4.5.3. Оптимизация элементов обычной конструкции

До настоящего времени не иссяк значительный интерес к проблеме повышения КПД солнечных элементов до 22% [Wolf, 1971].

В большинстве современных высокоэффективных солнечных элементов формируют электрическое поле у тыльной поверхности. За счет повышения времени жизни в базовом слое почти достигнуто предельное оптимальное значение потери на отражение света минимизированы в текстурированных элементах, и ожидается дальнейший рост за счет увеличения чувствительности в голубой части спектра. Рост коэффициента заполнения и напряжения холостого хода достигнут путем оптимизации концентраций носителей заряда и профилей в базовом и диффузионных слоях. Если не принимать во внимание толщину элемента, то концентрации наиболее просто поддаются варьированию.

В обычных высокоэффективных солнечных элементах с целью снижения и увеличения сильно легируют диффузионный слой (обычно -типа) до максимально возможных концентраций легирующей примеси в базе может быть при этом различной. Дальнейшее повышение фотоотклика в голубой части спектра, увеличение коэффициента заполнения

и напряжения холостого хода связано с пересмотром теории диффузионного -слоя.

Согласно развитой ранее теории [Wolf, 1971] считалось, что сростом концентрации носителей заряда по обе стороны от перехода обратный ток насыщения должен уменьшаться, и при см КПД должен достигать максимального значения около 22% (при АМО). Конечно, когда концентрация акцепторов NA (в случае базы -типа) становится слишком высокой, уменьшение ди и приводит к снижению при (удельное сопротивление базового слоя -типа около 0,05 Ом-см). Это обстоятельство существенным образом сказывается на КПД солнечного элемента.

При дальнейшем развитии этой теории Брандхорстом [Brandhorst е. а., 1972] предсказывали уже более низкий практически достижимый предел для КПД — 18% для концентрации акцепторов NA в базе около Однако в более поздних экспериментальных работах установлено, что максимум КПД приходится на [lies and Soclof, 1975; Godlewski e. a., 1975].

Связано это с меньшим, чем было предсказано, значением при варьировании NA; в диапазоне наблюдают широкий максимум при и медленный спад при дальнейшем росте Если сравнить это с предсказаниями упрощенной теории, то должен был бы происходить непрерывный рост с увеличением при Экспериментально полученные значения обычно находились в предсказываемом интервале или же их расхождения могли быть объяснены низкими Различие между теорией и экспериментом, особое внимание на которое было обращено в 1972 г. [Biandhorst, 1972], стимулировало значительный интерес к этой проблеме в выразившийся в появлении нескольких новых моделей.

Вклад в темновой обратный ток насыщения дают два члена: ток электронов, инжектированных в -базу, который зависит от параметров базовой области элемента на основе структуры , и ток дырок, инжектированных в легированный слой -типа, зависящий от . Составляющая значительно превышает в тонком легированном слое толщиной мкм, в котором см/с. Однако при изменении хотя бы одного из этих параметров легированного слоя может существенно увеличиться вклад что приведет к уменьшению При значительном снижении что желательно для повышения дает основной вклад в (см. кривые в и г на рис. 4.22). Из-за очень малой толщины -слоя и очень высоких значений а также наличия почти наверняка неоднородных распределений и др эти параметры и трудно точно измерить и еще труднее удовлетворительно промоделировать. Иногда считают, что ND изменяется по линейному закону, причем [Lindholm е. а., 1975].

Согласно большинству современных моделей насыщение обусловлено тем, что ток значительно больше, чем ранее предполагалось (б на рис. 4.22). Доводы, выдвигаемые для объяснения этого явления, чаще всего связаны с различными проявлениями так называемых эффектов

Рис. 4.22. Зависимость тока насыщения от удельного сопротивления базовой области высокоэффективного солнечного элемента: а - полный ток полученный исходя из измерений ; б - дырочный ток насыщения с учетом эффектов сильного легирования; в - то же, но без учета эффектов сильного легирования; г — электронный ток насыщения рассчитанный исходя измеренных значений в совершенных кристаллах

сильного легирования, а именно:

1) кластеризация примесей обусловливает трехмерную пространственную неоднородность -перехода и облегчает процессы туннелирования по дефектам в обедненном слое [Lindholm е. а., 1975];

2) сужение запрещенной зоны в сильно легированном -слое из-за появления примесных зон энергий «хвостов» плотностей состояний и эффектов механических напряжений [Dunbar, Hauser, 1975,1977];

3) наличие тормозящего поля, обусловленного снижением концентрации носителей с ростом которое повышает эффективную скорость поверхностной рекомбинации [Godlewski е. а., 1975];

4) сужение запрещенной зоны из-за наличия сильных электрических полей, т. е. эффекта, являющегося тепловым аналогом эффекта Франца-Келдыша, и изменение генерационно-рекомбинационного тока через -переход [Rittner, 1977];

5) совместное влияние рекомбинации на поверхности легированного слоя и сужения запрещенной зоны [Fossum е. а., 1979; Shibib, Fossum. 1981].

С учетом этих эффектов были проведены расчеты с помощью ЭВМ [Hauser, Dunbar, 1977], из которых следовало, что можно создать солнечные элементы с КПД от 17,5 до 18% (при условии освещения солнечным излучением со спектром АМО с учетом всей площади элемента включая энергетические потери на сопротивлении из-за наличия кон тактной сетки).

Важность учета эффектов сильного легирования была продемонстри рована на примере солнечного элемента с инверсионным слоем [Blakers Green, 1981], где высокая концентрация носителей заряда в -слое инду, цируется зарядом в окисле, а не создается путем легирования. Значение в этих элементах достигает 0,678 В. До сих пор существуют противоречивые мнения относительно физических механизмов, ответственных за проявления эффектов сильного легирования [Shibib е. a., 1979;Fossum е. а., 1979; Amantea, 1980; Lanyon, 1981; Redfield, 1980, 1981].