3.4.2. Тепловые характеристики

При изучении температурной зависимости КПД преобразования солнечной энергии можно раздельно рассмотреть аналогичные зависимости [Wysocki, Rappaport, 1960].

Зависимость от температуры обусловлена главным образом наличием связи последней с диффузионной длиной неосновных носителей заряда Если солнечный элемент обладает высоким начальным значением коэффициента собирания то изменения L при разных температурах влияют на него несущественно [см. (1.19)]; лишь у элементов с низкими начальными изменения L могут значительно воздействовать на Помня об этом, рассмотрим влияние температуры на

Сложная связь времени жизни неосновных носителей заряда и температуры обусловлена тем, что на оказывают влияние взаимное положение энергетических уровней рекомбинационных центров и квазиуровней Ферми, а также температурная зависимость сечений захвата этих центров. Простым примером может служить рекомбинационный центр донорного типа с энергетическим уровнем и сечением захвата (обусловленным кулоновским взаимодействием), которое уменьшается с ростом температуры пропорционально Следовательно, изменяется пропорционально

Расчеты, выполненные с использованием соотношения Шокли-Рида, показывают, что время жизни электронов при температуре 300 К медленно возрастает при повышении температуры до тех пор, пока не достигнет значения Наличие сильной температурной зависимости (когда ее значения превышают ) приводит к тому, что увеличивается почти экспоненциально при возрастании Т. Экспериментально наблюдаемое в кремнии изменение представляет собой плавное возрастание при повышении Т (приближенно пропорциональное при в условиях низкого уровня инжекции) [Othmei, Chen, 1978].

Характер температурной зависимости подвижности носителей заряда определяется основным механизмом рассеяния. Например, если преобладает рассеяние носителей на акустических фононах, то подвижность изменяется пропорционально где в наиболее простом случае При невысоком уровне легирования кремния наблюдаемые вариации можно описать приближенно и поэтому L почти не зависит от температуры. В случае же повышение Т сопровождается более ярко выраженным возрастанием L вследствие более сильной зависимости от Т.

Небольшое смещение края оптического поглощения при вариациях температуры вызывает изменение (которое можно найти для любого конкретного спектра солнечного излучения). Это изменение относительно невелико (например, для ). Кроме

того, небольшое увеличение с ростом температуры является следствием изменения собственно коэффициента поглощения света при вариациях температуры [Shumka, 1970].

Согласно экспериментальным данным у большинства высококачественных кремниевых солнечных элементов почти постоянна и незначительно возрастает при повышении температуры. Пример температурной зависимости приведен на рис. 3.20.

Уменьшение при повышении температуры вызвано в основном изменением возрастает экспоненциально по мере роста Т, что приводит почти к линейному спаду при увеличении Т. В общем случае для области, расположенной по одну сторону гомогенного перехода, при справедливо соотношение

при

где параметры, практически не зависящие от температуры, обобщены в виде константы В. Уравнение (3.20) можно представить в виде

Здесь член уравнения, определяемый логарифмической функцией, больше нуля, и его изменение при вариациях температуры незначительно. Пример температурной зависимости показан на рис. 3.20.

Температурной зависимостью часто пользуются для оценки эффективной высоты барьера в экспериментальных фотоэлектрических приборах. Так, с помощью (3.22) для области диода Шокли, расположенной по одну сторону перехода, при экстраполяции измеренной зависимости от Г к точке по величине отрезка, отсекаемого на оси температур, определяется значение .

Обычно довольно резко уменьшается при возрастании температуры, как это показано на рис. 3.20. Изменения рассчитать с помощью (3.8) и (3.10), однако вычисления слишком сложны, чтобы их излагать подробно.

Коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии элементов с гомогенным переходом на основе кремния, определяемый с помощью соотношения достигает максимального значения при температурах от —150 до при температуре, близкой к КПД изменяется со скоростью (см. рис. 3.20). Опубликованные данные [Arora, Mathur, 1981] позволяют сопоставить теоретические и экспериментальные температурные зависимости фотоэлектрических параметров кремниевых солнечных элементов.

Поскольку в как правило, наблюдается более резкое возрастание L при повышении температуры, максимальное значение солнечных элементов на основе отвечает более высоким температурам (от —100 до -50°С). Как следует из рис. 3.21, при температуре вблизи КПД снижается со скоростью

Рис. 3.20. Температурные зависимости фотоэлектрических параметров экспериментального кремниевого солнечного элемента площадью при . Кривая экстраполирована к

Рис. 3.21. Температурные зависимости фотоэлектрических параметров в условиях АМО при солнечного элемента на основе

Температурные зависимости фотоэлектрических параметров других типов приборов с гетеропереходом или барьером Шоттки, в которых протекание тока связано главным образом с тепловой инжекцией носителей заряда, качественно аналогичны рассмотренным [Fischer-Colbrie е. а., 1976]. В гетеропереходах при повышенных температурах обычно довольно резко возрастает при увеличении ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника. Поэтому широкозонные материалы в большей степени подходят для использования в сочетании с концентраторами излучения и в высокотемпературных системах других типов.

Если процесс протекания тока хотя бы частично обусловлен туннелированием носителей заряда, как происходит в солнечных элементах на основе и с МДП-структурой, то полагают, что могут в меньшей мере зависеть от температуры. Температурные зависимости фотоэлектрических параметров элементов с МДП-структурой в настоящее время изучены недостаточно глубоко.

При работе элементов в условиях низкой температуры возникают особые проблемы: если подвижность носителей заряда определяется их рассеянием заряженными примесями, то возможно значительное уменьшение L и, следовательно, При низких температурах контакты могут утратить свои омические свойства, что приведет к существенному уменьшению . В кремниевых солнечных элементах последняя проблема в значительной мере устранена благодаря созданию на тыльной поверхности (посредством диффузии ) -слоя.