8.4 Каскадные солнечные элементы со сверхвысоким КПД

В обычных солнечных элементах на основе одного полупроводникового материала полезно используется только часть энергии падающего солнечного излучения. Кроме того, напряжение холостого хода таких элементов не может превысить ширину запрещенной зоны полупроводника (в случае гетероперехода — ширину запрещенной зоны узкозонного полупроводника). Эти два эффекта приводят к большим внутренним потерям энергии в обычных элементах, и их КПД при оптимальной ширине запрещенной зоны ограничен значением —25%. В каскадных солнечных элементах [18—35] предусматривается использование не менее двух элементов из различных полупроводниковых материалов с соответствующим образом подобранными значениями ширины запрещенной зоны, которые при последовательном соединении обеспечивают высокое напряжение холостого хода. Применение полупроводников с запрещенными зонами, значительно отличающимися по ширине, способствует более эффективному использованию солнечного излучения и уменьшению внутренних потерь энергии. При правильном выборе материалов каскадные солнечные элементы могут иметь очень высокий общий КПД (более 30 %).

Предложено два способа практического осуществления преобразования энергии при помощи каскадных солнечных элементов. Первый из них связан с применением оптических фильтров с зеркальной поверхностью в сочетании с несколькими элементами, второй — с созданием элементов, у которых переходы расположены последовательно по ходу световых лучей. В первом случае падающее излучение расщепляется на

несколько пучков, и каждый из них направляется на определенный элемент, характеристики которого согласуются со спектральным распределением излучения в данном пучке.

В каскадном солнечном элементе второго типа элементы, изготовленные из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, должны быть расположены друг за другом в такой последовательности, чтобы свет в первую очередь попадал на широкозонный материал. Фотоны, имеющие большую энергию, поглощаются в первом элементе, остальная часть излучения солнечного спектра попадает во второй элемент, в котором также поглощаются наиболее высокоэнергетические фотоны прошедшей части светового потока, а непоглощенное излучение поступает в третий элемент. Процесс селективного поглощения продолжается до тех пор, пока свет не достигнет элемента с наименьшей шириной запрещенной зоны. Ясно, что такая конструкция обеспечивает использование значительно большей части спектра солнечного излучения и позволяет получать более высокий общий КПД.

Идея преобразования излучения с помощью каскадной структуры находит дальнейшее развитие в создании монолитного интегрального каскадного солнечного элемента, в котором отдельные элементы имеют общую базу, а их электрическое соединение осуществляется внутри структуры (в отличие от последовательного соединения независимых солнечных элементов, образующих каскад). Хотя процесс изготовления монолитных каскадных солнечных элементов может оказаться более сложным, необходимо задаться целью исключить прирост стоимости при создании двух и более элементов для каскадной системы, а также решить проблемы электрического соединения элементов, согласования оптических характеристик и сборки модулей.

Рассмотрим более подробно принцип действия солнечных элементов при использовании оптического расщепления спектра и интегральных каскадных солнечных элементов.

8.4.1 Системы на основе оптических фильтров и набора солнечных элементов

Схема каскадного преобразователя, включающего оптический фильтр, концентратор излучения и два элемента, показана на рис. 8.7. Концентратором излучения служит линза Френеля. Плоскость оптического фильтра расположена под углом 45° к оси концентрированного светового пучка. Благодаря этому отраженная часть пучка, которая направляется на 1-й элемент, имеет такую же геометрическую форму, как и часть пучка, прошедшая через фильтр и направленная ко 2-му элементу. Как прошедший, так и отраженный световой пучок можно сфокусировать таким образом, чтобы обеспечить оптимальную концентрацию излучения для каждого элемента.

Рис. 8.7. Схема каскадного солнечного элемента на основе оптического фильтра, концентратора излучения и двух элементов.

При введении в систему других солнечных элементов на пути светового пучка необходимо установить дополнительные оптические фильтры, каждый из которых должен отражать к определенному элементу излучение соответствующей части спектра.

