8.3 Новые конструкции обычных солнечных элементов

8.3.1 Многопереходные солнечные элементы с фотоактивным слоем из материала одного вида

Исследования многопереходных кремниевых солнечных элементов связаны с изучением возможности их применения при высоких коэффициентах концентрации излучения Наиболее эффективной является конструкция элементов на основе материала с высоким временем жизни неосновных носителей, в которой используются тыльные контакты типа «гребенка в гребенке» и прозрачный слой на освещаемой поверхности, снижающий скорость поверхностной рекомбинации носителей. Разделение носителей происходит на тыльной поверхности. Высокое удельное сопротивление материала базовой области способствует модуляции проводимости; при этом получают последовательное сопротивление элемента [15]. Сообщается, что при температуре 15°С и -кратной интенсивности излучения КПД составляет

Недавно Чеппелом [16] предложен усовершенствованный многопереходный солнечный элемент с канавками -образной формы. Все единичные элементы такого многопереходного солнечного элемента формируют одновременно на одной пластине кремния с помощью химического травления. На рис. 8.2 представлено схематическое изображение солнечного элемента, который состоит из нескольких единичных элементов -типа, соединенных последовательно. Единичные элементы трапецевидной формы получают посредством анизотропного травления поверхности кремниевой пластины с ориентацией через отверстия в слое термического окисла . В процессе изготовления многопереходных элементов требуется лишь однократное нанесение фоторезиста — для разметки поверхности слоя служащего маской при травлении -образных канавок; и -области переходов создают методом ионной имплантации. При этом внедрение атомов легирующих примесей осуществляют под таким углом, что и -области формируются одновременно. Полученную структуру подвергают термообработке, необходимой для перевода внедренных примесных атомов в электроактивное состояние и для устранения дефектов, образовавшихся в процессе имплантации. Металлический слой, осаждаемый вакуумным испарением, соединяет единичные элементы электрически последовательно. При получении -образных канавок происходит подтравливание краев полос, на которых в соответствии с намеченным техникой фотолитографии рисунком сохраняется окисный слой; низкое качество металлического покрытия на краях этих полос предотвращает

закорачивание и -областей одного и того же элемента. Узкие полосы с плоской поверхностью благодаря наличию на ней окисного слоя защищены от проникновения легирующих примесей в процессе ионной имплантации. Металлический слой, осажденный на поверхность окисла, служит отражающим оптическим покрытием, способствующим увеличению поглощательной способности элементов. На плоской поверхности кремниевой пластины крепится подложка из стекла марки Солнечный элемент освещается со стороны стеклянной подложки.

Рис. 8.2. Схема конструкции многопереходного солнечного элемента с -образными канавками, [16].

В многопереходных солнечных элементах данного типа основная часть носителей генерируется вблизи освещаемой поверхности. Однако носители могут перемещаться не только параллельно этой поверхности. Максимальное расстояние, которое им необходимо преодолеть для достижения перехода, равна Часть носителей генерируется более глубоко под освещаемой поверхностью и, следовательно, ближе к переходу. Кроме того, за счет многократного внутреннего отражения света от тыльных и боковых участков поверхности, покрытых слоем металла, обеспечивается более высокий общий коэффициент собирания носителей, чем у обычного планарного солнечного элемента, толщина которого равна высоте трапецевидных элементов. Общий коэффициент собирания определяется здесь как отношение количества поглощенных фотонов к количеству фотонов, прошедших в элемент. Таким образом, эффективная оптическая толщина многопереходного солнечного элемента во много раз превышает его реальную толщину. Согласно расчетам [16], при высоте единичных элементов, равной 50 мкм, средняя эффективная оптическая толщина составляет 267 мкм, что соответствует общему коэффициенту собирания более При использовании тонких слоев кремния высокие значения общею коэффициента собирания обеспечивают получение высокого фототока даже при недостаточно большом времени жизни носителей.

