Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
В принципе можно изготовить элементы с коэффициентом отражения от тыльной поверхности около 0.8, однако по ряду соображений этого не делают [Wrigley, 1977]. В опытном производстве получены элементы с КПД = 14,3% при АМО и отношением полезной мощности к весу
185
1250 Втр/кг [Lindmayer, Wrigley, 1976; Scott-Monsk, 1978]. Поскольку область рекомбинационных потерь тоньше, эти элементы имеют повышенную радиационную стойкость к воздействию частиц высокой энергии.
4.6.4. Другие направления
Для снижения стоимости изготовления применяют поликрист аллиЧе-ские структуры. Изготовленные из них солнечные элементы, как правило, имеют более низкие КПД, но при их производстве исключается большое число технологических операций. Такая технология применима не только к кремнию, но и к другим материалам и будет детально рассмотрена в гл. 6. Солнечные элементы на основе барьеров Шоттки, структур металл-окисел—полупроводник и металл—диэлектрик—полупроводник имеют более высокую чувствительность в голубой части спектра и не требуют проведения процессов диффузии при их изготовлении (наличие границ зерен в поликристаллических материалах усложняет контроль диффузионных процессов). Эти проблемы более подробно освещены в гл. 2. Здесь же речь пойдет об элементах, близких по конструкции к солнечным, изготовленным из монокристаллического кремния. Для снижения цены монокристаллов Si вместо традиционных способов выращивания используют метод направленной кристаллизации. Материал, изготовленный таким образом, имеет поликристаллическую столбчатую струк-туру. Солнечные элементы, изготовленные из пластин, вырезанных по нормали к оси столбчатых кристаллов, в случае большого размера зерна близки по параметрам к элементам из монокристаллического материала. При среднем размере зерна, превышающем несколько миллиметров, для элементов, измеренных в условиях АМО, T}s ^,12% [Fischer, Pschunder, 1976; Fischer, 1978]. Была получена интересная зависимость между rjs и размером зерна [Fischer, 1978] (рис. 4.27) элементов с КПД до 16% (приАМ1) [Lindmayer, 1978а].
Среди других попыток использования поликристаллических материалов — нанесение слоев p-Si методом химического осаждения из паровой фазы сначала на подложки из крупнозернистого металлургически чистого кремния, из керамики и металлов, а затем нанесение эпитаксиальных слоев и-типа проводимости. В полученных таким способом солнечных элементах КПД изменяется в диапазоне от 6 до 10,6% (при условиях освещения AMI) [Chu е. а., 1978; Robinson е. а., 1978].
Получение тонкого диффузионного слоя в поликристаллическом материале сопряжено с проблемой быстрой диффузии легирующей примеси
Рис. 4.27. Зависимость КПД (T)s) солнечного элемента при АМ1 от размера И' зерна немонокристаллического материала. Расчет выполнен для элемента со структурой п*- р при Рр = 5 Ом-см:
1 прн наличии изотипного перехода у тыльной поверхности; 2 — S - оо на тыльной поверхности
вдоль границ зерен. Если все границы зерен нормальны плоскости солнечного элемента, то это можно использовать для создания многопереходного элемента с вертикальным р- л-переходом (например, показанного на рис. 4.24). При более разупорядоченной ориентации границ зерен предпочтительнее другие способы создания барьеров. Среди них: осаждение слоев прозрачного металла (и диэлектрика) с целью создания барьера Шоттки или структуры металл—диэлектрик —металл и ионная имплантация, при которой мала диффузия по границам зерен. Солнечные элементы на основе МДП-структуры просты в изготозлении, отличаются высокой чувствительностью в голубой части спектра и при использовании поли-кристаллического материала имеют КПД до 10,5% (при AMI) [Green е. а., 1978].
Одно из направлений разработок — это создание солнечных элементов из монокристаллов Si для концентраторных систем со средней степенью концентрации (менее 300). Модификация конструкции этих элементов направлена на уменьшение последовательного сопротивления (за счет оптимизации рисунка токосъемной сетки, снижения контактных и удельного сопротивлений материалов), улучшения теплоотвода и повышения КПД (даже за счет возрастания стоимости элементов, поскольку она для концентраторной системы снижается обратно пропорционально КПД элемента). Для реализации потенциальных возможностей подобных элементов особо важным является снижение поверхностей рекомбинации неосновных носителей на тыльной поверхности [Hu, Drowley, 1978]. При концентрациях, соответствующих освещению 400-кратным солнечным потоком, КПД кремниевых солнечных элементов достигал 17%, а при 500-кратном освещении предполагают достичь уровня 20% [O’Donnell е. а., 1978].
4.7. ЭКОНОМИКА И НОВЫЕ ИДЕИ
Для широкого использования фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в наземных условиях необходимо дальнейшее снижение стоимости солнечных элементов, которое можно достичь за счет решения проблем по следующим направлениям: исходные материалы; очистка; технология; новые идеи.
Первые три из них относятся в основном к опыту промышленного производства, где достижение достаточно больших объемов выпуска — критический фактор снижения цены. По этой причине министерство энергетики США и Европейское экономическое сообщество (ЕЭС) специально стимулировали исследования и разработки в области фотоэлектрического преобразования энергии, в частности создание заводов по производству солнечных батарей и проведение демонстрационных испытаний в полевых условиях, что уже само по себе расширяло рынки сбыта солнечных элементов. Новые идеи, несмотря на их непредсказуемость, могут привести к еще более значительному снижению цен.
