Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
* Под влиянием последовательного и шунтирующего сопротивлений наблюдается слабая зависимость А от ff, которая изучена теоретически при ненулевых значениях Rs [Pulfiey, 1978].
1 Для случая Rs = 0 получено [Ghosh е. а., 1980] также и другое выражение дня определения ff:
Рт =-l[(AkT/q)(l -0)ln(|3/i//o)= -l[(AkT/q)(l - (З)21(3, (3.9)
ff=Pml(VocIsc) = (1 -P)ln(f3I'L/IQ)l\n{Ii/I0).
(3.10)
ffSa[l \n(Isc/l0)
ln[ln(/5c//0)]
ln(/sc//0)
125
Рис. 3.5, Зависимость КПД Tjs идеального диода от/0 при различных диодных коэффициентах ; Ji = 25 мА/см2, Ps = 100 мВт/см2 и Rs = 0
Рис. 3.6. Влияние на КПД Tfs идеального солнечного элемента с Rs = 0 параметров l?, /о и А. Температура равна 300 К, плотность падающего потока солнечного излучения при однократной облученности (С = 1) составляет Ps = 100 мВт/см2
переменных, максимум кривых расположен вблизи энергий 1,4—1,5 эВ (рис. 3.7). При повышенных температурах максимумы смещаются в область больших значений ширины запрещенной зоны. Наличие максимума является следствием установления баланса между количеством полезно поглощенных фотонов солнечного излучения (увеличивающимся по мере уменьшения Eg*) и термически активированным прямым диодным током (который уменьшается при возрастании Eg, вызывая повышение Voc).
Теоретические расчеты КПД кремниевых солнечных элементов были выполнены [Wolf, 1971] при различных предположениях относительно свойств материалов и приборов. Например, в условиях AM0 щ = 22% и Voc = 0,788 В (при тп = 10 мкс и /0 = 2,4-10"1 s А/см2). Кроме того, исследовано [Graff, Fischer, 1979] влияние изменения времени жизни неосновных носителей заряда на г)д, //, Voc и щ элементов на основе Si.
Теоретическое определение КПД солнечных элементов с гетеропереходом затруднено из-за недостатка информации о механизмах переноса носителей заряда. Во многих типах гетеропереходов преобладает рекомбинационно-генерационный процесс в обедненном слое, однако при этом условия переноса носителей заряда могут настолько измениться под воздействием рекомбинации на границе раздела, краев энергетических зон и туннелирования, что становится невозможно предсказать значения /0 и А.
Если же для упрощения предположить, что перенос носителей заряда обусловлен в основном их инжекцией и диффузией в квазинейтральной области поглощающего слоя (А = 1), то расчет показанных на рис. 3.8 теоретических зависимостей КПД преобразования солнечной энергии
* Что приводит к росту тока, генерируемого элементом. - Прим. ред. 126
1 ______I K,mT-Ln~'rf_______I_____I______I______ 0 I I <1,1 •__< I_______' I I I I
0,1 0,6 1,0 1Л 1,8 2,2 Eg, зВ 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Едг,зЪ
Рис. 3.7. Зависимости теоретического КПД Т}$ в условиях АМО идеального солнечного элемента с гомопереходом (А = 1) от ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры при отсутствии рекомбинационных потерь носителей заряда на поверхности (концентрация носителей заряда в базовом слое элемента Ng = =10* см-3) [Wysocki, Rappapoit, 1960]
Рис. 3.8. Результаты оценочных расчетов предельного теоретического КПД Щ идеальных солнечных элементов с гетеропереходом {А = 1) в зависимости от ширины запрещенной зоны Eg2 оптического окна при различной ширине запрещенной зоны Eg i поглощающего слоя. Приняты следующие предположения: T)q = 1, полезная площадь прибора равна его полной площади, солнечный спектр отвечает условиям AM 1,5 (см. рис. 3.3), Nд - 1017 см-3 поглощающие слои на основе всех рассмотренных материалов обладают проводимостью p-типа. Эффектом разрыва зоиы проводимости можно пренебречь
упрощается. При этом полагают, что свет, поглощенный в слое окна, не дает вклада в фототок, а значения тиц достаточно велики.
Анализ показывает, что и в данном случае наиболее благоприятная ширина запрещенной зоны поглощающего слоя составляет 1,4 эВ, поскольку в рассмотренном примере поглощение света и основной вклад в протекающий через переход диодный ток определяются именно этим слоем. Впоследствии был выполнен более тщательный анализ КПД солнечных элементов с гетеропереходом [Sreedhar е. а., 1969; Sahai, Milnes,
1970].
Поскольку предсказываемые значения КПД существенно зависят от свойств материалов и приборов, интересно определить предельный теоретический КПД исходя из наиболее общих принципов. Подобное исследование было проведено [Shockley, Queisser, 1961*] на основе принципа детального равновесия при рассмотрении потоков излучения в системе, состоящей из Солнца, которое считается абсолютно черным телом, и’
* В данной работе указан также ряд проблем, с которыми столкнулись специалисты в области фотоэлектричества (таких, как расхождение между наблюдаемыми и предсказываемыми значениями А, /0 и Voc) и которые до сих пор не решены.
127
солнечного элемента, и в предположении, что каждый фотон (проникающий в элемент) с энергией hv> Eg создает единичный заряд q при напряжении V = Eg/q. Полагая также, что коэффициент концентрации солнечного света равен единице и в полупроводнике происходит только излуча-тельная рекомбинация носителей заряда в результате межзонных переходов, авторы определили КПД (30%), удовлетворяющий принципу детального равновесия и соответствующий оптимальной ширине запрещенной зоны 1,1 эВ. (Это значение энергии чрезвычайно близко к ширине запрещенной зоны Si — одного из наиболее распространенных химических элементов.)