Внутренний коэффициент собирания многопереходных солнечных элементов, представляющий собой отношение числа электронно-дырочных пар, разделенных переходом, к числу

Рис. 8.3. (см. скан) Расчетные характеристики многопереходных кремниевых солнечных элементов с -образными канавками, [16]. а) Зависимости внутреннего коэффициента собирания носителей заряда от коэффициента концентрации К солнечного излучения при различных значениях объемного времени жизни носителей: Зависимости напряжения холостого хода от объемного времени жизни носителей при различных значениях коэффициента концентрации излучения: Зависимости КПД от объемного времени жизни носителей при различных значениях коэффициента концентрации излучения:

генерированных пар, определяется главным образом скоростью объемной рекомбинации носителей. Результаты расчета зависимости внутреннего коэффициента собирания от коэффициента концентрации солнечного излучения показаны на рис. 8.3, а. В многопереходном солнечном элементе при объемном времени жизни носителей менее 10 мкс и коэффициентах концентрации излучения в диапазоне может быть получен внутренний коэффициент собирания, равный 95%. Для достижения сравнимых значений внутреннего коэффициента собирания в солнечном элементе с контактами типа «гребенка в гребенке», имеющем толщину 100 мкм, необходимо, чтобы время жизни носителей составляло 90 мкс. Следует отметить, что наблюдаемое увеличение внутреннего коэффициента собирания при повышении коэффициента концентрации излучения может быть вызвано действием электрического поля, связанного со значительным падением напряжения внутри элемента при высоких плотностях тока. Снижение внутреннего коэффициента собирания при еще более высоких интенсивностях излучения является результатом уменьшения диффузионной длины вследствие рассеяния носителей на носителях, а также ослабления влияния электрического поля при наличии модуляции проводимости и уменьшении подвижности носителей [16].

Для многопереходных солнечных элементов с -образными канавками характерно более высокое отношение площади освещаемой поверхности к объему по сравнению с планарными

элементами, поэтому в многопереходных элементах фотогенерированные носители сосредоточены в относительно меньшем объеме, что обусловливает более высокую концентрацию избыточных носителей и соответственно повышенные значения . Многопереходный кремниевый солнечный элемент толщиной 50 мкм с окисленными участками тыльной поверхности шириной 10 мкм имеет эффективную оптическую толщину 267 мкм при отношении площади освещаемой поверхности к объему, в 10 раз более высоком, чем у планарного элемента толщиной 267 мкм. Вследствие этого при объемном времени жизни носителей многопереходного элемента превышает планарного элемента на 73 мВ при коэффициенте концентрации излучения на 51 мВ при на 31 мВ при на 30 мВ при Расчетные зависимости многопереходного солнечного элемента при от объемного времени жизни носителей представлены на рис. 8.3, б.

Результаты расчета [16] показывают, что при объемном времени жизни носителей, превышающем 50 мкс, и коэффициентах концентрации излучения значения коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики могут составить 0,8 и выше. При времени жизни 50 мкс и 300-кратной концентрации излучения Благодаря малым размерам единичных элементов и значительной модуляции проводимости в базовой области многопереходных солнечных элементов в условиях сильной освещенности омические потери мощности на внутреннем последовательном сопротивлении при коэффициентах концентрации излучения вплоть до 103 оказываются довольно низкими. Однако при коэффициенте концентрации, равном потери мощности становятся существенными, а значение снижается до 0,74 при объемном времени жизни носителей, равном или несколько превышающем 10 мкс.

На рис. 8.3, в приведены зависимости КПД оптимизированного многопереходного солнечного элемента с -образными канавками от объемного времени жизни носителей при комнатной температуре и различных коэффициентах концентрации излучения. Вследствие повышения напряжения холостого хода с ростом интенсивности излучения значения объемного времени жизни, обеспечивающие высокий КПД, уменьшаются по мере увеличения коэффициента концентрации. Для получения КПД, равного 20%, при необходимо время жизни а при

Многопереходные кремниевые солнечные элементы, состоящие из 43 последовательно соединенных единичных элементов, при и температуре 300 К имеют что обеспечивает КПД 12,2 %, значительно-отличающийся от ожидавшегося значения 24,5%.

