4.6. Энергетическая зонная диаграмма и механизмы потерь

Разработано несколько физических моделей солнечных элементов с гетеропереходом Ротворф [42] обобщил полученные ранее результаты и предложил теоретическую модель, в которой учитывается рекомбинация носителей заряда на границе раздела. На основе этой модели и др. [74] построили энергетическую зонную диаграмму элемента, которая изображена на рис. 4.15. Значения всех параметров перехода, использованные в этой диаграмме, определены экспериментально. Согласно данной модели, при обычных значениях концентрации носителей область пространственного заряда сосредоточена в основном в слое Во фронтально-барьерных элементах солнечное излучение с энергией фотонов (ширина запрещенной зоны составляет 1,2 эВ) почти полностью поглощается в слое толщиной 0,1... 0,3 мкм и генерирует электронно-дырочные пары. В тыльно-барьерных элементах

Рис. 4.15. Энергетическая зонпая диаграмма солнечного элемента с гетеропереходом соответственно дно зоны проводимости, ширина запрещенной зоны и вершина валентной зоны в аналогичные параметры уровень Ферми, V — диффузионный потенциал, ширина обедненного слоя,

около падающего света поглощается в слое Электронно-дырочные пары в слоях (или в одном из них) диффундируют к границе раздела, и электроны, прошедшие в либо выбрасываются в объем слоя под действием поля существующего в области перехода, либо захватываются энергетическими уровнями на границе раздела и рекомбинируют с дырками, поступающими из Напряженность этого поля определяется разностью потенциалов, приложенной к элементу, потоком фотонов, длиной волны света и характером распределения доноров и акцепторов вблизи перехода в Ток короткого замыкания и коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики зависят от напряженности поля в области перехода и, следовательно, от параметров, влияющих на эту величину. Обратный ток насыщения и напряжение холостого хода определяются особенностями процесса рекомбинации носителей на границе раздела.

Ток короткого замыкания фронтально-барьерного элемента равен Здесь — площадь элемента и

Здесь длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны подвижность носителей в скорость

рекомбинации на границе раздела, -плотность падающего потока фотонов, степень прозрачности контактной сетки, отражения от поверхности элемента, —доля излучения, теряемого для преобразования вследствие поглощения, и коэффициент собирания носителей в слое На величину оказывают влияние следующие параметры слоя коэффициент поглощения света а диффузионная длина носителей эффективная толщина слоя размер зерен напряженность тянущего поля и скорость поверхностной рекомбинации Величина зависит также от типа конструкции элемента (фронтально-барьерная, тыльно-барьерная или эти же типы конструкций, но с отражающим контактом). Исходя из рассмотренной модели рассчитаны относительные доли уменьшения тока короткого замыкания высокоэффективных солнечных элементов на основе связанные с различными механизмами потерь. Их значения составляют: поглощение и отражение света, затенение поверхности контактной сеткой, -поверхностная рекомбинация, объемная рекомбинация, рекомбинация на границе раздела, рекомбинация на межзеренных границах, потери света вблизи тыльной поверхности и в объеме слоя При суммарных потерях, составляющих плотность тока короткого замыкания в условиях равна

Если предположить, что протекание тока определяется в основном рекомбинационными процессами на границе раздела и что шунтирующее сопротивление элемента достаточно велико, то выполняется соотношение

Здесь разность энергий сродства к электрону эффективная плотность состояний в зоне проводимости заряд электрона и площадь перехода. Согласно оценочным расчетам, слагаемые, входящие в соотношение (4.2), имеют следующие значения: а величина зависящая от площади перехода, равна 0,03...0,06. В результате максимальное значение напряжения холостого хода планарного элемента составляет 0,54 В. Наиболее высокое значение достигнутое на практике у солнечных элементов на основе изготовляемых сухим методом, также равно 0,54 В [19]. Напряжение холостого хода можно существенно повысить путем изменения Однако, поскольку величины определяются свойствами исходных полупроводниковых материалов, для этого необходима модификация структуры материалов или замена одних

полупроводников другими. У элементов на основе вероятно, могут быть получены значения . У реальных элементов такого типа напряжение холостого хода составляет Высокое значение этих элементов является следствием увеличения ширины запрещенной зоны сравнению с сопровождающегося уменьшением и возрастанием величины .

Как показывают расчеты, у тонкопленочного солнечного мента на основе с идеальными диодными свойствами при коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики равен 0,80. В реальных же элементах коэффициент заполнения уменьшается на под влиянием последовательного сопротивления и дополнительно — на 0,03 вследствие существования зависимости тока короткого замыкания от напряженности поля в области перехода. В настоящее время лучшие элементы со структурой имеют значения коэффициента заполнения в пределах

Проведенный анализ энергетических потерь показывает, что КПД солнечных элементов на основе может быть повышен примерно до 11 %. У элементов со структурой ожидаемое значение КПД составляет Следует отметить, что в условиях, когда преобладающим рекомбинационным процессом является рекомбинация носителей заряда в объеме (при низкой скорости рекомбинации на границе раздела), напряжение холостого хода при комнатной температуре может возрасти до 0,86 В, а коэффициент заполнения вольтамперной характеристики — до 0,86. При этих значениях параметров КПД достигает 26 %.