Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Составляющая Iκ.3, обусловленная диффузионным током электронов через p-n-переход (считается, что распределение примесей в базе солнечного элемента равномерно и тянущее поле отсутствует), определяется при базовом слое p-типа выражением
Iκ.3б=qaLnN0 exp(-alп)/(1+aLn).
При базовом слое n-типа Ln в данном уравнении заменяется на Lp.
Это уравнение лежит в основе простого и достоверного метода определения диффузионной длины неосновных носителей в базовом слое солнечных элементов Ln (для базового слоя p-типа). Поскольку при измерениях Iκ.3 и Q в длинноволновой части спектра (длина волны около 1 мкм) поглощением в легированном слое можно пренебречь, то Iκ.3 и Q при этом обусловливаются базовым слоем. Например, спектральная зависимость коэффициента собирания представляется выражением
Q(λ) =aLn exp(-αlπ)/(1+αLn).
В современных солнечных элементах In≃0,15÷0,5 мкм и для λ=1 мкм αs1=80 см-1, следовательно, член exp (-aln) близок к единице. Предыдущая формула еще больше упрощается:
Ln=Q(λ)/α(1-Q(λ)).
Измерив Iκ.3 солнечного элемента и коэффициент отражения при λ=1 мкм и зная Ni (см. рис. 2.15), а также q, легко определить Q при λ=1 мкм и затем Ln. Для более точной оценки аналогичные измерения целесообразно выполнить на трех близких длинах волн (например, 0,95; 1,0 и, 1,05 мкм) и взять затем среднее значение диффузионной длины, рассчитанное по трем измерениям.
Более сложными являются случаи, когда L как в легированном, так и в базовом слое неравномерна по глубине в результате преднамеренного создания тянущего поля повышенной эффективности или вследствие неоднородного введения радиационных или термических дефектов. Истинную диффузионную длину области базового слоя, подвергавшейся радиационному облучению, можно определить, если известны эффективная (суммарная — в поврежденной и неповрежденной частях базового слоя) диффузионная длина и диффузионная длина в неповрежденном материале. В настоящее время исследовано также влияние неравномерного повреждения базового слоя на спектральную чувствительность.
В ряде работ рассмотрены различные способы определения отдельных параметров солнечного элемента при некоторых упрощающих условиях расчета и эксперимента.
Так, предложен метод оценки диффузионной длины неосновных носителей в легированном слое по сопоставлению расчетных (при изменении параметра ln/L) и экспериментальных распределений коэффициента собирания в коротковолновой области спектра в том случае, если глубина залегания p-n-перехода измерена предварительно.
По приведенным выше данным о глубине проникновения в кремний оптического излучения различной длины волны п из рис. 2.15 легко определить, какой длины волны оптическое излучение должно использоваться в таких экспериментах, чтобы избыточные носители создавались преимущественно в верхнем легированном слое элементов.
Глубина p-n-перехода может быть достаточно точно оценена методом послойного анодного окисления и травления, по окрашенному плоскому косому или цилиндрическому шлифу (сделанному, как правило, под углом 3° к поверхности элемента), по значению коэффициента отражения или пропускания p-n-перехода в инфракрасной области спектра с учетом глубины проникновения света и ориентировочно — по значению поверхностного слоевого сопротивления.
Анализируя отдельные (в основном коротковолновые) участки спектральной зависимости коэффициента собирания, можно оценить отношение S/D и при известном коэффициенте диффузии D получить значение скорости поверхностной рекомбинации 5, а также определить ln и Lp в легированном слое.
Интересен способ определения глубины залегания p-n-перехода или диффузионной длины неосновных носителей по положению максимума спектральной чувствительности на примере солнечных элементов из арсенида галлия. Предложен простой и удобный графический метод, позволяющий по тщательно измеренной спектральной зависимости коэффициента собирания при использовании ряда упрощающих предположений (однородные встроенные электрические поля и постоянные параметры носителей заряда) оценить с достаточной точностью такие характеристики солнечного элемента, как глубина залегания p-n-перехода, скорость поверхностной рекомбинации, диффузионные длины носителей заряда, напряженность электрического поля при определенном соотношении между геометрией солнечного элемента и электрофизическими свойствами.
Диффузионную длину неосновных носителей Lб в базовой области, получаемую по экспериментальным оптическим и фотоэлектрическим характеристикам солнечных элементов, полезно сравнить со значениями, определяемыми при облучении солнечных элементов гамма-квантами или электронами. Эти методы дают близкие значения L, но являются более удобными для непрерывных измерений характеристик солнечных элементов во время испытаний на радиационное облучение, имитирующее воздействие составляющих радиационных поясов Земли на солнечные батареи.
Спектральная чувствительность и коэффициент собирания солнечных элементов
Спектральная чувствительность солнечного элемента представляет собой спектральную зависимость его тока короткого замыкания, рассчитанного на единицу энергии падающего оптического излучения.
Для обычных, не прецизионных измерений спектральной чувствительности используется зеркальный монохроматор со стеклянной оптикой. Источником света служит обычно ленточная вольфрамовая лампа накаливания, тело накала которой с помощью зеркального эллиптического отражателя проецируется на входную щель прибора. Стабильность светового потока поддерживается за счет постоянства тока накала лампы, который контролируется амперметром.
Такая лампа дает возможность проводить измерения в видимой и инфракрасной областях спектра (до границы пропускания стекла). При измерениях в ультрафиолетовой области спектра от 0,4 до 0,3 мкм применяется лампа накаливания с увиолевым стеклом, цветовая температура которой 3200 К, а при измерениях в области длин волн менее 0,3 рекомендуется использовать водородную лампу, поскольку она дает сплошной спектр и отличается высокой (по сравнению с другими газоразрядными лампами) стабильностью. Рабочие щели монохроматора, как правило, изменяются от 1 мм для области спектра 0,4–0,5 мкм до 0,25 мм в области длин волн больше 0,9 мкм, с тем чтобы спектральная ширина щели оставалась постоянно в пределах 0,01—0,015 мкм. Изменение длины волны осуществляется небольшим поворотом зеркала, что позволяет выделяемому излучению любой длины волны проходить через призму с минимальным отклонением от первоначального пути.
Для устранения рассеянного света при измерениях спектральной чувствительности в различных областях спектра используются соответствующие светофильтры. За выходной щелью монохроматора помещаются две линзы, с помощью которых расходящийся световой поток может быть распределен по всей поверхности или собран на части солнечного элемента. Этот световой поток на определенном расстоянии от второй линзы проецируется в полоску, полностью попадающую на приемную пластину термоэлемента. Затем солнечный элемент устанавливается на место термоэлемента таким образом, чтобы весь свет, измеренный термоэлементом, вписывался в приемную поверхность солнечного элемента.
Измерения плотности потока монохроматического излучения могут быть осуществлены, например, с помощью вакуумного компенсационного элемента. Термоэлемент включается на вход низкоомного потенциометра. Чувствительность термоэлемента периодически проверяется
