Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Небольшое смещение края оптического поглощения при вариациях температуры вызывает изменение Jsc (которое можно найти для любого конкретного спектра солнечного излучения). Это изменение относительно невелико (например, для Si (AJSC/JSC)/AT 0,03%/°С)*. Кроме
* Для Si dEg/dT = - 4 • 10-4 эВ/°С, и при энергии фотонов 1,1 эВ в спектре солнечного излучения, соогветсгвующем условиям АМ1.5, dTjdE 1,5 ¦ 10*7 см“2х xc-li3B“!. Вопрос о влиянии вариаций температуры на поглощение света обсуждался в [Spaderna, Navon, 1978]. .30
того, небольшое увеличение Jsc с ростом температуры является следствием изменения собственно коэффициента поглощения света при вариациях температуры [Shumka, 1970].
Согласно экспериментальным данным у большинства высококачественных кремниевых солнечных элементов Jsc почти постоянна и незначительно возрастает при повышении температуры. Пример температурной зависимости Jsc приведен на рис. 3.20.
Уменьшение Voc и // при повышении температуры вызвано в основном изменением /0 возрастает экспоненциально по мере роста Т, что приводит почти к линейному спаду Voc при увеличении Т. В общем случае для области, расположенной по одну сторону гомогенного перехода, при Л = 1 справедливо соотношение
Voc = (kT/q)ln(Jsc/J0), (3.20)
при
Jo = CD/т) 1/2• n]/NA = ВТ3 (Р/т)1/2exp(-Eg!(kT)), (3.21)
где параметры, практически не зависящие от температуры, обобщены в виде константы В. Уравнение (3.20) можно представить в виде
Voc = (Eg/Я) - (kT/q)\n[(D/r) ll2T3B/Jsc ]. (3.22)
Здесь член уравнения, определяемый логарифмической функцией, больше нуля, и его изменение при вариациях температуры незначительно. Пример температурной зависимости Voc показан на рис. 3.20.
Температурной зависимостью Voc часто пользуются для оценки эффективной высоты барьера в экспериментальных фотоэлектрических приборах. Так, с помощью (3.22) для области диода Шокли, расположенной по одну сторону перехода, при экстраполяции измеренной зависимости Voc от Г к точке Т = 0 К по величине отрезка, отсекаемого на оси температур, определяется значение Egjq.
Обычно ff довольно резко уменьшается при возрастании температуры, как это показано на рис. 3.20. Изменения //можно рассчитать с помощью (3.8) и (3.10), однако вычисления слишком сложны, чтобы их излагать подробно.
Коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии элементов с гомогенным переходом на основе кремния, определяемый с помощью соотношения rjs = VocJScff/Ps> достигает максимального значения при температурах от —150 до —100°С; при температуре, близкой к 25°С, КПД изменяется со скоростью Дт?5/ДГ » —0,05%/°С (см. рис. 3.20). Опубликованные данные [Arora, Mathur, 1981] позволяют сопоставить теоретические и экспериментальные температурные зависимости фотоэлектрических параметров кремниевых солнечных элементов.
Поскольку в GaAs, как правило, наблюдается более резкое возрастание L при повышении температуры, максимальное значение r?s солнечных элементов на основе GaAs отвечает более высоким температурам (от —100 до —50°С). Как следует из рис. 3.21, при температуре вблизи 25 °С КПД снижается со скоростью ArtslAT w —0,033%/°С.
140
•foe
и
^-Eg=OK V Ц'з'-
\ \ А
ff\ isc-^\\-
°>9 \ 7 А
Isci МА
-Z7J -ZOO -100-50 0 50 VС
Рис. 3.20. Температурные зависимости фотоэлектрических параметров экспериментального кремниевого солнечного элемента площадью 4 см2 при Ps = 140 мВт/см2. Кривая Voc СТ) экстраполирована к Т = 0 К
Рис. 3.21. Температурные зависимости фотоэлектрических параметров в условиях АМО при Т = 25°С солнечного элемента иа основе AlGaAs - GaAs с J?s = 16,4%
Температурные зависимости фотоэлектрических параметров других типов приборов с гетеропереходом или барьером Шоттки, в которых протекание тока связано главным образом с тепловой инжекцией носителей заряда, качественно аналогичны рассмотренным [Fischer-Colbrie е. а., 1976]. В гетеропереходах при повышенных температурах i?s обычно довольно резко возрастает при увеличении ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника. Поэтому широкозонные материалы в большей степени подходят для использования в сочетании с концентраторами излучения и в высокотемпературных системах других типов.
Если процесс протекания тока хотя бы частично обусловлен туннелированием носителей заряда, как это происходит в солнечных элементах на основе Си* S — CdS и с МДП-структурой, то полагают, что Voc и ff могут в меньшей мере зависеть от температуры. Температурные зависимости фотоэлектрических параметров элементов с МДП-структурой в настоящее время изучены недостаточно глубоко.
При работе элементов в условиях низкой температуры возникают особые проблемы: если подвижность носителей заряда определяется их рассеянием заряженными примесями, то возможно значительное уменьшение L и, следовательно, Jsc. При низких температурах контакты могут утратить свои омические свойства, что приведет к существенному уменьшению ff. В кремниевых солнечных элементах последняя проблема в значительной мере устранена благодаря созданию на тыльной поверхности (посредством диффузии А1) р+-слоя.
