Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
В этом же году советские исследователи успешно испытали более радиационио стойкие солнечные элементы и — p-типа (полученные диффузией фосфора в базовый кремний p-типа) на борту третьего советского искусственного спутника Земли. — Прим. ред.
10 —Зак. 609
145
Годы
Рис. 4.1. Коэффициент полезного действия кремниевых моиокристаллических солнечных элементов и батарей. Стоимости 1 Вт генерируемой ими мощности в различные годы (Т и 300 К) указаны по дате установления расценки без учета инфляции и приведены для солнечных элементов и батарей наземного применения, за исключением данных по 1975 г. для батареи космического применения. Большая их часть до 1972 г. взята из работы Вольфа. Горизонтальные линии в правом верхнем углу -предельные значения КПД при условиях освещения АМО и АМ1, которые можно реализовать на практике
нилась, и многие устройства, включая концентраторные системы на основе GaAs и различные тонкопленочные солнечные элементы, возможно, окажутся конкурентоспособными по сравнению с солнечными, использующими монокристаллический кремний.
В последние несколько лет наблюдается тенденция улучшения характеристик серийно выпускаемых кремниевых солнечных элементов, главным образом за счет уменьшения потерь носителей заряда, рожденных коротковолновой частью солнечного спектра в переднем слое и-типа проводимости, увеличения напряжения холостого хода Voc (путем варьирования уровней легирования) и повышения радиационной стойкости.
В книге не ставится цепь подробно изложить историю развития технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Читатель, интересующийся этим вопросом, может получить подробные сведения об этом из соответствующих статей [Wolf, 1972; Smits, 1976]. Тем не менее следует отметить несколько значительных этапов в усовершенствовании элементов: создание ’’стандартного” солнечного элемента на основе р-л-структуры (т]s = 10,4% в условиях АМО); фиолетового элемента (t?j = 14%); CNR-элемента фирмы Comsat с не отражающей свет тексту-рированной поверхностью (щ = 16%). Следующий этап в технологии — создание BSF-элементов с электрическим полем вблизи тыльной по-
146
верхности, снижающим потери носителей заряда у этой поверхности. Такая идея появилась в 1960 г. [Dale, Rudenberg, 1960], но ее практическая реализация была осуществлена лишь в 1972 г. [Mandelkorm, Lamneck,
1972].
На примере фиолетового элемента, созданного фирмой Comsat [Lind-mayer, Allison, 1973], можно продемонстрировать направления указанных усовершенствований. В этом элементе существенно повышена чувствительность к голубой и фиолетовой частям солнечного спектра за счет уменьшения толщины диффузионного лицевого слоя и-типа до 0,1—
0,2 мкм и увеличения времени жизни неосновных носителей заряда в этом слое.
В предшествующих конструкциях диффузия атомов Р до глубин около 5 мкм сопровождалась образованием так называемого мертвого слоя толщиной около 0,1 мкм, в котором концентрация атомов достигала предела растворимости в кремнии, а время жизни не превышало примерно 10"10 с.
Более того, предполагали, что дислокации из мертвого слоя проникают в область обеднения, образуя в ней дополнительные рекомбинационные центры1. Хотя эти центры и не оказывают заметного влияния на JL, однако увеличивают рекомбинационный ток в области пространственного заряда, повышая тем самым диодные потери в точке максимальной мощности. Таким образом, устранение мертвого слоя в фиолетовом элементе косвенно приводит к значительному увеличению коэффициента заполнения ff и напряжения холостого хода Voc. В связи с увеличением диапазона спектрального отклика в фиолетовом элементе (спектральная чувствительность в коротковолновой области спектра начинается с 0,35, а не с 0,45 мкм, как в предшествующих элементах) просветляющие покрытия SiOx или ТЮ* заменены на Та2 05.
Наконец была предложена новая конструкция контактной сетки для компенсации более низкой проводимости утонченного л-споя. Дальнейшее повышение КПД на принципиально новой основе достигнуто в элементе с неотражающей поверхностью, созданном фирмой Comsat (см. разд. 4.4.4).
Принципы работы и технология изготовления кремниевых солнечных элементов рассмотрены в фундаментальных обзорах Брандхорста и Холла. Расчет предельного КПД кремниевого элемента выполнен Вольфом2.
1 Эта точка зрения спорна; в настоящее время считается, что свойства мертвого слоя связаны с фосфорно-вакансионными парами, различными фазовыми включениями и оже-рекомбинацией.
2 В дополнительном списке литературы даны ссылки на статьи и книги, содержащие сведения о работах советских авторов, выполненных в те же годы, в частности
о таких приоритетных разработках, как создание стойких в условиях многократного термоциклирования кремниевых солнечных элементов, прозрачных в ИК-области спектра, успешно испытанных на борту межпланетных автоматических станций ’’Венера” и кремниевых солнечных элементах с двусторонней чувствительностью. -Прим. ред.
147
Физические и электронные свойства Si*1
Кристаллическая решетка.......................... Кубическая
