Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

При получении солнечных элементов n+ — р — р+-или р+ — п — n+-структур оказалось, что создать очень тонкий изотипный р — р+- или п — п+-переход у тыльного металлического контакта технологически намного проще, чем тянущее поле значительной протяженности, а практически столь же полезно для увеличения собирания избыточных неосновных носителей из базового слоя. Потенциальный барьер на изотипном переходе, полученный подлегированием базового перехода с тыла, отражает неосновные носители от тыльного контакта, увеличивая их эффективную диффузионную длину, и фактически сводит к нулю скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела базовый слой — тыльный металлический контакт. Несколько уменьшается также обратный ток насыщения элементов. Тыльный подлегированный слой создается термодиффузией, ионной бомбардировкой или впеканием алюминия (в случае p-слоя) с последующей термообработкой. Глубина подлегированного слоя обычно колеблется от 0,2 до 0,5 мкм, а распределение примесей практически повторяет аналогичное распределение в верхнем легированном слое солнечных элементов.

Преимущества солнечных элементов с изотипным переходом у тыльной поверхности сказываются в том случае, когда диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое больше толщины базового слоя или по крайней мере равна ей. Это требование приводит к необходимости использовать для создания базового слоя достаточно чистый полупроводниковый материал с повышенным удельным сопротивлением или уменьшать толщину базового слоя до значений, меньших диффузионной длины носителей заряда в данном материале. В настоящее время получены зависимости диффузионный длины L и времени жизни τ носителей заряда от удельного сопротивления ρ базового слоя кремния, позволяющие выбрать необходимую толщину базового слоя определенного удельного сопротивления (или, наоборот, определить удельное сопротивление при заданной толщине слоя) для солнечного элемента с эффективно используемым изотипным переходом у тыльного контакта. Эти данные могут привлекаться лишь для качественных оценок. При проведении точных расчетов необходимо учитывать, что диффузионные характеристики неосновных носителей зависят не только от удельного сопротивления, но и от типа проводимости кремния, метода его получения, предшествовавшей обработки. Использование изотипного перехода позволяет применять для получения базовых слоев высокоэффективных солнечных элементов кремнии с очень высокими значениями времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда, которые характерны для кремния с почти собственной проводимостью (так называемой i-проводимостью).

Солнечные элементы с p — i — n- или p+ — i — п+-структурой и их модификации обладают исключительно высокой чувствительностью в длинноволновой области спектра. Форма вольт-амперной характеристики элементов близка к прямоугольной, поскольку благодаря высокому уровню возбуждения в условиях освещения солнечным светом омическое падение напряжения в базовой области сводится к минимуму (при освещении высокоомного базового слоя концентрация неравновесных носителей значительно выше, чем равновесных). Большое исходное значение диффузионной длины неосновных носителей заряда в высокоомном материале увеличивает срок службы таких солнечных элементов в радиационных поясах Земли.

Солнечные элементы на основе кремния (а также других полупроводниковых материалов), прозрачные в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, представляют собой разработку, сыгравшую большую роль в наблюдаемом нами сейчас бурном прогрессе полупроводниковой фотоэнергетики, ибо на основе таких элементов оказалось возможным реализовать на практике многие казавшиеся неосуществимыми теоретические модели элементов с очень высоким кпд, в частности каскадные элементы. Принципиальная возможность создания таких солнечных элементов обеспечивается прозрачностью любого чистого высокоомного полупроводникового материала за краем основной полосы поглощения. Однако если базовый слой солнечных элементов выполняется из сравнительно чистого материала с малым содержанием легирующих примесей, то верхний слой для уменьшения сопротивления растекания тока носителей заряда, разделенных p-n-переходом, легируется практически до концентрации, соответствующей пределу растворимости донорной или акцепторной примеси в данном полупроводниковом материале. Естественно, что такой высоколегированный слой будет сильно поглощать и отражать длинноволновое излучение.

Низкое значение времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда в легированном слое приводит к необходимости уменьшения толщины этого слоя до значений в диапазоне 0,15—0,5 мкм. Поглощение инфракрасной области солнечного излучения (λ от 1,1 до 2,5 мкм) элементом с легированным слоем такой толщины не превышает 1–3 %. Таким образом, тенденция к уменьшению глубины залегания p-n-перехода, характерная для современных солнечных элементов, позволила устранить одно из главных препятствий на пути создания элемента, прозрачного в длинноволновой области спектра.

Два других препятствия — поглощение излучения в сплошном тыльном контакте и высокое отражение от тыльной поверхности элемента — были преодолены путем замены сплошного тыльного контакта на сетчатый и нанесения просветляющего покрытия с оптической толщиной 0,3–0,4 мкм. Расчет показал, что при сетчатом тыльном контакте определенной конфигурации можно сохранить последовательное сопротивление и коэффициент заполнения нагрузочной вольт-амперной характеристики прозрачного кремниевого солнечного элемента практически на уровне элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом.

Равновесная рабочая температура у прозрачных солнечных элементов из кремния в космосе значительно ниже, чем у обычных, вследствие того, что интегральный коэффициент поглощения солнечной радиации составляет, как показали данные прямых измерений этой величины в космических условиях, не 0,92—0,93 (значения, характерные для элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом из плохо отражающего металла), а 0,72—0,73.

Солнечные элементы с тыльным сетчатым контактом, прозрачные в инфракрасной области спектра, начиная от длины волны 1,1 мкм, были получены в СССР из кремния и арсенида галлия и на основе тонкопленочных структур Cu2S — CdS во Франции. Как показали расчеты для геостационарной орбиты, у таких солнечных элементов в космосе температура должна понизиться на 10–15°, а выходная мощность возрасти на 5–7 %.

Прозрачные солнечные элементы из кремния и арсенида галлия были успешно использованы также для создания первых реальных моделей каскадных солнечных элементов.

Нефотоактивное длинноволновое инфракрасное излучение может быть не только пропущено сквозь прозрачный солнечный элемент, но и отражено от его тыльной поверхности к источнику излучения. Для этого на тыльную поверхность прозрачных солнечных элементов, свободную от токосъемного омического контакта, должен быть нанесен слой высокоотражающего металла, например алюминия, меди, серебра.

Отражающий слой может быть получен испарением в глубоком вакууме обычной трехслойной структуры титан — палладий — серебро непосредственно на поверхность кремния, свободную от контактных полос, или создан одновременно с алюминиевым контактом. Однако необходимое для получения хорошего омического контакта впекание алюминия при высоких температурах приводит к уменьшению коэффициента отражения таким слоем инфракрасного излучения.

Значительно выгоднее использовать для увеличения отражения в нефотоактивной части спектра слой высокоотражающего металла, нанесенный на поверхность кремния между полосами сетчатого контакта на тыльной стороне. В этом случае можно ограничиться сравнительно небольшим (до температуры 150–200 °C) подогревом поверхности кремния для увеличения адгезии слоев и сохранить отражение в инфракрасной области от границы кремний — металл на достаточно высоком уровне.

К столь же высоким значениям коэффициента отражения приводит решение аналогичной задачи другим простым и технологичным способом: приклейкой кремнийорганическим