Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Максимальный КПД любого солнечного элемента с одним переходом составляет около 25%. Отсюда следует, что при высоких коэффициентах концентрации излучения в солнечных элементах выделяется большое количество тепловой энергии, и если охлаждение элементов не предусмотрено, то их рабочая температура возрастает. Значительное повышение температуры влияет на свойства неосновных носителей и собственную концентрацию носителей в элементе, а также, хотя и в меньшей степени, на процесс поглощения фотонов вследствие изменения ширины запрещенной зоны. При повышении температуры подвижность неосновных носителей в Si несколько уменьшается, а в GaAs (при типичных уровнях легирования) меняется очень слабо, поэтому коэффициент диффузии неосновных носителей в Si почти не зависит от температуры, а в GaAs монотонно растет при повышении температуры. В результате диффузионная длина неосновных носителей увеличивается при возрастании температуры (особенно ярко это проявляется в GaAs), так как вследствие повышения тепловой скорости носителей увеличивается их время жизни. Таким образом, возрастание тока короткого замыкания при повышении температуры является следствием увеличения диффузионной длины неосновных носителей. Что касается напряжения холостого хода, которое, как полагают, должно повышаться при увеличении тока короткого замыкания, то оно сильно зависит от собственной концентрации носителей tii, изменяющейся экспоненциально при вариациях температуры.
372
Глава 8
Таблица 8.1. Расчетные характеристики солнечных элементов п+—р- и п+—р — р+-типов на основе Si с удельным сопротивлением 10 Ом-см при коэффициентах концентрации излучения К — 1 и 40 (условия АМО) и температурах 27 °С и 100 °С [4]
т, °с К Наличие изотипного тыльного барьера , мА см2 FF кпд, %
27 1 Нет 49,9 0,541 0,808 16,1
27 1 Есть 52,0 0,606 0,809 18,8
27 40 Нет 2130,0 0,605 0,715 17,0
27 40 Есть 2130,0 0,721 0,755 21,4
100 1 Нет 50,4 0,350 0,702 9,2
100 1 Есть 52,6 0,438 0,717 12,2
100 40 Нет 2110,0 0,432 0,625 10,5
100 40 Есть 2110,0 0,580 0,714 16,1
Токи насыщения пропорциональны п? и щ, если механизмы их протекания обусловлены соответственно диффузионным и генерационно-рекомбинационным процессами. Следовательно, в случае реализации этих процессов Voc и FF будут понижаться при возрастании температуры. Далее, небольшое сужение запрещенной зоны при повышении температуры также должно вызвать увеличение темнового тока насыщения и тем самым свести к минимуму положительный эффект увеличения коэффициента поглощения света в длинноволновой области спектра.
В итоге КПД преобразования уменьшается, если рабочая температура элементов значительно превышает комнатную. Поскольку снижение Voc, по-видимому, является основной причиной падения КПД при высоких температурах, необходимы высокие начальные значения Voc• Как видно из табл. 8.1, создание изотипного тыльного барьера является эффективным способом повышения КПД солнечных элементов при больших температурах. Улучшение характеристик обусловлено как увеличением диффузионной длины неосновных носителей, так и снижением темнового тока под влиянием тыльного барьера. Более того, температурный коэффициент той составляющей выходного напряжения, которая определяется р—/?+-перехо-дом, положителен. Благодаря этому уменьшение Vос при возрастании температуры становится менее значительным.
Солнечные элементы на основе арсенида галлия превосходят по стабильности кремниевые элементы в условиях высокой температуры. Повышенные значения Voc и более слабую температурную зависимость Voc обеспечивают большая ширина запрещенной зоны GaAs и преобладание генерационно-рекомбинационного механизма протекания темнового тока. Кроме того, из-за меньшей диффузионной длины неосновных носите-
Новые напр, в разработке солнечных элементов
373.
лей в GaAs повышение дебаевской длины LD при возрастании температуры приводит к более существенному увеличению 7SC> чем в элементах из Si. Так как GaAs имеет высокий коэффициент поглощения света, сужение запрещенной зоны при повышении температуры может привести к уменьшению доли полезно используемых высокоэнергетичных фотонов. Однако влияние этого эффекта в некоторой степени может быть ослаблено при создании мелкозалегающего перехода.
Солнечные элементы на основе GaAs, применяемые в условиях сильной освещенности, имеют высокопроводящий слой Gai_xAixAs, который способствует снижению скорости поверхностной рекомбинации. Толщина поверхностного слоя составляет 0,3.. .5 мкм, а параметр х, определяющий его состав, приблизительно равен 0,8. В качестве просветляющих покрытий используются пленки ТЮ2 [7] или Si3N4 [8]. При наличии сетчатого контакта (затеняющего 10 % поверхности) последовательное сопротивление элемента диаметром 1,27 см может быть уменьшено до 0,027 Ом. При температуре 200 °С и коэффициенте концентрации, равном 312, КПД элементов составляет 14 % [8]. При комнатной температуре и К= 10 и 1735 КПД составляет соответственно 23 и 19,1 % [8].
Кремниевые солнечные элементы в отличие от элементов с гетероструктурой не имеют высокопроводящего поверхностного слоя, поэтому снижение последовательного сопротивления, необходимое для обеспечения возможности их работы в условиях концентрированного излучения, достигается путем усовершенствования контактной сетки. В солнечных элементах применяются сетки различной конструкции [6, 9]. С их помощью можно свести к минимуму потери мощности при 100-кратной интенсивности излучения. В настоящее время кремниевые солнечные элементы с изотипным тыльным барьером имеют КПД 15,5 % [9] и 12,2 % [6] при коэффициентах концентрации 23 и 60 соответственно. Приведенные данные отвечают рабочим температурам 20 и 30 °С. КПД элементов малой площади (0,16x0,16 см2) с р+ — п—м+-структурой [10] и удельным сопротивлением базовой области, равным 30 Ом-см, при 120-кратной интенсивности излучения составляет 8%. Толщина базовой области этих элементов равна 50 мкм; предполагают, что при увеличении поглощательной способности за счет утолщения базы выходные характеристики элементов несколько улучшатся К
