СОЛНЕЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Солнечный преобразователь или солнечный фотоэлемент, представляет собой полупроводниковый прибор, преобразующий оптическое солнечное излучение в электрическую энергию.

Совокупность солнечных преобразователей, объединенных в единой, как правило, плоской, панельной конструкции называется солнечной батареей. Солнечные батареи являются основным источником энергии на спутниках и космических энергоустановках различной мощности.

П

Рис.1

оскольку солнечные преобразователи (СП) предназначены для преобразования солнечной энергии, необходимо стремиться идеально, согласовать их спектральные характеристики со спектром излучения Солнца. На Рис.1 приведено распределение солнечной энергии по спектру: кривая 1 соответствует солнечному спектру в свободном пространстве за пределами атмосферы, т.е. в условиях работы СП на спутниках и космических летающих аппаратах; 2 - солнечный спектр на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените. Для первого случая (кривая 1) полная мощность излучения составляет 1353 Вт/м², для второго - 925 Вт/м².

Рассмотрим основные физические процессы протекающие в солнечном преобразователе.

В

Рис.2

основе устройства обычного солнечного элемента лежит освещаемый р-n переход, работающий без внешнего электрического смещения. В солнечных элементах используется собственное поглощение, при этом на ионизацию одного атома достаточно энергии hv=Ез. Остальная энергия фотонов переходит в тепло. Скорость генерации при удалении от поверхности уменьшается, при этом короткие волны поглощаются в более верхних слоях по сравнению с более длинными. Скорость генерации электронно-дырочных пар в функции расстояния от поверхности солнечного элемента (Рис.2.а) для длинноволнового и коротковолнового излучения приведены на Рис.2.б, где заштрихованная часть соответствует р-n переходу. Поскольку в верхних слоях образуется множество фотоносителей, за счет диффузии они начинают перемещаться в сторону обедненной области перехода, где разделяются внутренним полем р-n перехода. Электроны остаются в n- области, а дырки, для которых поле перехода является ускоряющим, перебрасываются в р- область. Электроны и дырки, появляющиеся в обедненном слое под действием света, выносятся из него сильным электрическим полем перехода, практически не рекомбинируя. Поэтому фототок обедненного слоя, определяется числом фотонов, поглощаемых в этом слое в единицу времени.

Полный фототок, возникающий в фотоэлементе при поглощении света, равен сумме дырочного и электронного токов, протекающих через границы перехода, и дрейфового фототока, рожденного непосредственно в р-n переходе.

Если цепь элемента разомкнута, фотоносители накапливаются в соответствующих областях и компенсируют часть объемного заряда ионов примеси в обедненной области р-n перехода. Потенциальный барьер на переходе уменьшается пропорционально величине компенсации этого заряда, и на выводах элемента возникает напряжение холостого хода Uxx. Это явление называется фотогальваническим эффектом (см. лекцию «Фотодиоды»).

---

Е

Рис.3

сли цепь замкнуть накоротко (Rн=0), в ней потечет ток короткого замыкания Iкз, обусловленный фотоносителями . При наличии нагрузки, т.е. когда Rн не равно 0, в цепи протекает ток меньше Iкз и на Rн создается падение напряжения Uн. Если на освещенный элемент подавать внешнее обратное смещение, к фототоку добавляется обратный ток р-n перехода, т.е. при обратном смещении полный ток равен Iкз+Iобр. При прямых смещениях, больших Uхх, ток инжекции через переход начинает преобладать над фототоком, и освещаемый переход работает как обычный р-n переход.

Существует достаточно много разнообразных конструкций солнечных элементов. Рассмотрим в качестве примера устройство кремниевого солнечного элемента (Рис.3), поскольку эти приборы являются своеобразным эталоном при создании всех солнечных батарей.

