Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
1 После осуществляемого в темноте воздействия облучения частицами, имеющимися в радиационных поясах Земли, кремний, по-видимому, становится восприимчивым к процессам, завершаемым под воздействием света и приводящим к снижению времени жизни. Вероятно, эффект аналогичен фотохимическим реакциям в CdS и других материалах [Tscholl, 1968; 1ш е. а., 1970; Fahrenbruch, Bube, 1974].
175
использование в качестве легирующих примесей Ga или А1 для создания материала p-типа проводимости [Rahilly е. а., 1976] снижает эффект фотоиндуцированных изменений в дефектных комплексах. Аналогичный эффект недавно наблюдали в кремниевых солнечных элементах наземного применения [Weizer е. а., 1978].
Как правило, частицы высоких энергий сильно влияют на и в особенности на фотоотклик в красной области спектра, поскольку эти частицы глубоко проникают в солнечный элемент. Частицы низких энергий, вызывающие нарушения преимущественно во фронтальных слоях элемента, более сильно снижают Voc и спектральную чувствительность в голубой части спектра. Для защиты солнечного элемента от интенсивного потока частиц низкой энергии обычно применяют поглощающие этот поток защитные покрытия из стекла, плавленого кварца, сапфира или некоторых сортов тефлона толщиной около 0,15 мм. Без них солнечные элементы вышли бы из строя через несколько недель.
В 1966 г. для повышения радиационной стойкости было предложено легировать р — «-элементы литием [Berman, 1972]. Атомы Li имеют очень высокую подвижность, при температурах Т > 20-4-50°С дрейфуют в область радиационных нарушений и нейтрализуют электрическую активность радиационных дефектов. С ростом концентрации кислорода его роль в этих процессах возрастает, приводя, с одной стороны, к увеличению времени восстановления до бездефектной структуры, а с другой — к более эффективному залечиванию дефектов и большей стабильности, чем при низких концентрациях. Добавка Li слегка уменьшает исходное значение КПД, но резко увеличивает Фс. До сих пор нет детального объяснения механизма залечивания дефектов в присутствии Li, причем параметры процесса связывают с концентрационными градиентами атомов Li [Faith, 1972] и разностью между концентрацией атомов в объеме материала и концентрацией дефектов. Были изготовлены солнечные элементы, легированные литием, с КПД до 12,8%.
Дрейфовые поля (см. 4.5.2) немного улучшают радиационную стойкость элементов, однако это достигается за счет снижения исходного КПД.
Радиационная стойкость солнечных элементов, изготовленных из прямозонных полупроводников, таких, как GaAs или CuxS (выращиваемых на поверхности слоя CdS), намного выше, чем у кремниевых элементов, из-эа значительно меньшей длины поглощения фотонов в этих материалах1. Повреждения на глубине около 6 мкм от поверхности в случае CaAs или около 2 мкм в элементе на основе гетероструктуры Cu*S - CdS фактически не влияют на КПД.
Естественно, что в случае элементов на основе прямозонных полупроводников становится более критичной защита от протонной бомбардировки с помощью покровных стекол. Значение Фс в фотоэлементах со структурой CuxS— CdS приблизительно в 100 раз больше, чем в кремниевых элементах [Van Aerschodt е. а., 1871]. К сожалению, эффектив-
1 Еще более важную роль в высокой радиационной стойкости этих материалов играет малое исходное значение диффузионной длины неосновных носителей в них,-Прим. ред.
176
ность солнечных элементов на основе CuxS — CdS никогда не достигала уровня, необходимого для их практического использования в космосе. Несмотря на высокую эффективность преобразования солнечной энергии элементами на основе GaAs, к моменту написания книги известно лишь об их использовании на двух советских спутниках и о серии испытаний, проведенных с этими элементами.
4.5.2. Увеличение КПД с помощью электрических полей
В 4.5.1 указано на возможность эффективного увеличения диффузионной длины Leff неосновных носителей заряда в объеме полупроводника с помощью электрического поля, причем - L0 ((е/ес) + 1), где ес = = kT/(qL0) и L0 — диффузионная длина в отсутствие электрического поля. Этот эффект был использован для повышения КПД кремниевых солнечных элементов тремя различными способами: созданием тянущих полей для увеличения Leff в области базового слоя; полей вблизи тыльной стороны элемента для отражения неосновных носителей от нее и тем самым для снижения эффективной скорости поверхностной рекомбинации S на этой поверхности; полей вблизи фронтальной стороны элемента для ускорения носителей, фотогенерированных в лицевом слое, в направлении к р — п-переходу, уменьшения эффективной скорости поверхностной рекомбинации на фронтальной поверхности и снижения рекомбинации в объеме тонкого лицевого слоя.
Разумно использовать тянущие поля в случае элементов, изготовленных из материалов с малой диффузионной длиной L, например из дешевого кремния или поликристаллических, а также в радиационно стойких элементах. Тянущие поля появляются при наличии градиентов концентрации легирующей примеси, например в случае p-базы при наличии градиента концентрации акцепторов NA (х),
