Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Разработка солнечных элементов с p-n-переходом, расположенным на глубине менее 0,2 мкм, в значительной мере решила проблему пространственного разделения носителей заряда, генерированных коротковолновым излучением. Действительно, коэффициент собирания у подобных солнечных элементов даже при λ=0,4 мкм достигает ~0,9, тогда как при глубине залегания ≥0,4 мкм коэффициент собирания в этой области спектра равен 0,5–0,6.
В силу высокой чувствительности в фиолетово-голубой части спектра описываемые солнечные элементы получили название фиолетовых. Плотность тока короткого замыкания таких солнечных элементов удалось довести до 40–42 мА/см2. Спектральная зависимость токовых потерь фиолетовых солнечных элементов, рассчитанная с учетом спектрального распределения внеатмосферного солнечного излучения, показывает, что их коэффициент собирания близок к 1,0 почти во всей области чувствительности. Потери в коротковолновой области спектра относительно невелики, и дальнейшее улучшение использования солнечного излучения возможно не за счет совершенствования внутренней структуры солнечных элементов (ибо p-n-переход разделяет практически каждую рожденную светом пару электрон-дырка), а путем улучшения оптических параметров солнечных элементов — снижения отражения и затенения поверхности контактами.
Уменьшение толщины верхнего легированного слоя важно не только для повышения фоточувствительности, но и для улучшения диодных характеристик солнечных элементов. Согласно расчетным и экспериментальным данным, параметры легированного слоя определяющим образом влияют на величину тока насыщения и, следовательно, фото-ЭДС. Подобная роль обусловлена, во-первых, эффектами, связанными с высоким уровнем легирования — сужением запрещенной зоны и уменьшением эффективной концентрации основных носителей, появлением обратного градиента поля, и, во-вторых, чрезвычайно низким временем жизни носителей заряда, вероятно не превышающим 1 нс. Для снижения тока насыщения рекомендуется уменьшить толщину верхнего слоя и обеспечить оптимальный уровень легирования 2-1019 см-3 (ранее при создании элементов разработчики стремились к получению в верхнем легированном слое концентрации примеси и свободных носителей заряда на уровне 1021 см-3, близком к пределу растворимости фосфора в кремнии). Влияние возросшего слоевого сопротивления должно быть скомпенсировано соответствующей структурой контактной сетки.
При разработке фиолетовых солнечных элементов эти требования были реализованы за счет ряда технологических и конструктивных новшеств. Основные из них: низкотемпературная (770–800oC) диффузия в потоке газа носителя, относительно малая поверхностная концентрация легирующей примеси (1019 см-3) и густая контактная сетка (8—10 полос/см) при ширине полоски ~50 мкм.
Для уменьшения потерь на отражение света был разработан метод обработки поверхности кремния, позволивший создать «неотражающий», или «черный», солнечный элемент из кремния с высоким КПД. Отличие такого солнечного элемента — особый пирамидообразный, текстурированный (рис. 4.2, а) рельеф верхней поверхности, при котором луч, однажды отраженный от одной грани выступа-пирамиды, вторично попадает на поверхность соседнего выступа, благодаря чему теряется лишь ничтожная часть света. В результате даже при отсутствии просветляющей пленки на поверхности кремния, имеющей исходный коэффициент отражения выше 30–40 %, подобный рельеф снижает потери солнечного света на отражение до ~10 %. Нанесение же просветляющей пленки (например, Ta2O5) сводит их к 2–3 % интегрально — по всему солнечному спектру.
Дополнительный эффект текстурирования поверхности — уменьшение глубины поглощения света. Происходящее в результате этого возрастание эффективного коэффициента поглощения а приводит к увеличению коэффициента собирания и плотности фототока.
Помимо традиционной плоской, планарной, конструкции в последние годы широко исследуются солнечные элементы со сложной конфигурацией p-n-переходов, в частности с p-n-переходами, расположенными по нормали к освещаемой поверхности. Они могут изготавливаться либо на общей подложке, либо набираться из отдельных микроэлементов, объединенных материалом контакта (слоем припоя или алюминия).
Вертикальное расположение p-n-переходов открывает дополнительные эксплуатационные возможности солнечных элементов. При последовательном соединении p-n-переходов солнечные элементы генерируют высокие напряжения, вплоть до десятков В/см, и эффективно работают в условиях высокой освещенности, что было убедительно показано советскими учеными, впервые получившими такие высоковольтные элементы. Параллельное включение p-n-переходов создает предпосылки для повышения фототока и, следовательно, КПД солнечных элементов.
Наиболее удачно последняя конструкция реализована в солнечных элементах с рельефной структурой поверхности, схематически изображенной на рис. 4.2, б. Рельеф в данном случае создается, так же как при текстурировании, методом избирательного травления (например, в щелочи) пластины кремния с ориентацией (110). Легированный n+-слой[6] повторяет профиль поверхности. Геометрические размеры элементов рельефа могут задаваться в широких диапазонах значений. В образцах, изготовленных американскими специалистами, разработчиками этой рельефной конструкции солнечных элементов высота. H=100÷150 мкм, шаг w⋍c⋍7–8 мкм. Рельефная фотоприемная поверхность обладает весьма высоким коэффициентом оптического поглощения, характерным для текстурированной поверхности, благодаря чему потери на отражение у рассматриваемого солнечного элемента минимальны.
Другое очевидное достоинство такого солнечного элемента — высокая объемная фоточувствительность, достигаемая за счет близкого расположения вертикальных участков p-n-перехода. Если w≪L, то практически все рожденные светом в базе пары носителей оказываются разделенными. КПД лучших образцов с рельефной структурой превышает во внеатмосферных условиях 13 %.
Улучшение оптических и фотоэлектрических характеристик солнечных элементов достигается также созданием в легированном и базовом слоях фотоэлемента тянущих электростатических полей (за счет, например, направленного изменения распределения примесей или градиента ширины запрещенной зоны по глубине элемента).
Влияние внутренних электрических полей на эффективность собирания и КПД полупроводниковых солнечных элементов исследовано достаточно хорошо. Первые работы были связаны с рассмотрением однородного поля с постоянными значениями подвижности и времени жизни носителей, не зависящими от концентрации примесей. Дальнейшее усложнение моделей солнечных элементов с встроенным полем привело к изучению неоднородных электрических полей и параметров диффузии, зависящих от пространственных координат. Однако проведенные исследования носили сугубо теоретический характер, а предлагаемые распределения примесей были трудно воспроизводимы.
Солнечные элементы практически всегда имеют внутренние электрические поля, возникающие в местах значительного перепада концентрации примеси по глубине кристалла или слоя, однако обычно эти поля носят случайный характер и являются следствием используемой технологии. В связи с этим возникает задача нахождения профилей концентрации примесей, значительно повышающих эффективность собирания носителей из легированного слоя и в то же время получаемых с помощью хорошо отработанных технологических методов.
Расчет и эксперимент, выполненные в одной из отечественных работ, показали, что пористая оксидная пленка, предварительно образованная на поверхности кремния методом анодного окисления, дает возможность даже при однократной термодиффузии получить двуслойную структуру легированной области. Часть диффузанта, например фосфора, проходя через поры, образует область низких концентраций примеси в зоне, близкой к p-n-переходу, другая часть, основная, диффундируя сквозь вещество пленки, создает область большой концентрации фосфора у поверхности элемента. Регулируя время и температуру диффузии, а также изменяя пористость пленки, можно достаточно плавно и точно управлять профилем