Причиной низкого коэффициента заполнения является малое объемное время жизни носителей (0,8 мкс). Расчетное значение КПД, равное 24,5%, получено в предположении, что объемное время жизни носителей составляет 50 мкс и просветляющее покрытие снижает потери излучения на отражение до 7 % (наблюдаемые же потери этого вида достигают 23 %).

Как следует из проведенного анализа, многопереходные кремниевые солнечные элементы обладают перед обычными элементами рядом преимуществ, благодаря которым их можно применять в условиях концентрированного излучения. К этим преимуществам относятся: 1) возможность достижения КПД более 20 % при использовании известной технологии изготовления; 2) высокий внутренний коэффициент собирания носителей при не очень жестких требованиях к объемному времени жизни носителей; 3) более высокое напряжение холостого хода, чем у планарных элементов эквивалентной оптической толщины; 4) очень низкое последовательное сопротивление, обеспечивающее эффективную работу элементов при коэффициентах концентрации излучения, превышающих 103; 5) отсутствие контактной сетки на освещаемой поверхности; 6) высокая устойчивость к воздействию внешней среды благодаря защитным свойствам стеклянного покрытия на лицевой поверхности; 7) относительно простая технология изготовления.

8.3.2 Изменение спектрального состава излучения с помощью люминофоров

Путем изменения с помощью люминофоров спектрального состава поступающего солнечного излучения можно повысить спектральную чувствительность некоторых типов солнечных элементов и увеличить их КПД в условиях на [17]. Рассмотрим эффект изменения спектрального состава излучения и его влияние на характеристики элементов.

Слой органолюминофора, люминесцирующего стекла или кристаллофосфора наносят на освещаемую поверхность солнечного элемента, как показано на рис. 8.4. Коротковолновое излучение, поглощенное люминофором, переизлучается в виде света с большей длиной волны. С помощью таких материалов можно повысить чувствительность к коротковолновому излучению элементов, которые имеют высокий коэффициент собирания носителей в длинноволновой части спектра и низкий — в области коротких длин воли (низкую чувствительность в синей области спектра).

Наиболее важными свойствами системы люминофор — солнечный элемент, на которые необходимо обратить внимание, являются поглощательные и излучательные характеристики люминофора, а также оптическая эффективность системы,

Рис. 8.4. Схематическое изображение структуры люминофор — солнечный элемент.

которая определяется как отношение числа фотонов, проходящих в солнечный элемент, к числу фотонов, падающих на его верхнюю сторону.

Эффективное преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое обеспечивают многие люминофоры. Квантовый выход люминесценции (отношение числа излученных фотонов к числу поглощенных) ряда люминофоров приближается к при низших концентрациях активирующей примеси и составляет при обычно создаваемых концентрациях активатора, обеспечивающих достаточно высокий коэффициент поглощения по отношению к падающему свету.

Спектры поглощения и излучения рубина с массовым содержанием изображены на рис. 8.5. Здесь также приведены спектральные зависимости чувствительности кремниевых солнечных элементов промышленного изготовления при наличии и отсутствии покрытия из рубина (рубиновая пластина не снабжена просветляющим покрытием). Довольно широкая полоса поглощения (с двумя пиками) простирается в ультрафиолетовую область, в то время как полоса излучения имеет малую ширину и располагается в центре видимой области спектра приблизительно при энергии 1,75 эВ.

Рис. 8.5. Спектральные зависимости? интенсивности люминесценции и коэффициента поглощения а (2) рубина (массовое содержание а также коэффициента собирания носителей в кремниевом солнечном элементе с -структурой при отсутствии (3) и наличии (4) покрытия из рубина [17].

Величина стоксова сдвига (спектрального интервала между двумя ближайшими пиками поглощения и излучения) велика, поэтому полосы поглощения и излучения почти не перекрываются.

