Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
* 6 Основаны иа расчетах Вольфа при Г)q = 1.
Спад коэффициента собирания при высоких энергиях фотонов обусловлен потерями в и-области элемента из-за высокой скорости рекомбинации в объеме и на поверхности. В результате улучшения параметров «-области удалось увеличить коэффициент собирания до 85% и выше при энергии фотонов 3 эВ. Очевидно, что уменьшение Jsc связано также
170
1,0
I I I I I I
1
1,2 2,0 2,8 3,6 Энергия (ротонов, эВ
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Энергия (ротонов, эВ
Рис. 4.16. Расчетные спектральные зависимости внутренних коэффициентов собирания Si л — р- элемента, показывающие вклад каждой из трех областей элемента в полный коэффициент собирания. Скорость поверхностной рекомбинации около 104 см/с:
1 - полный коэффициент собирания; 2 - базовый слой; 3 - диффузионный слой; 4 - слой обеднения
Рис. 4.17. Экспериментальные спектральные зависимости коэффициента собирания для типичных кремниевых солнечных элементов с р— л-переходом:
1 - для типичного элемента с КПД = 13,7% при АМ1; 2 — при АМО в случае тек-стурированного элемента, предназначенного для космического применения. Потери на отражение и затенение при построении этой зависимости не учитывали; для этого элемента Jsc = 42 А/см2. Данные по этому элементу предоставлены Solarex Corp., Rockville, Maryland
с потерями, обусловленными отражением света поверхностью элемента. Пути повышения Voc рбсуждаются в 4.5.3.
4.4.4. Текстурированный элемент
Описываемый текстурированный или не отражающий свет элемент Comsat — Comsat nonreflecting cell—CNR — пример солнечного элемента совершенной конструкции.
Его лицевая сторона текстурирована, т. е. преобразована в трехмерную поверхность, содержащую маленькие пирамидки высотой 1—2 мкм (рис. 4.18), которые образуются, например, при травлении поверхности (100) Si в анизотропном травителе, содержащем 2—3% NaOH. В этом случае появляются четырехгранные пирамиды, ограненные плоскостями (111), с углом при вершине 70,5°. После формирования текстурирован-ной поверхности проводят диффузию фосфора и осаждают лицевой сетчатый токосъем состава Ti - Pd - Ag.
Текстурированная поверхность выполняет две задачи: снижает оптические потери за счет эффекта многократного отражения света от граней пирамид и создает условия, при которых путь прохождения света в элементе не перпендикулярен плоскости р-л-перехода. Второе обстоятельство в среднем приближает область фотогенерации носителей заряда к р- л-переходу, тем самым обусловливая увеличение эффективности собирания t/q носителей, особенно в случае фотонов малых энергий.
171
JS‘
R
0Л
0,2
0
0,3 0,Ь 0,5 0,6 0,7 0,6 0,9 Я,мкм
Рис. 4.18. Траектории световых лучей на идеализированной текстурированной поверхности солнечного элемента при показателе преломления среды и = 1,0 to ngj = 3,8
Рис, 4,19. Зависимость коэффициента отражения от длины волны X нормально падающего света:
1 и 2 соответствуют полированной поверхности без просветления (верхняя кривая) и с просветляющим покрытием Ta2Os интерференционной толщины; 3 и 4 -текстурированной поверхности кремниевого элемента без просветлеиня (верхняя кривая) и с просветляющим покрытием Та2Os
Сравнить просветляющие свойства текстурированной поверхности и плоской поверхности Si без просветляющего покрытия и с Та205 можно, обратившись к рис. 4.19. Нанесение просветляющего покрытия Та205 снижает коэффициент отражения примерно до 2% почти во всем полезном диапазоне длин волн. Увеличение светового пути в элементе в результате падения света под углом к плоскости р —и-перехода эквивалентно эффективному увеличению коэффициента поглощения света (например, при X = 0,9 мкм величина aeff возрастает с 300'1 для нетекстурированной до 420 см'1 для текстурированной поверхности). У текстурированного элемента Jsc = 46 мА/см2 при AM0, т. е. на 10-15% выше, чем у лучшего фиолетового элемента.
4.5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
4.5.1. Радиационные эффекты
Деградация солнечных элементов под воздействием высокопроникающей радиации — основная проблема при использовании их в космосе; без специальных мер защиты элемент, пронизываемый интенсивными потоками частиц, полностью деградировал бы в течение нескольких дней. Поскольку энергетическое питание почти всех космических аппаратов осуществляется с помощью солнечных элементов, эта проблема вызывает особую заботу разработчиков солнечных батарей. Основным проявлением радиационного повреждения является увеличение концентрации дефектов в полупроводнике, которое обусловливает уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда и как неизбежное следствие — снижение КПД солнечного элемента. Максимально допустимые пределы радиационного повреждения зависят от концентрации и типа легирующей примеси, и значительное расширение этих пределов возможно с помощью удачных конструктивных решений.
Магнитное поле Земли формирует вокруг нее пояса повышенной радиации, тип частиц в которых и диапазоны их энергий приведены в табл. 4.3.
172
Таблица 4.3. Характеристики корпускулярной радиации1
Тип радиации Энергия, кэВ Поток, см-2- с-1 Ч
