Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
t)q — неполное собирание фотогенерированных носителей за-
ряда;
q Voc <Eg — рекомбинационные потери носителей заряда в переходе, определяемые диодными параметрами;
1 Контактная сетка специальной формы создается, например, у многопереходных солнечных элементов с вертикальными переходами (4.6.1) ну элементов с К-образ-ными канавками.
143
Рис. 3.23. Распределение потерь энергии в кремниевых солнечных элементах при работе в условиях АМ1,5 (рис. 3.3). Для каждого вида потерь энергии указана теряемая доля исходного значения Ps. Потери на Rs включены в //. Диодные параметры выбраны равными Jq = = 5 • 10— А/см2 кА = 1
Потери на отражение Z,0 % HetpomoamuOHoe поглощение 1,0 'А
Затенениш „ контактной сеткой 4,0%
hV<Eg 18, S %
hv>Eg 29,Z %
Па=0,30 b,5 %
Eg >4 Чс 19,1 %
ff=0,78 4,7 %
16,6%
Rs, Rp
ff — потери мощности в диоде при прямом напряжении сме-
щения, равном Vm;
— омические (I2R) потери мощности на последовательном и шунтирующем сопротивлениях (обычно учитываемые в ff);
потери на отражение — отражение света от фотоприемных поверхностей;
доля полезной фотоактивной площади элемента — затенение поверхности контактной сеткой;
нефотоактивное поглощение — поглощение света просветляющим покрытием, дефектами и т. д.
Среди перечисленных видов потерь энергии лишь два первых являются неустранимыми, если только не применяются варизонные структуры с переменной шириной запрещенной зоны, оптические устройства с расщеплением спектра солнечного излучения или системы с предварительным преобразованием одной части солнечного спектра в другую, более подходящую для фотоактивного поглощения используемым солнечным элементом. Потери третьего и четвертого видов определяются как законами термодинамики, налагающими ограничения на эффективность разделения носителей заряда, так и собственно диодными параметрами1. Остальные виды потерь относятся к устранимым.
Г л а в а 4 КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Кремний — наиболее изученный полупроводниковый материал, а изготовленные из него солнечные элементы на основе гомогенного р-п-перехода являются, по-видимому, простейшими фотоэлектрическими преобразователями. В 1981 г. кремниевые солнечные элементы с р-n-переходом были единственными серийно выпускаемыми промышленностью:
1 Например, для диода Шокли справедливо равенство qVoc = Eg - kT\n{qNcNv[iDnlTn)ll2lNA + (Dp/Tp)il2/ND]UL}. 144
4.1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Кремниевый солнечный преобразователь был изобретен в 19S3 г. научными сотрудниками Bell Laboratories в период, когда уже ощущалась потребность в фотоэлектрическом преобразовании энергии.
В это время Чапен занимался проблемой источников энергии для систем дальней связи, а Фуллер использовал твердофазную диффузию для создания кремниевых р — п-переходов большой площади. Впоследствии Пирсон при исследованиях мощных выпрямителей, изготовленных по технологии Фуллера, обнаружил их необычную чувствительность к свету и тем самым предложил решение назревшей проблемы фотоэлектрического преобразования энергии.
При испытаниях диодов Пирсона, изготовленных на основе литиеводиффузионного кремниевого р - л-перехода, в условиях солнечного освещения был получен КПД r}s — 4%, т. е. более чем в 5 раз больший, чем у ранее известных кремниевых фотоэлектрических преобразователей. Однако вследствие высокой диффузионной способности атомов Li устройства обладали некоторой нестабильностью даже при комнатной температуре. Фуллером была развита технология диффузионного введения бора, и в 1954 г. опубликовано описание стабильного кремниевого солнечного элемента с КПД щ =6% [Chapin е. а., 1954].
Первое практическое применение солнечных элементов было осуществлено в 1955 г. при испытаниях 9-ваттной батареи для питания телефонного ретранслятора, установленного в штате Джорджия (США). Непрерывная шестимесячная работа батареи — несомненное техническое достижение, однако тогда же была установлена экономическая нецелесообразность использования подобного источника питания для этих целей.
Эра спутников дала новый импульс для продолжения исследований в этой области. Впервые фотоэлектрические солнечные преобразователи были использованы в космосе начиная с запуска на орбиту Авангарда-1 17 марта 1958 г.1 Радиопередатчик этого спутника, получающий питание от солнечной батареи, подавал сигналы в течение 8 лет до выхода из строя элементов из-за радиационного повреждения.
Начиная с этого времени цены на кремниевые солнечные элементы начали быстро падать в связи с развитием технологии (рис. 4.1), а КПД их возрос до 15-17%, что соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы, т. е. при нулевой воздушной массе (АМО). До 1977 г., когда впервые на нескольких советских спутниках были применены солнечные элементы на основе GaAs, единственным серьезным конкурентом кремниевых элементов являлись тонкопленочные элементы на основе CuxS — CdS, от которых ожидали повышенной радиационной стойкости. Однако в этих элементах не удалось достичь КПД, приемлемых для использования в космосе. С развитием наземной солнечной энергетики, основанной на фотоэлектрическом преобразовании, ситуация снова ослож-
