4.5.2. Увеличение КПД с помощью электрических полей

В 4.5.1 указано на возможность эффективного увеличения диффузионной длины неосновных носителей заряда в объеме полупроводника с помощью электрического поля, причем - где — диффузионная длина в отсутствие электрического поля. Этот эффект был использован для повышения КПД кремниевых солнечных элементов тремя различными способами: созданием тянущих полей для увеличения в области базового слоя; полей вблизи тыльной стороны элемента для отражения неосновных носителей от нее и тем самым для снижения эффективной скорости поверхностной рекомбинации S на этой поверхности; полей вблизи фронтальной стороны элемента для ускорения носителей, фотогенерированных в лицевом слое, в направлении к -переходу, уменьшения эффективной скорости поверхностной рекомбинации на фронтальной поверхности и снижения рекомбинации в объеме тонкого лицевого слоя.

Разумно использовать тянущие поля в случае элементов, изготовленных из материалов с малой диффузионной длиной L, например из дешевого кремния или поликристаллических, а также в радиационно стойких элементах. Тянущие поля появляются при наличии градиентов концентрации легирующей примеси, например в случае -базы при наличии градиента концентрации акцепторов

При обычной аппроксимации профиля легирования экспоненциальной зависимостью электрическое поле постоянно. Выбор оптимального тянущего поля определяется компромиссом между снижением и увеличением с ростом L. При создании встроенного поля за счет неоднородного легирования концентрация примеси вблизи -перехода становится меньше, чем при его отсутствии в оптимизированном солнечном элементе. Вследствие этого увеличивается и уменьшается

На основе расчетов, выполненных с помощью ЭВМ, показано, что для повышения КПД элемента наиболее эффективно тянущее поле в базовой области толщиной 10—30 мкм, примыкающей к -переходу [Van Overstraeten, Nayts, 1969]. Как показало моделирование с помощью ЭВМ, в подобных элементах, изготовленных из кремния с большими временами жиэни неосновных носителей заряда, тянущие поля лишь незначительно увеличивают КПД, однако при этом резко возрастает радиационная стойкость [Baraona, Brandhorst, 1976].

В случае дрейфовых фотоэлементов не только затруднен теоретический анализ, поскольку зависят от координаты, но и для их изготовления

необходимо преодолеть значительные технологические трудности. Наиболее успешный путь изготовления дрейфовых элементов — эпитаксиальное выращивание слоев при котором варьирование NA можно осуществлять в процессе роста.

Значение полей вблизи тыльной стороны солнечного элемента возрастает в связи с уменьшением толщины поглощающих слоев. Эти поля действуют как зеркало на фотогенерированные носители, эффективно снижая скорость поверхностной рекомбинации S на тыльной поверхности приблизительно в раз (при , где NA - концентрация легирующей примеси в базовой области; у и L — концентрация легирующей примеси, толщина и диффузионная длина неосновных носителей -слоя. Кроме того, поле у тыльной стороны элемента ограничивает инжекцию носителей в прямосмещенном -переходе, в особенности при — толщина и диффузионная длина базовой области), тем самым увеличивая раз и существенно повышая в тонкобазовых элементах. Более точное выражение для эффективной скорости поверхностной рекомбинации имеет вид

где S — скорость поверхностной рекомбинации; D — коэффициент диффузии в -слое [можно сравнить с

При относительно толстых -слоях конфигурацию вблизи тыльной стороны называют иногда иэотипным переходом. При малых толщинах базового слоя солнечный элемент работает как -переход с большим напряжением холостого хода Если выполняется соотношение параметры фотоэлемента соответствуют бесконечным толщинам и влияние поля вблизи тыльной поверхности не сказывается даже при

Создание поля вблизи тыльной стороны можно рассматривать как путь повышения до значения, характерного для элемента с высоким вблизи без снижения для материалов с низким значением Теории солнечных элементов с полем вблизи тыльной стороны посвящено несколько работ

В реальных солнечных элементах с тыльным изотипным переходом наблюдали возрастание фотоотклика в красном диапазоне спектра и увеличение радиационной стойкости вследствие уменьшения толщины слоев а также повышение на [Mandelkorn, Lamneck, 1972]. При изготовлении солнечных элементов с таким переходом применен упрощенный метод, так называемый способ диффузии через сплав, в соответствии с которым сначала проводят двустороннюю диффузию пластин а затем осуществляют диффузию пленки осажденной термическим испарением в высоком вакууме на тыльную сторону пластины, через тыльный -слой до формирования -слоя толщиной 1 мкм.

Для получения -слоев применялись также эпитаксиальные слои и диффузия бора [Mandelkorn е. а., 1973].

Высокие значения наблюдали также в толстых базовых слоях, для которых потребовало других объяснений. В этих случаях возрастание происходило за счет напряжения, появляющегося на изотипном переходе между р- -слоями [Mandelkorn, Lamneck, 1975]. В общем случае в увеличении играют роль все три упомянутых выше механизма.

В принципе от наличия электрического поля вблизи фронтальной поверхности элемента можно ожидать всех тех же преимуществ, которые дают поля вблизи тыльной поверхности. В современных высокоэффективных солнечных элементах с очень тонкими передними легированными слоями характер легирования фактически приводит к существованию фронтальных полей. Однако из-за очень малых толщин и высоких концентраций в передних слоях, которым соответствуют короткие времена жизни неосновных носителей заряда, доминируют другие механизмы. Например, при очень высоких уровнях легирования вблизи поверхности часто возникает тормозящее электрическое поле, намного снижающее КПД солнечного элемента [Godlewski е. а., 1973].

Было обнаружено значительное возрастание (до 0,64 В) при создании изотипного перехода в переднем легированном слое [Lindholm е. а., 1970]. Обратный ток насыщения фронтального слоя этих элементов был снижен до , и предсказана возможность получения элементов с .