Глава 4. КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Кремний — наиболее изученный полупроводниковый материал, а изготовленные из него солнечные элементы на основе гомогенного -перехода являются, по-видимому, простейшими фотоэлектрическими преобразователями. В 1981 г. кремниевые солнечные элементы с -переходом были единственными серийно выпускаемыми промышленностью:

4.1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Кремниевый солнечный преобразователь был изобретен в г. научными сотрудниками Bell Laboratories в период, когда уже ощущалась потребность в фотоэлектрическом преобразовании энергии.

В это время Чапен занимался проблемой источников энергии для систем дальней связи, а Фуллер использовал твердофазную диффузию для создания кремниевых -переходов большой площади. Впоследствии Пирсон при исследованиях мощных выпрямителей, изготовленных по технологии Фуллера, обнаружил их необычную чувствительность к свету и тем самым предложил решение назревшей проблемы фотоэлектрического преобразования энергии.

При испытаниях диодов Пирсона, изготовленных на основе литиеводиффузионного кремниевого -перехода, в условиях солнечного освещения был получен КПД — 4%, т. е. более чем в 5 раз больший, чем у ранее известных кремниевых фотоэлектрических преобразователей. Однако вследствие высокой диффузионной способности атомов устройства обладали некоторой нестабильностью даже при комнатной температуре. Фуллером была развита технология диффузионного введения бора, и в 1954 г. опубликовано описание стабильного кремниевого солнечного элемента с КПД [Chapin е. а., 1954].

Первое практическое применение солнечных элементов было осуществлено в 1955 г. при испытаниях -ваттной батареи для питания телефонного ретранслятора, установленного в штате Джорджия (США). Непрерывная шестимесячная работа батареи — несомненное техническое достижение, однако тогда же была установлена экономическая нецелесообразность использования подобного источника питания для этих целей.

Эра спутников дала новый импульс для продолжения исследований в этой области. Впервые фотоэлектрические солнечные преобразователи были использованы в космосе начиная с запуска на орбиту Авангарда-1 17 марта Радиопередатчик этого спутника, получающий питание от солнечной батареи, подавал сигналы в течение 8 лет до выхода из строя элементов из-за радиационного повреждения.

Начиная с этого времени цены на кремниевые солнечные элементы начали быстро падать в связи с развитием технологии (рис. 4.1), а КПД их возрос до 15-17%, что соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы, т. е. при нулевой воздушной массе (АМО). До 1977 г., когда впервые на нескольких советских спутниках были применены солнечные элементы на основе единственным серьезным конкурентом кремниевых элементов являлись тонкопленочные элементы на основе от которых ожидали повышенной радиационной стойкости. Однако в этих элементах не удалось достичь КПД, приемлемых для использования в космосе. С развитием наземной солнечной энергетики, основанной на фотоэлектрическом преобразовании, ситуация снова осложнилась

Рис. 4.1. Коэффициент полезного действия кремниевых моиокристаллических солнечных элементов и батарей. Стоимости генерируемой ими мощности в различные годы (Т и 300 К) указаны по дате установления расценки без учета инфляции и приведены для солнечных элементов и батарей наземного применения, за исключением данных по 1975 г. для батареи космического применения. Большая их часть до 1972 г. взята из работы Вольфа. Горизонтальные линии в правом верхнем углу - предельные значения КПД при условиях освещения АМО и которые можно реализовать на практике

и многие устройства, включая концентраторные системы на основе и различные тонкопленочные солнечные элементы, возможно, окажутся конкурентоспособными по сравнению с солнечными, использующими монокристаллический кремний.

В последние несколько лет наблюдается тенденция улучшения характеристик серийно выпускаемых кремниевых солнечных элементов, главным образом за счет уменьшения потерь носителей заряда, рожденных коротковолновой частью солнечного спектра в переднем слое -типа проводимости, увеличения напряжения холостого хода (путем варьирования уровней легирования) и повышения радиационной стойкости.

В книге не ставится цепь подробно изложить историю развития технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Читатель, интересующийся этим вопросом, может получить подробные сведения об этом из соответствующих статей [Wolf, 1972; Smits, 1976]. Тем не менее следует отметить несколько значительных этапов в усовершенствовании элементов: создание «стандартного» солнечного элемента на основе -структуры в условиях АМО); фиолетового элемента -элемента фирмы Comsat с не отражающей свет текстурированной поверхностью Следующий этап в технологии — создание -элементов с электрическим полем вблизи тыльной

поверхности, снижающим потери носителей заряда у этой поверхности. Такая идея появилась в 1960 г. [Dale, Rudenberg, 1960], но ее практическая реализация была осуществлена лишь в 1972 г. [Mandelkorm, Lamneck, 1972].

На примере фиолетового элемента, созданного фирмой Comsat [Lind-mayer, Allison, 1973], можно продемонстрировать направления указанных усовершенствований. В этом элементе существенно повышена чувствительность к голубой и фиолетовой частям солнечного спектра за счет уменьшения толщины диффузионного лицевого слоя -типа до 0,1- 0,2 мкм и увеличения времени жизни неосновных носителей заряда в этом слое.

В предшествующих конструкциях диффузия атомов Р до глубин около 5 мкм сопровождалась образованием так называемого мертвого слоя толщиной около 0,1 мкм, в котором концентрация атомов достигала предела растворимости в кремнии, а время жизни не превышало примерно .

Более того, предполагали, что дислокации из мертвого слоя проникают в область обеднения, образуя в ней дополнительные рекомбинационные центры. Хотя эти центры и не оказывают заметного влияния на , однако увеличивают рекомбинационный ток в области пространственного заряда, повышая тем самым диодные потери в точке максимальной мощности. Таким образом, устранение мертвого слоя в фиолетовом элементе косвенно приводит к значительному увеличению коэффициента заполнения и напряжения холостого хода . В связи с увеличением диапазона спектрального отклика в фиолетовом элементе (спектральная чувствительность в коротковолновой области спектра начинается с 0,35, а не с 0,45 мкм, как в предшествующих элементах) просветляющие покрытия или ТЮ заменены на

Наконец была предложена новая конструкция контактной сетки для компенсации более низкой проводимости утонченного -слоя. Дальнейшее повышение КПД на принципиально новой основе достигнуто в элементе с неотражающей поверхностью, созданном фирмой Comsat (см. разд. 4.4.4).

Принципы работы и технология изготовления кремниевых солнечных элементов рассмотрены в фундаментальных обзорах Брандхорста и Холла. Расчет предельного КПД кремниевого элемента выполнен Вольфом.

Физические и электронные свойства

(см. скан)