8.2. Эффекты, вызываемые высоким уровнем интенсивности излучения

В солнечном элементе с идеальной диодной характеристикой, у которого ток насыщения значительно меньше фототока последовательное сопротивление пренебрежимо мало и шунтирующее сопротивление стремится к бесконечности, ток короткого замыкания а напряжение холостого хода где интенсивность падающего излучения. Если предположить, что при увеличении коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики остается постоянным, то в идеальном случае повышение КПД при возрастании интенсивности излучения прямо пропорционально увеличению фото-э.д.с. Однако известно, что в условиях низкого уровня инжекции фото-э.д.с., насыщаясь, приближается к значению диффузионного потенциала [1]. Следовательно, КПД не может увеличиваться неограниченно. Кроме того, поскольку удельное сопротивление базовой области большинства солнечных элементов выше удельного сопротивления легированного слоя, условия высокого уровня инжекции будут благоприятны для собирания носителей в базе до тех пор, пока не достигнет значения Из условия сохранения электрической нейтральности базовой области следует, что более высокой концентрации основных носителей должно соответствовать новое

значение концентрации неосновных носителей. Это приводит к изгибу квазиуровней Ферми в базе и падению напряжения в этой области даже в режиме холостого хода, в результате чего значение фото-э.д.с. не достигает [2]. Далее, при высоком уровне инжекции уравнение вольт-амперной характеристики принимает вид . В этом случае темновой ток насыщения выше, чем в условиях низкого уровня инжекции [3]. Следствием увеличения является уменьшение

В реальных солнечных элементах наличие конечного последовательного сопротивления приводит к снижению КПД (в силу уменьшения даже при такой интенсивности излучения, когда условия высокого уровня инжекции еще не выполняются. Последовательное сопротивление оказывает отрицательное влияние на характеристики солнечных элементов и при обычной интенсивности излучения, а при использовании концентрированного света это влияние становится чрезвычайно сильным. Палфри [4] рассчитал зависимость от коэффициента концентрации излучения для кремниевых солнечных элементов при различных значениях последовательного сопротивления (см. рис. 8.1) и показал, что при -кратной интенсивности излучения характеристики элементов будут удовлетворительными, если их последовательное сопротивление не превышает нескольких сотых долей ома. У солнечных элементов, генерирующих небольшой фототок, например элементов из GaAs, допустимым является несколько более высокое последовательное сопротивление.

Обычно считают, что при повышении интенсивности падающего излучения фототок возрастает по линейному закону. Даривал и др. [5] высказали предположение, что при сильной освещенности фототок насыщается на уровне значения где последовательное сопротивление. Хотя этот эффект в некоторой степени может компенсировать снижение преобразования энергии не будет повышаться вслед ствии уменьшения фототока. Кроме того, увеличение концентрации

Рис. 8.1. Расчетные зависимости коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики кремниевого элемента от коэффициента концентрации солнечного излучения при различных значениях последовательного сопротивления [4]. Ом; диодный коэффициент плотность темнового тока насыщения площадь элемента — фототок пропорционален коэффициенту концентрации излучения.

основных носителей в условиях высокого уровня инжекции приведет к модуляции удельного сопротивления полупроводника. В результате при возрастании мощности падающего излучения последовательное сопротивление элемента будет уменьшаться, что также снизит потери Однако вследствие роста темнового тока понизится и КПД не увеличится, хотя его снижение при повышении интенсивности излучения будет менее быстрым, чем в условиях низкого уровня инжекции. Кроме того, при низком уровне инжекции солнечные элементы, вероятно, будут обладать более высоким начальным значением КПД. Для того чтобы усилить положительное влияние модуляции проводимости и высокого начального значения Фоссум и Бургес [6] предложили создавать в некоторых видах элементов изотипный тыльный барьер. Следует заметить, что малая диффузионная длина неосновных носителей не позволяет использовать тыльный барьер в солнечных элементах на основе арсенида галлия. Однако, поскольку концентрация легирующих примесей в солнечных элементах из GaAs выше, чем в кремниевых элементах, эффекты, связанные с высоким уровнем инжекции, проявляются в GaAs только при очень сильной концентрации излучения.

