Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
В солнечных элементах на основе GaAs эффект Дембера проявляется незначительно (ЭДС Дембера менее 1 мВ), поскольку концентрация фотогенерированных носителей (около 2-1013 см-3 при С= 103) мала по сравнению с концентрацией основных. Тем не менее в конструкциях элементов, работающих при интенсивных световых потоках, свет падает со стороны p-слоя и поэтому ЭДС дембера суммируется
Рис. 5.11. Расчетная зависимость КПД солнечного элемента на основе структуры AlGaAs - GaAs, выращенной методом жидкофазной эпитаксии, от степени концентрации С солнечного излучения (при АМ1) для различных значений последовательного сопротивления
205
206
Таблица5.3. Параметры и характеристики ряда концентраторных солнечных элементов AlGaAs-GaAs
Тип элемента Слой Aljf Ga 1-х As Слой р-GaAs База и-GaAs
X D, мкм Na,см Легирую- d, щая примесь МКМ Na, cm” Легирую- Ln щая примесь , мкм Njy, см 3 Легирующая примесь ¦ Lp, мкм
Van der Plas е. а., 1978* Ewan е. а., 1978* 0,93 >0,9 1,2 10 5 -1017 Mg 1,2 SIO18 Be 7 -101 7 Mg 4 Be 7 -1017 Sn 2-1017 Sn 4 2 (рас-
четное
Sahaie.a., 1978** - 0,05 3-1018 Be 2 21018 Zn 5 - значе- ние)
Параметры конструкции Фотоэлектрические параметры
Тип элемента Rs, Ом Расстояние между токосъемными полосами, мкм Степень концентрации С Лс, о А/см ; Гое, В %,% Т, °С Jgc, нормированное к С= 1(100, мВт/см2) T?S при других значениях С, %
Van der Plas е. а., 1978* Ewan е. а., 1978* Sbhaie. а., 1978** 0,01 0,02 62 250 90-100 945(АМ1,5) 1006(АМ1) 178(АМ2) 20.7 23.7 4,35 1.14 1,1» 1,07 23 20 24,7 50 50 25.6 23.6 ~ 31 22.3 (С=197) 20.3 (С=440)
* Слой р-GaAs диффузионный.
** Слой р-GaAs эпитаксиальный.
Далее будут рассмотрены три современные конструкции элементов, изготовленных методом жидкофазной эпитаксии, КПД которых при высоких степенях концентрации превышают 20% [Van der Plas е. а., 1978; Ewan е. а., 1978; Sahai е. а., 1978]. По-видимому, главное отличие между ними — толщина слоя AlGaAs: 1,2 мкм [Sahai е. а., 1978; Van der Plas е. а., 1978]; 10 мкм [Ewan е. а., 1978] и 0,05 мкм [Sahai е. а., 1978]. Во всех типах элементов х ^ 0,9. Параметры и характеристики этих элементов представлены в табл. 5.3.
В солнечном элементе [Sahai е. а., 1978] слой AlGaAs толщиной 0,05 мкм используется только для снижения скорости поверхностной рекомбинации, а не для токосбора. Значение Jsc (около 31 мА/см2 при нормировке к С = 1 и мощности падающего солнечного излучения 100 мВт/см2) у него выше, чем в [Ewan е. а., 1978] (около 23,4 мА/см2 при С= 1) или [Van der Plas е. а., 1978] (около 25,7 мА/см2 при С= 1), по-видимому, из-за различия в толщине слоя AlGaAs.
В элементе, сконструированном Сахи, токосъемная сетка контактирует непосредственно с р-GaAs минуя слой AlGaAs, и поэтому снижается контактное сопротивление. Однако скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела металл— р-GaAs значительно выше, и это обусловливает, по-видимому, повышение J0, несмотря на малую площадь контакта. С этим связано некоторое снижение Voc в этих элементах по сравнению с теми, где токосъемная сетка контактирует со слоем AlGaAs.
Слои р-GaAs во всех трех типах предложенных элементов близки по толщине. В качестве легирующих примесей использованы атомы Be, Mg или Zn. Диффузионные длины неосновных носителей Ln - 4-S-5 мкм.
Наименьшим последовательным сопротивлением обладают солнечные элементы конструкции Джеймса, в которых между металлизацией и слоем широкозонного окна AlGaAs расположен слой p+-GaAs. С помощью этого дополнительного слоя контактные сопротивления снижены до 10~s—10~4, а полное последовательное сопротивление изменяется в пределах от 4-10"5 до 4-10"4 Ом-см2.
Характеристики всех трех предложенных типов концентраторных солнечных элементов, в особенности последнего, почти совпадают с расчетными значениями, полученными с помощью ЭВМ.
5.2.5. Солнечные элементы на основе GaAs для космических энергетических установок
Солнечные элементы из арсенида галлия перспективны для применения в космосе, где определяющими характеристиками становятся отношение мощности, вырабатываемой элементом, к его весу и радиационная стойкость. К 1980 г. одни группы элементов изучали в условиях, приближенных к космической радиационной обстановке, а другие прошли испытания непосредственно в космосе. Оказалось, что солнечные элементы из арсенида галлия более радиационно стойкие, чем кремниевые, хотя степень их радиационной стойкости в большей мере зависела от условий изготовления, чем в случае Si [Loo е. а., 1978]. Снижение КПД в арсе-нид-галлиевых элементах под воздействием радиации соответствует вы-
207
водам, полученным при моделировании аналогичных процессов в Si [см (7.7)].
Существует ряд методов для минимизации или снижения последствий радиационных повреждений. Отжиг после радиационного воздействия (например, при температуре 200° С в течение 30 ч) приводит к восстановлению большей части потерянной эффективности [Walker, Conway, 1978]. В фотопреобразователях с переменной шириной запрещенной зоны за счет тянущих полей слабее ощущается снижение Ln под влиянием такого воздействия. Детальный анализ структур с двумя ширинами запрещенной зоны указал на существенное возрастание радиационной стойкости подобных структур [Hutchby, 1978]. Этот вывод в особенности важен для фотопреобразователей, содержащих слой AlGaAs, поскольку создание переменной ширины запрещенной зоны легко осуществимо в процессе выращивания AlGaAs методами жидкофазной эпитаксии или химического осаждения из паровой фазы.