Анализ предельного КПД системы, состоящей из двух элементов, выполнен Масденом и Бакусом [24] при следующих предположениях: 1) концентратор не меняет спектрального распределения энергии излучения; 2) потери излучения в оптическом фильтре отсутствуют, а его коэффициент отражения резко изменяется при пороговой длине волны соответствующей таким образом, что при и при Предельный КПД системы из элементов, работающих в условиях концентрированного излучения, может быть представлен в виде

Здесь фактор напряжения элемента:

Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики элемента равен

Напряжение на элементе соответствующее максимальной мощности, находим из уравнения

Здесь

ширина запрещенной зоны элемента. Плотность фототока элемента определяется уравнением

где — коэффициент концентрации излучения.

С использованием конкретных значений авторы работы [24] определили уровни постоянного предельного КПД в виде функции для каскадной системы из двух элементов при коэффициенте концентрации 100 в условиях Полученные зависимости представлены на рис. 8.8. Для системы на основе элементов из составляет 34%. Для комбинаций элементов из значения КПД равны соответственно. В случае сочетания кремниевого элемента с элементом изматериала, имеющего ширину запрещенной зоны составляет Важной особенностью метода расщепления спектра является значительное снижение внутренних потерь в каждом элементе по сравнению с соответствующими видами потерь в единичных элементах при одинаковых условиях освещения. Этот вывод иллюстрирует рис. 8.9, на котором приведены диаграммы распределения энергетических потерь в двух элементах (на основе работающих независимо и в каскаде при коэффициенте концентрации излучения 125 в условиях

Рис. 8.8. Уровни равных значений предельного каскадных систем на основе двух элементов, оптического фильтра и концентра тора при -кратной интенсивности излучения в условиях [24], В системах используются солнечные элементы на основе следующих полупроводниковых материалов: Материал с Материалы с оптимальными значениями ширины запрещенной зоны

Рис. 8.9. Распределение потерь энергии в единичных солнечных элементах на основе и в двухэлементном каскадном преобразователе, состоящем из элементов на основе при -кратной интенсивности излучения в условиях . А — потери в фильтре, В — отражение излучения и затенение поверхности, С — избыточная энергия фотонов, энергия нефотоактивных фотонов, потери при собирании носителей заряда, потери в области перехода, омические потери — выходная мощность; заштрихованные области соответствуют потерям энергии, вызывающим нагрев элементов.

Кейп и др. [25] провели теоретическое и экспериментальное исследование каскадных систем на основе двух элементов. Для сочетания элементов и оптического фильтра с пороговой длиной волны 0,88 мкм теоретический КПД при 300-кратной интенсивности излучения превышает 30%. Значения КПД, полученные в экспериментах с элементами на основе и оптическим фильтром, имеющим пороговую длину волны 0,73 мкм, при коэффициентах концентрации 340 и 800 близки к расчетным. Очевидно, что система элементов на основе не превосходит по КПД единичные элементы из Авторы отмечают, что необходимыми условиями для успешного применения преобразователей такого типа являются оптимальное расщепление спектра и высокая эффективность оптических фильтров. При осуществлении спектрального расщепления в каждом из элементов протекает меньший фототок, величина которого при грубой оценке пропорциональна потоку фотонов в отдельных световых пучках. Вследствие этого при высоких концентрациях излучения потери мощности на последовательном сопротивлении значительно уменьшаются.

Хотя анализ предельного КПД и дает информацию, необходимую для выбора материалов, следует помнить, что он

основан на ряде допущений. Для предсказания характеристик реальных систем необходимо учесть различные виды потерь энергии. Исходя из результатов теоретического анализа, проведенного рядом исследователей [26, 27], согласно которым двумя благоприятными сочетаниями значений ширины запрещенной зоны являются когда могут использоваться Фанетти и др. [28] высказали предположение, что На практике КПД системы даже при учете потерь излучения в оптическом фильтре может превысить 25%. Для системы из трех элементов на основе реально достижимы значения КПД более 30%. Солнечные элементы из изготовленные Фанетти и др. [28] с применением модифицированного метода жидкофазной эпитаксии, в условиях при -кратной интенсивности излучения имеют КПД соответственно