Принцип действия СП на p-n переходах

Солнечный элемент, изображенный на Рис.3.а,б состоит из р-n перехода 1, сформированного у поверхности; лицевого (поверхностного) полоскового омического контакта 2; просветляющего покрытия на лицевой поверхности 3; тылового сплошного омического контакта 4. Рис.3.б иллюстрирует структуру полоскового электрода 2 на виде сверху. Недостаток этой конструкции - наличие тени металлических контактов, уменьшающее эффективность прибора, и большой коэффициент отражения света от поверхности элемента.

Одним из лучших по своим характеристикам является солнечный элемент, показанный на Рис.4, где 1 - текстурированная поверхность с повышенным уровнем легирования донорами - n⁺; 2 - р-область элемента; 3 - металлические контакты n⁺ коллектора; 4 - металлические выводы базы. Сверху элемент имеет просветляющее покрытие (на рисунке не изображено). В рассматриваемом элементе отсутствует тень от металлических электродов, и проще реализуются межсоединения элементов, поскольку здесь электроды располагаются на тыловой поверхности. Этот прибор функционирует подобно биполярному транзистору n⁺-р-n⁺ типа с изолированным n⁺ эмиттером, расположенным на текстурированной лицевой поверхности.

Н

Рис.4

еравновесные электронно-дырочные пары, рожденные светом в n⁺ эмиттере (1) или р - базе (2), движутся (подобно обычному транзистору) к n⁺ коллектору и разделяются коллекторным переходом. В n⁺ коллектор поступают электроны, а дырки остаются в р - базе, выводы которой (4) осуществляются че­рез р⁺ области. В этом фотоэлементе вблизи тыловой (нижней на Рис.4) поверхности перед металлическими омическими контактами созданы сильнолегированные полупроводниковые слои р. Между двумя базовыми областями р⁺ и р возникает потенциальный барьер препятствующий выходу электронов из р - области.

В

Рис.5

результате резко снижается скорость поверхностной рекомбинации электронов Si вблизи тыловой поверхности, т.е. уменьшаются потери фотоносителей. Плотность тока короткого замыкания возрастает, повышается и напряжение холостого хода за счет роста Iкз, уменьшения рекомбинационного тока тылового контакта и из-за дополнительного потенциального барьера между р⁺ и р- областями. Таким образом, наличие текстурированной поверхности, уменьшающей потери на отражение, и высоколегированных областей на тыловой поверхности позволяет получить КПД 20% и более.

---

Характеристики и параметры СП на p-n переходах

Для анализа электрической цепи, в которую включен фотоэлемент, используют его эквивалентную схему, которая представлена на Рис.5. Генератор тока Iф определяет генерацию неравновесных носителей за счет облучения светом, диод VD моделирует идеализированный р-n переход, ВАХ которого опис

Рис.6

ывается на Рис.6 (кривая 1); параллельное сопротивление Rу обусловлено токами утечки (в действительности Ry имеет большое сопротивление, поэтому его влиянием на выходную мощность можно пренебречь); последовательное сопротивление Rк определяется в основном сопротивлением высокоомной базовой области. Rк солнечного элемента зависит от глубины залегания перехода, концентрации примесей в n- и р- областях и от конструкции лицевого омического контакта (см. Рис.3). Его влияние очень значительно, даже при значениях, меньших одного ома. Так при Rк=5 0м выходная мощность уменьшается более чем на 30% по сравнению с мощностью при Rк=0.

На Рис.6 проиллюстрировано влияние Rк на ВАХ, там же показан заштрихованный прямоугольник, площадь которого определяет максимальную мощность, производимую фотоэлементом при Rк=5 0м (P = 0,27Вт), и не заштрихованный прямоугольник для мощности при Rк=0 (P = 1Вт).

В реальных солнечных элементах в отличие от идеальных прямой ток может определяться рекомбинацией носителей в р-n переходе, при этом КПД преобразования падает. В кремниевых солнечных элементах при комнатной температуре рекомбинационный ток приводит к снижению эффективности преобразования на 25%.

