новые напр, в разработке солнечных элементов
369
храняющих высокий КПД при больших значениях коэффициента концентрации излучения и повышенных температурах.
Предельный КПД преобразования энергии солнечного излучения в полезную работу, определяемый законами термодинамики, равен 93%- В последние годы появились солнечные элементы принципиально нового типа, в том числе многопереходные элементы на основе нескольких полупроводниковых материалов, образующих каскадную систему, КПД которых достигает 40%, что значительно выше предельного теоретического КПД обычных солнечных элементов с гомогенным или гетерогенным переходом и барьером Шоттки, имеющих фото-активный слой из полупроводникового материала одного вида или единственный переход.
Вопросы, рассматриваемые в данной главе, разбиты на три группы. В разд. 8.2 перечислены эффекты, влияющие на работу солнечных элементов при высокой интенсивности излучения. В разд. 8.3 рассмотрены новые конструкции обычных солнечных элементов с фотоактивным слоем из материала одного вида, характеристики которых приближаются к предельным теоретическим. Наконец, в разд. 8.4 обсуждаются каскадные солнечные элементы, обладающие сверхвысоким КПД.
8.2. Эффекты, вызываемые высоким уровнем интенсивности излучения
В солнечном элементе с идеальной диодной характеристикой, у которого ток насыщения Is значительно меньше фототока IL, последовательное сопротивление пренебрежимо мало и шунтирующее сопротивление стремится к бесконечности, ток короткого замыкания /sc~ Я, а напряжение холостого хода Vос ~ In//, где Н — интенсивность падающего излучения. Если предположить, что при увеличении Н коэффициент заполнения FF вольт-амперной характеристики остается постоянным, то в идеальном случае повышение КПД при возрастании интенсивности излучения прямо пропорционально увеличению фо-то-э. д. с. Однако известно, что в условиях низкого уровня ин-жекции фото-э.д. с., насыщаясь, приближается к значению диффузионного потенциала Vd [1]. Следовательно, КПД не может увеличиваться неограниченно. Кроме того, поскольку удельное сопротивление базовой области большинства солнечных элементов выше удельного сопротивления легированного слоя, условия высокого уровня инжекции будут благоприятны для собирания носителей в базе до тех пор, пока Voc не достигнет значения Vп. Из условия сохранения электрической нейтральности базовой области следует, что более высокой концентрации основных носителей должно соответствовать новое зна-
370
Глава 8
чение концентрации неосновных носителей. Это приводит к изгибу квазиуровней Ферми в базе и падению напряжения в этой области даже в режиме холостого хода, в результате чего значение фото-э.д.с. не достигает VD [2]. Далее, при высоком уровне инжекции уравнение вольт-амперной характеристики принимает вид. / = /sexp (qV/2kT). В этом случае темновой ток насыщения выше, чем в условиях низкого^ уровня инжекции [3]. Следствием увеличения Is является уменьшение FF.
В реальных солнечных элементах наличие конечного последовательного сопротивления приводит к снижению-КПД (в силу уменьшения FF) даже при такой интенсивности излучения, когда условия высокого уровня инжекции еще не выполняются. Последовательное сопротивление оказывает отрицательное влияние на ха-
рактеристики солнечных элементов и при обычной интенсивности излучения, а при использовании концентрированного света это влияние становится чрезвычайно сильным. Палфри [4] рассчитал зависимость FF от коэффициента концентрации излучения для кремниевых солнечных элементов при различных значе-ниях последовательного сопротивления (см. рис. 8.1) и показал, что при 100-кратной интенсивности излучения характеристики элементов будут удовлетворительными, если их последовательное сопротивление не превышает нескольких сотых долей ома.
У солнечных элементов, генерирующих небольшой фототок, например элементов из GaAs, допустимым является несколько* более высокое последовательное сопротивление.
Обычно считают, что при повышении интенсивности падающего излучения фототок возрастает по линейному закону. Даривал и др. [5] высказали предположение, что при сильной освещенности фототок насыщается на уровне значения ~Vd/Rs, где Rs — последовательное сопротивление. Хотя этот эффект в некоторой степени может компенсировать снижение FF, КПД преобразования энергии не будет повышаться вслед ствии уменьшения фототока. Кроме того, увеличение концент-
Рис. 8.1. Расчетные зависимости коэффициента заполнения FF вольт-амперной характеристики кремниевого элемента от коэффициента концентрации /С солнечного излучения при различных значениях последовательного сопротивления [4]. 1 — 0 Ом, 2 — 0,01 Ом, 3 — 0,05 Ом, 4—0,1 Ом, 5 — 1,0 Ом; диодный коэффициент /г = 1,5, плотность тем-нового тока насыщения Js = 3,3 X X 10~12 А/см2, Т = 300 К, площадь элемента — 1 см2; фототок пропорционален коэффициенту концентрации излучения.
Новые напр, в разработке солнечных элементов
371
радии основных носителей в условиях высокого уровня инжекции приведет к модуляции удельного сопротивления полупроводника. В результате при возрастании мощности падающего излучения последовательное сопротивление элемента будет уменьшаться, что также снизит потери FF. Однако вследствие роста темнового тока понизится Voc и КПД не увеличится, хотя его снижение при повышении интенсивности излучения будет менее быстрым, чем в условиях низкого уровня инжекции. Кроме того, при низком уровне инжекции солнечные элементы, вероятно, будут обладать более высоким начальным значением КПД. Для того чтобы усилить положительное влияние модуляции проводимости и высокого начального значения Уос, Фоссум и Бургес [6] предложили создавать в некоторых видах элементов изотипный тыльный барьер. Следует заметить, что малая диффузионная длина неосновных носителей не позволяет использовать тыльный барьер в солнечных элементах на основе арсенида галлия. Однако, поскольку концентрация легирующих примесей в солнечных элементах из GaAs выше, чем в кремниевых элементах, эффекты, связанные с высоким уровнем инжекции, проявляются в GaAs только при очень сильной концентрации излучения.
