Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Для первого из этих методов можно воспользоваться темновой характеристикой диода, записав ее в виде уравнения прямой в отрезках:
ln (Iп +I0)=ln I0 + q/AKT U.
Это уравнение применяется при расчетах только в случае больших токов (когда Iд>>I0), а также рекомбинационного механизма протекания обратного тока насыщения через p-n-переход, в связи с чем в знаменатель показателя экспоненты в уравнении вводится, как уже указывалось, коэффициент А. Участок больших токов и напряжений (характерных для рабочей нагрузочной точки солнечного элемента) прямой ветви темновой характеристики используется для построения зависимости ln Iд= f(U). Тангенс угла наклона этой прямой равен q∣AKT, а отрезок, отсекаемый на осп ординат, дает значение ln I0.
Имеется еще один метод определения I0 и А в условиях, близких к рабочим условиям использования солнечного элемента. При этом методе световая вольт-амперная характеристика измеряется при нескольких (хотя бы двух) разных плотностях падающего излучения от имитатора Солнца.
Запишем ранее рассмотренные уравнения с учетом падения напряжения на последовательном сопротивлении и рекомбинации в р — м-переходе:
I=I0 (exp (q (U-IRп) /AKT) — 1) — Iφ.
В режиме холостого хода I=0, U=Ux.x, а при Rп=0 фототок Iф можно считать равным Iκ3. Тогда
ln (Iκ 3+I0) = ln I0+qUxx /АКТ.
При каждом новом значении плотности потока излучения лабораторного имитатора Солнца, устанавливаемом с помощью эталонного солнечного элемента с линейной зависимостью тока короткого замыкания от освещенности, измеряются значения Iκ 3 и Ux.x исследуемого солнечного элемента. Строится зависимость ln Iκ.3 от Ux.x. Тангенс угла наклона этой прямой равен q∕AKT, а на оси ординат ею отсекается значение ln I0.
Таким образом, из световых вольт-амперных характеристик удается также определить параметры А и I0, причем именно те их значения, которые характерны для солнечных элементов в рабочем режиме.
Конструкция солнечного элемента
Из рассмотрения основных процессов, происходящих внутри солнечного элемента при преобразовании оптического излучения в электроэнергию, становится ясно, что эффективность каждого из них зависит от оптических и электрофизических свойств полупроводникового материала (отражение от поверхности, квантовый выход фотоионизации, диффузионная длина неосновных носителей тока, спектральное положение основной полосы поглощения), от характеристик p-n-перехода (механизма протекания обратного тока в нем, высоты потенциального барьера, ширины области объемного заряда), от так называемого геометрического фактора (соотношения между диффузионной длиной носителей заряда и глубиной залегания p-n-перехода), а также от степени легирования областей полупроводника по обе стороны p-n-перехода. Из данных рис. 2.9, ясно также, сколь большое влияние на форму вольт-амперной характеристики и выходную мощность оказывает последовательное сопротивление элемента, зависящее, в свою очередь, от сопротивления, толщины и степени легирования обеих областей полупроводника, а также от формы и места расположения токосъемных контактов.
Желание примирить часто взаимно исключающие требования и найти оптимальное компромиссное техническое решение привело разработчиков к выбору планарной конструкции солнечного элемента (см. рис. 2.6, а) в качестве основной. C небольшими дополнениями (введение тянущих полей, изотипного барьера у тыльного контакта, замена сплошного тыльного контакта на сетчатый, текстурирование поверхности полупроводника и покрытий, нанесение отражающего слоя на тыльную поверхность) эта конструкция остается в течение многих лет без изменений, во всяком случае, для солнечных элементов из монокристаллического кремния с гомогенным p-n-переходом, по-прежнему занимающих ведущее положение при применениях как в космических, так и в наземных условиях.
Радиационно-защитные, теплорегулирующие и просветляющие покрытия, нанесенные на светоприемную поверхность солнечных элементов, позволяют увеличить количество света, проходящего в глубь полупроводника, сбросить путем излучения избыточное тепло, возникающее в солнечном элементе при работе, и защищают элементы от воздействия корпускулярной радиации (электроны, протоны) в космосе и от неблагоприятных климатических факторов на Земле.
Внешнюю, обращенную к падающему оптическому излучению полупроводниковую область солнечного элемента из кремния делают очень тонкой и сильно легируют (до максимальной концентрации атомов примеси 1020—1021 см-3), например, атомами фосфора, так что она становится областью η-типа. Базовую область полупроводника p-типа чаще всего легируют сравнительно слабо — до концентрации атомов примеси 1016—1017 см-3, например, бором (обычно при получении монокристалла). Внешнюю поверхность элементов покрывают занимающей, как правило, 5–7 % площади сеткой из токосъемных полос различной конфигурации, а на тыльной стороне создают сплошной или сетчатый контакт.
Разделенные полем p-n-перехода неосновные носители заряда[3] должны попасть во внешнюю цепь (к нагрузке). В верхней тг-области полупроводника, обращенной к свету, избыточные носители заряда передвигаются вдоль слоя, а в базовой области p-типа (см. рис. 2, 6, а) — поперек слоя. Диффузионная длина неосновных носителей заряда в сильнолегированном верхнем слое n-типа обычно составляет 0,2–0,6 мкм, в базовом слое 100–200 мкм, что зависит от концентрации примеси и режима термообработки (число термоциклов, скорость нагрева и охлаждения, максимальная температура) при получении исходного кристалла и изготовлении из него затем солнечного элемента (например, при термодиффузии легирующих примесей и операциях нанесения и упрочнения просветляющих покрытий). Влиянию термообработки на снижение значения диффузионной длины неосновных носителей заряда в полупроводниковых материалах и солнечных элементах посвящен ряд глубоких исследований; показана возможность уменьшения этого влияния путем извлечения вредных примесей из базовой области кремния и арсенида галлия (как правило, для этого на лицевые и торцевые поверхности пластин наносятся стеклообразные пленки, куда при термообработке переходят примеси в ходе процесса, получившего название геттерирования) и осуществления строгого контроля за режимом термической обработки на каждой технологической операции.
Необходимо отметить, что вследствие многочисленных термообработок, которым подвергаются слои полупроводника на различных технологических стадиях изготовления солнечных элементов, и введения при этом нежелательных примесей и центров рекомбинации многие оптические и электрофизические параметры полупроводникового материала изменяются, отклоняясь от исходных значений. В связи с этим самым точным является определение параметров полупроводника в конце технологического цикла. Обычно это делается расчетом по выходным характеристикам солнечных элементов — таким, как вольт-амперная характеристика пли спектральная чувствительность, а также по другим, более специфическим, например, по вольт-емкостной (изменение емкости элемента от приложенного напряжения) или люкс-амперной (зависимость основных фотоэлектрических параметров от освещенности) характеристикам. Обычно эти характеристики измеряются в тех случаях, когда солнечные элементы используются в системах автоматики и оптоэлектронных устройствах, где важную роль играют быстродействие и линейность характеристик при низких и высоких освещенностях.
Малая диффузионная длина в легированном слое диктует необходимость мелкого залегания p-n-перехода (у современных серийных солнечных элементов в интервале 0,3–0,6 мкм). При этом, чтобы обеспечить