Экспериментальное подтверждение возможности создания высокоэффективной каскадной системы на основе расщепления спектра при использовании солнечных элементов из получено Ван дер Пласом и др. [29]. Измеренные значения общего КПД составили при коэффициенте концентрации при

8.4.2 Интегральные каскадные солнечные элементы

Схематическое изображение интегрального каскадного солнечного элемента, содержащего три гомогенных -перехода приведено на рис. 8.10, а. Данная структура является основной, а в ее модификациях могут быть использованы гетеропереходы или барьеры Шоттки. Особенностью интегральной структуры является наличие системы встроенной электрической коммутации, которая осуществляет последовательное соединение единичных элементов. На рис. показана эквивалентная электрическая схема каскадного элемента.

При анализе теоретической модели интегрального каскадного солнечного элемента мы будем использовать подход, предложенный Веки [30], рассматривавшим элемент исходя из эквивалентной схемы, представленной на рис. Пренебрегая переходным контактным сопротивлением и сопротивлением: утечки, можно записать следующие уравнения:

Здесь индексом обозначен номер единичного элемента в каскадном преобразователе, плотность обратного

Рис. 8.10. Поперечное сечение интегрального каскадного солнечного элемента, содержащего три гомогенных перехода (а), и его эквивалентная схема (б).

тока насыщения -перехода, Если переходы представляют собой идеальные диоды Шокли, то

Вольт-амперная характеристика интегрального каскадного солнечного элемента определяется путем нахождения общего решения уравнения (8.7) и может быть представлена в виде

Напряжение холостого хода, согласно уравнению (8.9), равно

В режиме короткого замыкания, когда напряжения на отдельных элементах в общем случае не равны нулю. Только в случае равенства всех значений при все напряжения При условии что равны между собой, интегральный каскадный солнечный элемент является сбалансированным. Однако независимо от того, сбалансирован ли

элемент, величина равна наименьшему из значений (поскольку )

Плотность обратного тока насыщения определяется из следующего соотношения, справедливого для идеального -перехода:

где в соответствии с известными значениями для Фототок единичного элемента находится с помощью уравнения

где — число фотонов с энергией Считается, что коэффициент собирания носителей равен единице. Для каскадной структуры, состоящей из двух (или более) солнечных элементов, справедливо соотношение

Здесь — плотность тока, протекающего в элементе с шириной запрещенной зоны расположенном за элементом с шириной запрещенной зоны — плотности фототоков, которые протекали бы в этих же элементах, если бы они работали раздельно. Приведенное выше соотношение выполняется при отсутствии потерь, связанных с внутренним отражением света, и может быть распространено на случай большего количества элементов.

С помощью уравнений (8.10) — (8.14) можно рассчитать предельный теоретический КПД интегрального каскадного солнечного элемента, состоящего из элементов с гомогенными -переходами. Однако при расчетах необходимо провести коррекцию значений исходя из известных параметров материалов, а также учесть влияние переходного сопротивления и сопротивления утечки. Используя расчетные характеристики нескольких гомогенных -переходов, Веки [30] определил рабочие характеристики ряда интегральных каскадных солнечных элементов, в состав которых входят два или три элемента, и сопоставил их с характеристиками соответствующих каскадных систем с независимыми элементами (не имеющими внутреннего электрического соединения). Автором показано, что сбалансированные интегральные каскадные солнечные элементы имеют такие же значения КПД, как и у соответствующих каскадных преобразователей с независимыми элементами. Несбалансированные интегральные каскадные элементы

Рис. 8.11. Расчетные вольт-амперные характеристики сбалансированного (1) и несбалансированного (2) интегральных каскадных преобразователей, состоящих из трех элементов напряжение и плотность тока, соответствующие максимальной мощности.

