Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Ед1,эБ
Рис. 8.8. Уровни равных значений предельного КПД (r|max) каскадных систем на основе двух элементов, оптического фильтра и концентратора при 100-кратной интенсивности излучения в условиях АМ2 [24], В системах используются солнечные элементы на основе следующих по-лупроводниковых материалов: a) Si и Ge (r|max = 34 %); b) GaAs и Ge (Лтах — 37 %); с) GaAs И Si (Т|тах — =35 %); d) Материал с Eg2 — 1,75 эВ и Si (т|т?х = 41 %); е) Материалы с оптимальными значениями ширины запрещенной зоны (r|max = 42 %).
386
Глава 8
Рис. 8.9. Распределение потерь энергии в единичных солнечных элементах на основе Ge и GaAlAs—GaAs (а) и в двухэлементном каскадном преобразователе, состоящем из элементов на основе Ge и GaAlAs — GaAs (б), при 125-кратной интенсивности излучения в условиях АМ2 [24J. А — потери в фильтре, В — отражение излучения и затенение поверхности, С — избыточная энергия фотонов, D — энергия нефотоактивных фотонов, Е — потери при собирании носителей заряда, F — потери в области перехода, <3 — омические потери (IR-), Н —выходная мощность; заштрихованные области соответствуют потерям энергии, вызывающим нагрев элементов.
щих независимо и в каскаде при коэффициенте концентрации излучения 125 в условиях АМ2.
Кейп и др. [25] провели теоретическое и экспериментальное исследование каскадных систем на основе двух элементов. Для сочетания элементов GaAs — GaSb и оптического фильтра с пороговой длиной волны 0,88 мкм теоретический КПД при 300-кратной интенсивности излучения превышает 30%. Значения КПД, полученные в экспериментах с элементами на основе GaAs — Si и оптическим фильтром, имеющим пороговую длину волны 0,73 мкм, при коэффициентах концентрации 340 и 800 близки к расчетным. Очевидно, что система элементов на основе GaAs — Si не превосходит по КПД единичные элементы из GaAs. Авторы отмечают, что необходимыми условиями для успешного применения преобразователей такого типа являются оптимальное расщепление спектра и высокая эффективность оптических фильтров. При осуществлении спектрального расщепления в каждом из элементов протекает меньший фототок, величина которого при грубой оценке пропорциональна потоку фотонов в отдельных световых пучках. Вследствие этого при высоких концентрациях излучения потери мощности на последовательном сопротивлении значительно уменьшаются.
Хотя анализ предельного КПД и дает информацию, необходимую для выбора материалов, следует помнить, что он
Новые напр, в разработке солнечных элементов
38?
основан на ряде допущений. Для предсказания характеристик реальных систем необходимо учесть различные виды потерь энергии. Исходя из результатов теоретического анализа, проведенного рядом исследователей [26, 27], согласно которым двумя благоприятными сочетаниями значений ширины запрещенной зоны являются 1,69—1,1 эВ и 1,69—1,43 эВ, когда могут использоваться Gao.eAlo^As (1,69 эВ), GaAs (1,43 эВ) и St (1,1 эВ), Фанетти и др. [28] высказали предположение, что На практике КПД системы 1,69—1,43 эВ даже при учете потерь излучения в оптическом фильтре может превысить 25%. Для системы из трех элементов на основе Si (1,1 эВ), GaAs (1,43 эВ) и Ga0,63Al0?37As (1,92 эВ) реально достижимы значения КПД более 30%. Солнечные элементы из GaAs и Gao.sAlo^As, изготовленные Фанетти и др. [28] с применением модифицированного метода жидкофазной эпитаксии, в условиях AM 1,5 при 210-кратной интенсивности излучения имеют КПД соответственно 21,1 и 19,2 %.
Экспериментальное подтверждение возможности создания высокоэффективной каскадной системы на основе расщепления спектра при использовании солнечных элементов из Si (1,1 эВ) и Ga0,83Al0,i7As (1,65 эВ) получено Ван дер Пласом и др. [29]. Измеренные значения общего КПД составили 27 % при коэффициенте концентрации /<’=113 и 26 % при К = 489.
8.4.2 Интегральные каскадные солнечные элементы
Схематическое изображение интегрального каскадного солнечного элемента, содержащего три гомогенных р — ^-перехода* приведено на рис. 8.10, а. Данная структура является основной, а в ее модификациях могут быть использованы гетеропереходы или барьеры Шоттки. Особенностью интегральной структуры является наличие системы встроенной электрической коммутации, которая осуществляет последовательное соединение единичных элементов. На рис. 8.10,6 показана эквивалентная электрическая схема каскадного элемента.
При анализе теоретической модели интегрального каскадного солнечного элемента мы будем использовать подход, предложенный Веки [30], рассматривавшим элемент исходя из эквивалентной схемы, представленной на рис. 8.10,6. Пренебрегая переходным контактным сопротивлением и сопротивлением: утечки, можно записать следующие уравнения:
J = JLi—Jsi [ехр(РУ{)—1], (8.7)
V = Vi- (8.8)
;=i
Здесь индексом / = 1, 2, ..., N обозначен номер единичного элемента в каскадном преобразователе, JSi — плотность обратного
Vi 13*
388
Глава 8
Излучение
Верхний контакт
Полупрозрачные контакты \
Нижний. .— контакт
Eg 1 < Eg2 < Eg3 а
3-й. р-п-переход 2-й. р-п-перехоЭ 1-й. р-п-перехой
<50*'
о:«.
Рис. 8.10. Поперечное сечение интегрального каскадного солнечного элемента, содержащего три гомогенных перехода (а), и его эквивалентная схема (б).