Повышение температуры также уменьшает эффективность преобразования (КПД) в основном из-за уменьшения Uxx вызванного увеличением обратного тока насыщения Iобр при больших температурах.

ВАХ СП на p – n переходах определяется выражением:

I=Iобр[e^qU/kT-1]-Iф (1)

где Iобр - обратный ток идеального р-n перехода; Iф- фототок.

СП на гетеропереходах

Гетеропереходы представляют собой переходы, которые образуются при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Если верхний слой, на который падает свет, сделать у фотоэлемента из полупроводника с широкой запрещен­ной зоной Ез₁, а нижний - с узкой Ез₂, то при облучении фотонами с энергией Ез₁<hv<Ез₂ они проходят через слой первого полупроводника и поглощаются во втором. Первый слой с широкой запрещенной зоной Ез₂ играет роль оптического окна.

Основные преимущества солнечных элементов с гетеропереходами: 1) повышается спектральный отклик на коротких длинах волн при условии, что hv<Ез₁ и фотоны поглощаются в обедненном слое второго полупроводника; 2) появляется возможность получения низкого последовательного сопротивления за счет сильного легирования верхнего слоя; 3) высокая радиационная стойкость при достаточно толстом и широкозонном верхнем слое полупроводника.

---

Солнечные элементы ALGaAs-GaAs с подложкой

З

Рис.7

онная энергетическая диаграмма солнечных элементов (СЭ) представлена на Рис.7, где слой pAlxGa1-xAs является достаточно толстым (20...30 мкм) (индексы х и 1-х показывают долевой массовый состав каждого компонента, х – лежит в диапазоне от 0 до 1). Для получения указанной структуры СЭ в качестве подложек применяли nGaAs. Толщина диффузионной области pGaAs обычно находилась в пределах 1...3 мкм. Концентрация носителей в pAlxGa1-xAs составила (1..5)-10¹⁸ см^-3.

Параметры солнечных элементов ALGaAs - SaAs с подложкой

Т

Рис.8

ипичная нагрузочная характеристика, измеренная при световом потоке мощностью 1375 Вт/м, представлена на Рис.8. На образцах площадью 2...3 см² получены следующие параметры СЭ: Uхх=0,87...0,95 В, Iкз=15...20 мА/см² и КПД=10...11%.

Такие СЭ с толстым широкозонным "окном" обладают минимальным последовательным сопротивлением. Они могут работать в условиях концентрированного солнечного излучения вплоть до 1000 солнечных постоянных. Дальнейшее усовершенствование технологии изготовления СЭ с толстым "окном", применение просветляющих покрытий и оптимизированной контактной сетки привело к повышению КПД до 21,6%.

Тонкопленочные солнечные элементы (ТСЭ) AlGaAs - GaAs

Тонкопленочные солнечные элементы изготовляются из поликристаллических или неупорядоченных полупроводниковых пленок, нанесенных или выращенных на электрически активных или пассивных подложках (керамика, металл, стекло, пластмасса, кремний и т.д.). Они находят широкое применение из-за низкой стоимости, обусловленной простотой технологией и дешевизной используемых материалов. Однако эти приборы имеют низкий КПД и деградацию характеристик во времени, обусловленные тем, что пока не удается изготовить высококачественные пленки, слабо реагирующие с окружающей средой.

В последнее время в качестве одного из основных материалов для изготовления тонкопленочных солнечных элементов используют аморфный кремний, который называется а-Si. Кристаллический и аморфный кремний сильно различаются. В отличие от кристаллического, аморфный кремний близок по своим свойствам к прямозонному полупроводнику с шириной запрещенной зоны - 1,6 эВ. СЭ на основе гетеропереходов AlGaAs-GaAs являются наиболее эффективными из всех известных в настоящее время. Однако их массовое использование задерживается высокой стоимостью, которая в значительной мере определяется стоимостью монокристаллической подложки GaAs.