обладают значительно более низким КПД, чем у каскадных преобразователей с независимыми элементами, а в некоторых случаях — более низким КПД даже по сравнению с КПД единичных солнечных элементов. Интегральный каскадный солнечный элемент на основе двух элементов с представляет собой сбалансированную систему и в условиях имеет равный -такой же, как и у каскадной системы на основе двух независимых элементов со значениями ширины запрещенной зоны 1,10 и Однако в случае сбалансированного интегрального каскадного солнечного элемента составляет лишь 26,6% в отличие от значения 33,2%, характерного для соответствующей каскадной системы с независимыми элементами. Вольт-амперная характеристика трехэлементного сбалансированного интегрального каскадного солнечного элемента с изображена на рис. 8.11. КПД этого преобразователя совпадает с КПД соответствующей каскадной системы с независимыми элементами, и его значение составляет 37,6%. На этом же рисунке приведена вольт-амперная характеристика трехэлементного несбалансированного интегрального каскадного солнечного элемента имеющего КПД лишь в то время как КПД соответствующей системы с независимыми элементами равен 37,4%. Таким образом, первостепенное значение имеет правильный выбор ширины запрещенной зоны материалов, обусловливающий сбалансированное состояние преобразователя. Необходимо также отметить, что прирост КПД при переходе от единичного элемента к двухэлементному интегральному каскадному преобразователю выше, чем при переходе от двух- к трехэлементному преобразователю. Поскольку при введении дополнительных элементов прирост КПД уменьшается, маловероятно, что

Рис. 8.12. Энергетическая зонная диаграмма идеализированного двухпереходного интегрального каскадного солнечного элемента на основе оптимизированного для работы в условиях [32]; около химических формул в скобках указаны значения концентрации носителей заряда

интегральные каскадные преобразователи, в состав которых входит более трех единичных элементов, окажутся эффективными с экономической точки зрения.

Проводятся теоретические и экспериментальные исследования возможности использования в каскадных солнечных элементах арсенида галлия и сплавов на его основе. Фрааз и Кнехтли [31] рассмотрели монолитную каскадную систему с двумя переходами, расчетный КПД которой в условиях составляет 25,6%. Фототоки, вырабатываемые в обоих элементах, в условиях почти равны. Каскадная система с тремя переходами на основе материалов со значениями ширины запрещенной зоны, соответственно равными 0,66; 1,25; 1,77; 2,8 и имеет в условиях теоретический КПД 33%. При 300-кратной интенсивности излучения в условиях этой системы, согласно расчетам, равен 40 %.

Ламорт и Аббот [23, 32] провели теоретическую оптимизацию конструкции двухпереходного каскадного солнечного элемента на основе предназначенного для работы в условиях и при температуре 290 К. На рис. 8.12 приведена энергетическая зонная диаграмма этого элемента.

Он состоит из широкозонного и узкозонного материалов, соединенных туннельным диодом представляющим собой часть монолитной структуры. В условиях солнечного элемента превышает 30%. Характеристики каскадного солнечного элемента такой структуры изучались в диапазоне спектров солнечного излучения от до при коэффициенте концентрации и температуре, изменяющейся в пределах 290...600 К. Результаты этих исследований показывают, что оптимальные значения параметров широкозонного элемента в условиях и несколько отличаются друг от друга, в то время как оптимальные параметры узкозонного элемента одинаковы. Установлено, что теоретический КПД каскадного солнечного элемента повышается с ростом интенсивности излучения и при коэффициенте концентрации, равном 103, достигает 40%.

Экспериментальные исследования интегральных каскадных солнечных элементов были проведены для системы с двумя переходами, изготовленной методом жидкофазной эпитаксии на подложке из GaAs [33]. Два элемента соединены внутри структуры последовательно с помощью — -перехода, обладающего низким сопротивлением. При однократной интенсивности излучения лучших элементов приближается к 9% при Причиной малых значений плотности тока короткого замыкания и КПД являются неоптимальные значения ширины запрещенной зоны и толщины слоев, а также отсутствие слоя оптического окна на верхнем элементе.

