Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Протоны (l-i-5) 103 108 10'6
(20-^200)-103 104 10"7-10_s
Электроны (1Н-2)103 10s 10_1,-10-9
1-100 108 10~12-10 "
а-частицы поглощаются защитным стеклом.
Плотности потоков Ф и энергии частиц сложным образом зависят от их положения относительно Земли (рис. 4.20), и движение частиц не всегда можно считать изотропным. Кроме того, необходимо учитывать возникновение коротких интенсивных всплесков радиации во время солнечных вспышек. В результате проявления солнечной активности в августе 1972 г. коэффициент полезного действия обычных панелей солнечных батарей снизился на 2—5% по отношению к значению до солнечных вспышек.
Проникшая в полупроводник частица высокой энергии создает многочисленные нарушения кристаллической решетки: вакансии, междоузель-ные атомы, скопления дефектов и различные вакансионно-примесные комплексы. При количественном рассмотрении влияния радиации на де-фектообразование предполагают, что концентрация радиационных дефектов Nr, проявляющих себя в качестве эффективных рекомбинационных центров, линейно зависит от дозы: Nr = К0 Ф, где К0 — число центров, создаваемых на 1 см пути пробега каждой частицей, и Ф — суммарный по
ю"
Рис. 4.20. Энергетические спектры суммарных потоков протонов и электронов во внутренней магнитосфере Земли (вплоть до 10 земных радиусов) . Параметр L называют оболочкой Мак-Илвана (L приблизительно равна одному земному радиусу):
1 - вспышка, август 1972 г.; 2 - галактическое излучение
10я -10*
- 10*
\
0
1 юе 10s
!«--
5 г
| 10* -
1 102 а
‘о >
101
L=3,0
10’
10'
101 10г
-----Протоны
¦-----Электроны
Энергия частиц, эВ
173
времени поток. В зависимости от вида и энергии излучения значение К0 варьируется в пределах от 10”3 до 102 см-1 и соответствует диапазону изменений сечений столкновений (10-38-1СГ23 см2) или интервалу вероятностей дефектообразования на одну прошедшую частицу (1(Г6— 10"1 для кремниевого элемента обычной толщины). Конечно, длина пробега частицы в полупроводнике зависит от ее массы и энергии; протоны низких энергий поглощаются слоем толщиной всего лишь несколько микрон, а электроны высоких энергий легко проходят через весь элемент, оставляя дефектный след на своем пути.
Как правило, не изучают подробно кинетику рекомбинации, определяемую отдельным типом дефектов, а интересуются суммарным изменением времени жизни г носителей заряда. Поэтому воздействие рядиягрга обычно прослеживают с помощью формулы
1/г= (1/т0) +КТФ, (4.6)
где т0 — время жизни до образования радиационных дефектов и — коэффициент, характеризующий изменение времени жизни при образовании радиационных дефектов1. Аналогично воздействие радиации на диффузионную длину L неосновных носителей заряда можно описать выражением
1/L2 = (ЦЦ)+КЬФ, (4.7)
где L0 — диффузионная длина до образования радиационных дефектов и KL — коэффициент, характеризующий изменение диффузионной длины при образовании радиационных дефектов. Значения KL указаны в табл. 4.3.
Указанный подход дает хорошее совпадение с экспериментальными результатами для п-р- и р - «-кремниевых солнечных элементов (рис. 4.21). Удобной мерой радиационной стойкости является критический поток Фс, снижающий на 25% исходное значение КПД солнечного элемента. Для типичного кремниевого солнечного элемента в случае электронной бомбардировки KL 1СГ10-НСГ9; Фс — 10|3т1015 см-2, в случае протонной бомбардировки^ — 1СГ7-ИСГ5; Фс = 109-Н012 см-2. Экспериментальные результаты, как оказалось, точнее можно описать следующим соотношением [Bernard, Mottet, 1976]:
(L0/L)2 -1 = (К'ьФ)п, (4.8)
где п «0,7.
Ввиду того что ди > цр и, следовательно, диффузионная длина фото-генерированных электронов в материале p-типа больше, чем дырок в материале «-типа, солнечные элементы с «— р-структурой более стойки к радиации. Кроме того, радиационная стойкость снижается при увеличении степени легирования базовой области. Предполагают, что легирующая примесь легко вступает во взаимодействие с радиационными дефек-
1 В случае моноэнергетического центра с сечением рекомбинационного захвата О и вероятностью заполнения Pr Kr - (Jv^PfKo.
174
Рис. 4.21. Зависимость диффузионной длины L неосновных носителей заряда от интегрального потока Ф электронов с энергией 1 МэВ:
1 - ’’голубой” п -р-элемент; 2 - обычный р — «-элемент; 3 — ’’голубой” р-п-элемент
тами, образуя рекомбинационные центры, а повышение степени легирования увеличивает вероятность образования таких центров. В этом смысле p-область, легированная алюминием, более радиационно стойка, чем /?-область, легированная бором.
Обнаружены также различия в радиационной стойкости материалов, выращенных методом зонной плавки и методом Чохральского, которые связывают с относительно высокой концентрацией кислорода в кристаллах. Хотя исходные значения КПД в солнечных элементах, полученных на кристаллах, выращенных методом зонной плавки, выше, значение Фс больше в случае применения кристаллов, полученных способом Чохральского [Pschunder, Fischer, 1976].
В элементах на основе материалов, полученных зонной плавкой, наблюдают эффект фотонной деградации после кратковременного (в течение примерно 24 ч) освещения элемента, предварительно подверженного корпускулярному облучению1. Введение в кристаллы, выращенные зонной плавкой, примесных атомов О или С [Pschunder, Fischer, 1976] ,'или