Максимальный КПД любого солнечного элемента с одним переходом составляет около 25%. Отсюда следует, что при высоких коэффициентах концентрации излучения в солнечных элементах выделяется большое количество тепловой энергии, и если охлаждение элементов не предусмотрено, то их рабочая температура возрастает. Значительное повышение температуры влияет на свойства неосновных носителей и собственную концентрацию носителей в элементе, а также, хотя и в меньшей степени, на процесс поглощения фотонов вследствие изменения ширины запрещенной зоны. При повышении температуры подвижность неосновных носителей в несколько уменьшается, а в GaAs (при типичных уровнях легирования) меняется очень слабо, поэтому коэффициент диффузии неосновных носителей в почти не зависит от температуры, а в GaAs монотонно растет при повышении температуры. В результате диффузионная длина неосновных носителей увеличивается при возрастании температуры (особенно ярко это проявляется в так как вследствие повышения тепловой скорости носителей увеличивается их время жизни. Таким образом, возрастание тока короткого замыкания при повышении температуры является следствием увеличения диффузионной длины неосновных носителей. Что касается напряжения холостого хода, которое, как полагают, должно повышаться при увеличении тока короткого замыкания, то оно сильно зависит от собственной концентрации носителей изменяющейся экспоненциально при вариациях температуры.

Таблица 8.1. (см. скан) Расчетные характеристики солнечных элементов на основе с удельным сопротивлением при коэффициентах концентрации излучения и 40 (условия и температурах

Токи насыщения пропорциональны если механизмы их протекания обусловлены соответственно диффузионным и генерационно-рекомбинационным процессами. Следовательно, в случае реализации этих процессов и будут понижаться при возрастании температуры. Далее, небольшое сужение запрещенной зоны при повышении температуры также должно вызвать увеличение темнового тока насыщения и тем самым свести к минимуму положительный эффект увеличения коэффициента поглощения света в длинноволновой области спектра.

В итоге КПД преобразования уменьшается, если рабочая температура элементов значительно превышает комнатную. Поскольку снижение по-видимому, является основной причиной падения КПД при высоких температурах, необходимы высокие начальные значения Как видно из табл. 8.1, создание изотипного тыльного барьера является эффективным способом повышения КПД солнечных элементов при больших температурах. Улучшение характеристик обусловлено как увеличением диффузионной длины неосновных носителей, так и снижением темнового тока под влиянием тыльного барьера. Более того, температурный коэффициент той составляющей выходного напряжения, которая определяется -переходом, положителен. Благодаря этому уменьшение при возрастании температуры становится менее значительным.

Солнечные элементы на основе арсенида галлия превосходят по стабильности кремниевые элементы в условиях высокой температуры. Повышенные значения и более слабую температурную зависимость обеспечивают большая ширина запрещенной зоны GaAs и преобладание генерационно-рекомбинационного механизма протекания темнового тока. Кроме того, из-за меньшей диффузионной длины неосновных

носителей в GaAs повышение дебаевской длины при возрастании температуры приводит к более существенному увеличению чем в элементах из Так как GaAs имеет высокий коэффициент поглощения света, сужение запрещенной зоны при повышении температуры может привести к уменьшению доли полезно используемых высокоэнергетичных фотонов. Однако влияние этого эффекта в некоторой степени может быть ослаблено при создании мелкозалегающего перехода.

Солнечные элементы на основе GaAs, применяемые в условиях сильной освещенности, имеют высокопроводящий слой который способствует снижению скорости поверхностной рекомбинации. Толщина поверхностного слоя составляет 0,3.. .5 мкм, а параметр определяющий его состав, приблизительно равен 0,8. В качестве просветляющих покрытий используются пленки [7] или [8]. При наличии сетчатого контакта (затеняющего 10 % поверхности) последовательное сопротивление элемента диаметром 1,27 см может быть уменьшено до 0,027 Ом. При температуре 200 °С и коэффициенте концентрации, равном 312, КПД элементов составляет 14 % [8]. При комнатной температуре и составляет соответственно 23 и 19,1 % [8].

Кремниевые солнечные элементы в отличие от элементов с гетероструктурой не имеют высокопроводящего поверхностного слоя, поэтому снижение последовательного сопротивления, необходимое для обеспечения возможности их работы в условиях концентрированного излучения, достигается путем усовершенствования контактной сетки. В солнечных элементах применяются сетки различной конструкции [6, 9]. С их помощью можно свести к минимуму потери мощности при -кратной интенсивности излучения. В настоящее время кремниевые солнечные элементы с изотипным тыльным барьером имеют [6] при коэффициентах концентрации 23 и 60 соответственно. Приведенные данные отвечают рабочим температурам элементов малой площади -структурой [10] и удельным сопротивлением базовой области, равным при -кратной интенсивности излучения составляет 8%. Толщина базовой области этих элементов равна 50 мкм; предполагают, что при увеличении поглощательной способности за счет утолщения базы выходные характеристики элементов несколько улучшатся