Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
*6 Идеальный случай, A = 1.
чения J0. В табл. 5.2 приведены значения диодных коэффициентов А и обратных токов насыщения J0 для различных солнечных элементов, а также значения, рассчитанные исходя из параметров уже известных ранее материалов. На основе модели Саха—Нойса—Шокли и модели Чу Ховелом был проведен анализ механизмов переноса заряда через р- л-переход и рассчитаны предельные КПД для различных солнечных элементов на основе GaAs [Hovel, 1973].
Улучшать характеристики генетроструктурных солнечных элементов можно несколькими путями.
1. Уменьшая толщину широкозонного окна - р+-слоя. На рис. 5.8 представлены результаты расчетов по влиянию уменьшения толщины \Хр - Хр\ широкозонного окна — фильтра в условиях АМО, из которых следует, что ее значение должно быть как можно меньше, пока зто позволяет сопротивление растекания. Эти результаты, конечно, сильно зависят от выбранного соотношения Al/Ga и толщины воздушной массы. Влияние толщины слояр*-AlGaAs на rjs показано на рис. 5.9.
2. Оптимизируя толщину p-слоя. Влияние изменения толщины d = = |Хр+ - хр\ p-слоя на увеличение числа фотогенерированных носителей и их собирание показано на рис. 5.10. В случае больших значений Ьп при d ъ 1 мкм наблюдают широкий максимум (параметры материалов
203
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 hy, эВ 12 3 4 Л, мкм
Рис. 5.8. Расчетные зависимости коэффициента собирания T]q солнечных элементов со структурой AlxGaj_x As - GaAs от энергии hv фотонов при различных толщинах D слоя AlxGaj_xAs; d = \хр-хр\ = 1 мкм; Wj = 0,01 мкм; S(xp+) = 106 см/с; S(x'p) =• 104 см/с; Ln = 0,5 мкм в слое AlGaAs; Ln = 5,0 мкм в слое р-GaAs; Lp = = 1 мкм в подложке л-GaAs; х = 0,86 [Shen,/ California, Stanford. Thesis, Dep. Electr. Eng., 1976]
Рис. 5.9. Расчетная зависимость Jsc от толщины d слоя р-GaAs в условиях освещения AM0. Использовали те же параметры, что и на рис. 5.8; кроме того, сделано предположение, что Voc = 1,0 В и//= 0,8 [Shen/ California, Stanford. Thesis, Dep. Electr. Eng., 1976]
Рис. 5.10. Расчетная зависимость/sc от толщины d слоя р-GaAs при различных значениях Ln (в условиях освещения AM0). Использованы такие же параметры материалов, что и на рис. 5.8 [Shen/ California, Stanford. Thesis, Dep. Electr. Eng., 1976]
0 0,5 1,0 1,5 2,0 d, мкм
такие же, как и в предшествующих расчетах1). При расчетах по оптимизации КПД солнечных элементов, предназначенных для работы в кон-центраторных системах, на графике щ от d также имел место широкий максимум при d ^ L „/4.
3. Оптимизируя уровень легирования. Путем варьирования уровня легирования п- и р-областей при сохранении высоких значений Ln вр-слое можно добиться максимальных значений Voc. В случае р-и-переходов, в которых перенос носителей осуществляется по рекомбинационно-генерационному механизму, зта оптимизация включает подбор значения Wd с учетом влияния уровня легирования в квазинейтральной области на время жизни в обедненном слое. Была рассмотрена зависимость т?5 от уровня легирования квазинейтральной п- области в солнечных элементах, протекание тока в которых определялось рекомбинационно-генерационным механизмом, и поэтому предположили, что время жизни носителей в обедненном слое зависит от значения тр в квазинейтральной п- области [Sekela е. а., 1977].
В этом случае значение Jo увеличивается почти пропорционально росту толщины p-слоя (если в переносе зарядов доминирует вклад Jon) > как показано на рнс. 5.6, и поэтому изменение Voc с ростом толщины мало.
204
Расчеты показали, что оптимальное значение ND лежит в интервале 1016-1017 см-3, в котором отсутствует сильная зависимость т?5 от ND. На основе имеющихся материалов можно изготовить солнечные элементы с tjs ? 22% в условиях освещения АМО без учета затенения токосъемной сеткой и потерь на оптическое отражение. В солнечных элементах, где доминируют механизмы инжекции и диффузии носителей, возможности оптимизации шире, причем могут оказаться более выгодными высокие уровни легирования.
Одним из существенных достоинств солнечных элементов на основе GaAs является лишь незначительное уменьшение КПД с ростом температуры. В большинстве случаев наблюдают монотонное уменьшение КПД на 0,033% на каждый градус (например, при уменьшении температуры на 1°С КПД уменьшается от 20 до 19,967%), как это следует из рис. 3.23.
5.2.4. Концентраторные солнечные элементы AlGaAs — GaAs
При высоких степенях концентрации, выгодных при наземном использовании солнечных элементов на основе GaAs в концентраторных системах, требуется другая процедура оптимизации. Поскольку КПД, как правило, возрастает с увеличением интенсивности светового потока (рис. 5.11), эффективнее использовать потоки при степенях концентрации 103 и выше.
Основная проблема, возникающая при больших степенях концентрации — эффективное собирание тока, требующее, чтобы Rs не превышало 10 Ом-см. Слой AlGaAs играет основную роль в собирании тока, поэтому необходим некоторый компромисс между его слоевым сопротивлением (толщиной и удельным сопротивлением), расстояниями между токосъемными полосками и количеством света, прошедшего через него. Критичен также характер рисунка токосъемной сетки, а многие другие параметры — контактное сопротивление, ширина токосъемных полосок, их толщины и расстояния между ними, сопротивление общего токосъема — должны быть надлежащим образом оптимизированы.