Люминофор соединен с солнечным элементом при помощи материала, имеющего необходимый показатель преломления; таким материалом может служить клей, применяемый для крепления защитных стекол элементов, или оптически прозрачная жидкость. Длинноволновое излучение проходит через слой люминофора не поглощаясь, в то же время коротковолновое излучение, будучи поглощенным, переизлучается в виде света с большей длиной волны. Оптическая эффективность системы зависит от потерь, связанных с отражением излучения от освещаемой поверхности люминофора, квантового выхода люминесценции, количества переизлученного света, выходящего наружу через внешнюю поверхность слоя люминофора, потерь излучения вследствие перекрывания спектров поглощения и излучения люминофора, и от потерь света, вызываемых его отражением от нижней поверхности слоя люминофора при несогласованных значениях показателя преломления люмино фора и материала солнечного элемента, когда угол падения света превышает критический угол полного внутреннего отражения. Значения оптической эффективности по отношению к поглощаемой и непоглощаемой частям светового потока при использовании в качестве люминофора пластмассы и рубина представлены в табл. 8.2.

Ясно, что люминофор должен обладать высоким коэффициентом поглощения в коротковолновой области спектра, высоким квантовым выходом люминесценции, большой величиной стоксова сдвига при низкой степени перекрывания спектров поглощения и излучения и высокой оптической эффективностью.

Таблица 8.2. (см. скан) Оптическая эффективность покрытий из люминофоров (пластмассы и рубина)

Рис. 8.6. Спектральные зависимости интенсивности люминесценции и коэффициента поглощения а (2) рубрена, а также коэффициента собирания носителей в тыльно-барьерном солнечном элементе на основе при отсутствии (3) и наличии (4) люминесцентного покрытия, активированного рубреном [17].

Рассмотрим два вида люминофоров: пластмассу, активированную органическими красителями, и кристаллы рубина. При одинаковой оптической плотности пластин люминофора лучшие результаты получены для тонких пластин с повышенной концентрацией активатора, так как при уменьшении толщины пластины снижаются потери излучения, выходящего наружу через ее боковые поверхности. Пластмассы имеют небольшую величину стоксова сдвига и могут успешно применяться в сочетании с солнечными элементами на основе и из аморфного кремния, имеющими резкий край чувствительности.

Солнечные элементы на основе со слоем люминофора марки обладают повышенной спектральной чувствительностью в области высоких энергий фотонов, и их КПД возрастает с 14 до 15%, а в некоторых случаях — с 11,5 до 13,5% [17]. Применение покрытия в солнечных элементах из аморфного кремния с -структурой приводит к значительному повышению чувствительности в области высоких энергий фотонов, однако максимальное значение спектральной чувствительности при этом снижается и КПД в условиях существенно не изменяется. Спектральные зависимости чувствительности тыльно-барьерного солнечного элемента со структурой на кварцевой подложке, покрытой слоем при отсутствии и наличии люминесцентного покрытия, активированного рубрепом, приведены на рис. 8.6. Люминесцентное покрытие значительно повышает чувствительность элементов при высоких энергиях фотонов, не оказывая отрицательного влияния на чувствительность в низкоэнергетической области. Хотя, как показано на рис. 8.6, для рубрена характерен стоксов сдвиг относительно небольшой величины, положение максимума излучательной способности почти точно совпадает с положением максимума спектральной чувствительности элемента, что приводит к увеличению КПД в условиях с 3 до 3,5 %.

Спектральная зависимость чувствительности кремниевого солнечного элемента с покрытием из рубина (см. рис. 8.5) при энергии 2,2 эВ имеет локальный минимум, обусловленный полосой поглощения рубина. Снижение чувствительности при низких энергиях фотонов связано с потерями света на отражение вследствие того, что параметры слоев, входящих в данную структуру, не оптимальны. В высокоэнергетической области спектра чувствительность значительно повышается, а при согласовании показателей преломления системы рубиновое покрытие — солнечный элемент КПД в условиях по-видимому, увеличится на 1.. .2 %.

При использовании люминесцентного покрытия из рубина КПД солнечных элементов на основе GaAs с диффузионным переходом повышается с 9 до 9,3%. Устранение потерь излучения на отражение должно способствовать еще большему повышению КПД.