Каскадный солнечный элемент усовершенствованной конструкции, на основе [34] имеет значения в интервале (без просветляющего покрытия), при этом что обеспечивает в условиях и соответственно. Высокое сопротивление контактной сетки, расположенной на лицевой поверхности широкозонного оптического окна из приводит к малым значениям коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики. В результате усовершенствования лицевого контакта путем введения тонкого слоя между металлом и слоем окна величина, равная произведению последовательного сопротивления элемента на его площадь, уменьшилась с примерно до Осаждение методом электронно-лучевого испарения многослойной контактной структуры непосредственно на поверхность проведенное после серии операций травления и окисления, позволило уменьшить до значений При нанесении двухслойного просветляющего покрытия, состоящего из пленки толщиной 56 нм и пленки толщиной 80. ..100нм,

Рис. 8.13. Спектральные зависимости чувствительности — отношения генерируемого тока к мощности падающего излучения интегрального каскадного солнечного элемента со структурой Кривые 1 и 2 характеризуют чувствительность единичных элементов, изготовленных соответственно из при наличии просветляющего покрытия, состоящего из пленок толщиной толщиной 120 нм; кривые и 2 — аналогичные зависимости до нанесения просветляющего покрытия.

обычно наблюдалось увеличение каскадного солнечного элемента на 30%, при этом отдельные элементы имели согласованные токи. Спектральные зависимости чувствительности интегрального каскадного солнечного элемента на основе при наличии и отсутствии просветляющего покрытия показаны на рис. 8.13.

Тиммон и др. [35] провели исследование материалов для интегральных каскадных солнечных элементов со структурой Диффузионные переходы были успешно получены в материалах, предназначенных как для верхнего так и для нижнего элементов. Нижний элемент из с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ, снабженный слоем окна из в условиях имел следующие характеристики: Верхний элемент из при наличии окна и просветляющего покрытия обеспечивал Каскадные же элементы на основе этих материалов до сих пор не изготовлены.

Сакай и Умэно [18] предложили структуру каскадного солненчого элемента из (ширина запрещенной зоны для изготовления которого могут применяться обычные методы эпитаксиального осаждения.

Теоретическое исследование структуры показало, что в условиях составляет 19,5 % и может быть повышен до 22,2 % путем создания на поверхности толстого оптического окна из При толщине слоя около 0,2 мкм ожидаемое значение КПД равно 27%. Авторами изготовлен каскадный солнечный элемент на основе которого (23,5%) сравним с КПД обычных элементов с гетероструктурой или переменной шириной запрещенной зоны.

Чангом и др. [20] сообщалось об изготовлении каскадных солнечных элементов из кремния, имеющих переходы как на освещаемой, так и на большей части неосвещаемой поверхности. Толщина слоя кремния составляла 100 мкм. При этом получены значения КПД около 15%. Милнесом [36] рассмотрена возможность создания каскадных солнечных элементов в тонкопленочном исполнении с использованием технологии реотаксиального осаждения пленок, а также были предложены процессы изготовления и структуры двухэлементных каскадных систем, КПД которых может составить 25...30 %.

Аризо и Лоферским [19] предложен интегральный каскадный солнечный элемент на основе двух элементов с гетеропереходами, имеющих общую базу из широкозонного полупроводника, который, как полагают, будет обладать высоким КПД. У освещаемого полупроводника ширина запрещенной зоны больше, чем у третьего полупроводника Для ширины запрещенной зоны промежуточного полупроводника выполняется соотношение преобразователя на основе двух фотоактивных полупроводников с должен превысить 30%. В качестве материалов для такой структуры авторы предложили Оба фотоактивных слоя хорошо согласуются с по параметрам кристаллической решетки, различие между которыми составляет менее 1 %.

Согласно результатам расчета Генри [37], значения предельного КПД единичного солнечного элемента и каскадных элементов, в состав которых входят 2, 3 и 36 переходов, при -кратной концентрации излучения и температуре 300 К в случае идеальных характеристик элементов равны соответственно 37, 50, 56 и 72%. Автор отмечает, что расхождение между найденным значением КПД (72%) и предельным термодинамическим КПД (93%) связано с излучательной рекомбинацией носителей в -переходах, к которым приложено прямое напряжение смещения.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)