Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Ожидают, что в результате оптимизации эффективность преобразования солнечной энергии этими, элементами при высоких концентрациях будет значительно выше, чем традиционными. Однако при этом возникает проблема снижения дополнительных рекомбинационных потерь. Дня ее решения необходимо, чтобы диффузионная длина неосновных носителей заряда была больше, чем толщина каждого и-слоя, а это в свою очередь предполагает выбор кремния с более высоким удельным сопротивлением, нежели требуется для получения максимального значения Voc.
Поскольку полный ток всего элемента определяется минимальным током отдельного элемента, входящего в стопку, необходимо обеспечить однородность освещения; зто условие создает дополнительные сложности в случае концентраторных систем.
Гофрированный ВМП-элемент (иногда его называют вертикальным многопереходным элементом с вытравленными канавками) специально создан с целью повышения радиационной стабильности и использования в концентраторных системах [Frank, Goodrich, 1980]. Показанные на
1 Советские исследователи резко увеличили КПД ВМП-элементов с помощью дополнительного горизонтального р - л-перехода и благодаря конструкции, использующей алюминиевые контакты н легированные алюминием слои, полученные зонным плавлением кремния после нанесения контактных полос из алюминия иа внешнюю поверхность элементов. Ссылки на соответствующие работы советских авторов даны в дополнительном списке литературы. - Прим. ред.
183
поперечном сечении элемента (рис. 4.24) канавки, ширина которых обычно 7-50, а глубина 150 мкм, созданы путем травления. Скошенные углы на дне канавок служат ловушками для света и автоматически выполняют функции просветляющего элемента по аналогии с конструкцией текстурированного солнечного элемента.
На таких элементах в условиях АМО экспериментально были получены следующие результаты: КПД 13% и Jsc = 40 мА/см2 [Lindmayer, Wrigley, 1976]. Из рис. 4.25 следует, что спектральная чувствительность элементов в красной области спектра выше, чем у обычных кремниевых солнечных элементов. Конечно, и в этом случае сохраняются проблемы, связанные с необходимостью уменьшения последовательного сопротивления Rs и созданием сетчатого токосъема, занимающего небольшую часть поверхности.
4.6.2. Тандемный солнечный элемент1
Интересную конструкцию имеют так называемые тонкие тандемные элементы на основе структуры с р-л-переходом [Chiang е. а., 1978а, 1978b]. В этих элементах на тыльной стороне попеременно расположены л+- и р+-контакты, а на лицевой стороне — дополнительный и+-слой, который может быть изолирован или иметь контактный вывод (рис. 4.26). Лицевая поверхность элемента текстурирована, а вблизи
Рис. 4.26. Тандемный солнечный элемент. Степень покрытия тыльной поверхности слоем я+-типа — 80%; р*-типа — 15% [Chiang, Carbajal, Wakefield// Ргос. 13th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., 1978]
тыльного контакта созданы изотипные переходы. Кроме того, за счет, соответствующей технологии изготовления тыльного контакта максимально увеличен коэффициент отражения света от тыльной поверхности, и поэтому непоглощенный свет может после отражения снова пройти через поглощающий слой. Собирание носителей заряда на тыльной по-
1 Этим термином иногда обозначают также конструкцию солнечного элемента, составленного из элементов с различными ширинами запрещенных зон, хотя ее правильнее называть каскадной.
184
Таблица 4.4. Характеристики тандемных солнечных элементов
— 2 " Толщина IV, Jsc, А/см мкм Voc, в Примечание
50 47 0,73 20 Практически достижимые значения
(расчет)
90 46 0,57 - Лицевой и тыльный контакты соеди-
нены (эксперимент)
110 43 0,572 13,5 Подсоединен только тыльный контакт
(эксперимент)
верхности обеспечивает значительное уменьшение потерь, связанных с рекомбинацией на тыльной поверхности.
Максимальный КПД получается при соединении лицевого и тыльного контактов, однако лицевой контакт может быть изолирован и находиться под плавающим потенциалом Voc, снижающим эффективную скорость рекомбинации на лицевой поверхности [Landis, 1981].
Суммарный рекомбинационный ток в поглощающем слое пропорционален интегралу J U(x)dx, и частично из-за отражения света от тыльной х
поверхности ток Ji этого типа солнечного элемента увеличивается с ростом толщины W, что совершенно не похоже на асимптотическое насыщение зависимости от W в обычных солнечных элементах. Характеристики тандемного солнечного элемента, изготовленного из кремния с удельным сопротивлением 2,7 Ом, в условиях освещения АМО, приведены в табл. 4.4.
Потенциальные преимущества тонких тандемных солнечных элементов — зто отсутствие потерь, характерных при наличии лицевой токосъемной сетки, что делает их идеальными для концентраторных систем, более высокий показатель отношения мощности к весу и упрощение монтажа элементов в модули благодаря межэлементным соединениям на одной стороне элемента.
4.6.3. Тонкие солнечные элементы
Конструкции этих элементов оптимизированы с целью достижения максимального показателя отношения мощности к весу. После резки слитка пластины утончают до толщины 50—60 мкм путем травления в горячем растворе NaOH. Подбором времени и температуры процесса, сопровождающегося образованием сплава алюминия на тыльной поверхности элемента, добиваются оптимального коэффициента отражения длинноволнового света, что способствует вторичному его прохождению в элементе. Конструкции, использующие этот эффект, называют солнечными элементами типа BSR с отражающим зеркалом на тыльной поверхности [Rasche.a., 1980; Chai, 1980].