Ф

Рис.9

изические процессы, определяющие работу СЭ (генерация и разделение электронно-дырочных пар контактным полем перехода), происходят обычно на глубине порядка нескольких микрометров, поэтому подложка в основном выполняет роль несущей и обеспечивает механическую прочность на различных стадиях изготовления прибора. Наиболее простым путем уменьшения стоимости СЭ на основе AlGaAs-GaAs гетеропереходов является уменьшение расхода пластин GaAs на подложечный материал. Этого можно достигать отделением от подложки готовой струк­туры и многократным использованием подложки для роста ТСЭ.

---

Схематическое изображение не отделенной от подложки структуры ТСЭ представлено на Рис.9.

Здесь слой 2 служит для отделения структуры ТСЭ от подложки путем его травления в плавиковой или соляной кислотах (т.е. одну и ту же подложку можно использовать много раз для выращивания ТСЭ).

Во время роста 4 слоя за счет диффузии цинка формируется рабочий p-n переход в nGaAs (штриховая линия на Рис.9). Слой 6 необходим для обеспечения омичности контакта к pAl_0,6Ga_0,4As. Готовая эпитаксиальная структура (3, 4, 5) с контактами к p- области 7 приклеивается к стеклу 8 при помощи эпоксидной смолы (слой 6).

Параметры ТСЭ.

-

Рис.10

Спектральное распределение фоточувствительности (Q, %) представлено на Рис.10: для 1 – ТСЭ AlGaAs/GaAs; 2 – Si фотоэлемента; 3 – Si фотоэлемента, покрытого ТСЭ AlGaAs/GaAs; 4 – Si фотоэлемента покрытого слоем Al0,25Ga0,76As (d=10мкм);

- Спектры пропускания структур (Т, %) 5-7 – стекло - эпоксидная смола – ТСЭ AlGaAs/GaAs; 8 – стекло – эпоксидная смола – слой Al0,25- Ga0,76As; 9, 10 – стекло – эпоксидная смола – стекло без термоотжга (7,10) и после термоотжига при температуре; 6 – 250 C; 9 - 320 C.

Материалы, применяемые для изготовления СП

Идеальная эффективность преобразования КПД () оптического излучения в электрическую энергию реализуется при таком выборе и изготовлении материала, когда обратный ток будет минимальным, КПД определяется отношением максимальной выходной мощности к мощности падающего излучения. Предельные значения идеального КПД можно получить, если допустить, что потери в фотоэлементе обусловлены только излучательной рекомбинацией.

К

Рис.11

азалось бы, для получения максимального КПД необходимо иметь минимальные значения Iобр и, следовательно, целесообразно использовать полупроводники с возможно более широкой запрещенной зоной. Однако между шириной запрещенной зоны и энергией фотона существуют оптимальные соотношения для каждого реального кристалла. Если hv>Ез, то разность энергий hv-Eз переходит, в основном, в тепло. Кроме того, как видно из Рис.1, в спектре излучения солнца большая часть потока фотонов обладает энергией порядка одного электрон-вольта. С учетом этого на основании проведенных расчетов было показано, что максимальный КПД достигается при Ез=1,35 эВ. На Рис.11 приведена зависимость КПД =f(Ез) для солнечного элемента, расположенного на Земле при Т=300 К и при освещении Солнцем, находящимся под углом 45 к горизонту. Если осуществить тысячекратную концентрацию солнечного света, то максимальный КПД возрастет с 31% до 37%, что связано с увеличением Uxx. Стрелками на рисунке указаны значения ширины запрещенной зоны для некоторых полупроводников – германия Ge, кремния Si, арсенида галлия GaAs и др. В реальных солнечных преобразователях максимальный КПД заметно ниже идеального из-за влияния сопротивления высокоомной базовой области, различных видов рекомбинации, потерь на сопротивление и ряда других факторов. Определяющее влияние на КПД рассматриваемых приборов оказывает квантовая эффективность.

---

Смотрите также файлы

• LEX7.doc

• LEX8.doc

• LEX13.doc

• LEX14.doc

• LEX15.doc