5.2.3. Наиболее распространенная структура солнечного элемента на основе GaAs и ее предварительная оптимизация
За исключением одного единственного раннего сообщения о солнечном элементе на основе
-гомоперехода в
[Jenny е. а., 1956], интенсивные исследования солнечных элементов на основе
начались значительно позже, чем в случае
. В одной из ранних публикаций сообщалось о солнечном элементе на основе р - и-перехода в
имевшем при
и большое значение
[Gobat е. а., 1962]. В 1970 г. впервые стало известно о создании гетеро-переходной структуры
имевшей в условиях освещения АМО КПД 10-11% и сильно расширенную спектральную чувствительность в коротковолновой области по сравнению с р- л-гомопереходом [Alferov е.а., 1971].
Большой скачок в повышении КПД произошел в 1972 г. с появлением солнечного элемента с гетерофазной границей раздела; впервые это удалось Вудалу и Ховелу: их элементы со структурой
изготовленные методом жидкофазной эпитаксии, имели
и 19,1% при
соответственно [Woodall, Hovel, 1972]. В результате диффузии
при осаждении слоя
в пластине
формировался промежуточный слой
-типа проводимости. Вскоре был сделан аргументированный вывод, что солнечные элементы на его основе, имеющие большой КПД, перспективны для применения в системах, использующих концентрированные солнечные потоки, в которых высокая стоимость самого элемента составляет лишь малую долю стоимости всей концентраторной системы.
В 1978 г. появился солнечный элемент на основе гомопереходов
со структурой, напоминающей типичный кремниевый солнечный элемент с изотипным переходом у тыльного контакта [Fan, Bozber, 1978]. Слои
-типов получали методом химического осаждения из паровой фазы, причем утончение
-слоя до требуемого размера (0,045 мкм) выполнялось анодированием. Слой анодного оксида после завершения стравливания
-слоя оставляли на поверхности элемента, и он служил в качестве просветляющего покрытия. Коэффициент полезного действия этого элемента при
составлял 20% без использования концентрированных потоков. Все же элементы с гетероструктурами имеют пока более высокий КПД: 24,7% при
и степени концентрации 180 в случае гетероструктуры с переменным составом слоя
[Sahai е. а., 1978]; 21% при
(без применения концентрированных потоков) [James, Moon, 1975] и 21,9% при
(без концентрации солнечного излучения [Woodall, Hovel, 1977 ].
Параметры и выходные характеристики солнечного элемента с гетероструктурой
применения коицеитрироваииого излучении)
(см. скан)
Структура солнечного элемента, созданного Вудалом и Ховелом (рис. 5.6), в большинстве современных конструкций элементов практически полностью сохранилась, изменения коснулись только толщины и состава слоев.
Значительная часть носителей, фотогенерированных в слое
- рекомбинирует на лицевой поверхности при
на которой
. Однако ввиду большой ширины запрещенной зоны для непрямых оптических переходов в
вклад фотогенерированных в этом слое носителей заряда в общий фототок
незначителен, и поэтому влияние потерь, связанных с рекомбинацией на лицевой поверхности, также очень мало. Несоответствие параметров кристаллических решеток
и возможность получения чистых границ раздела в процессе изготовления обусловливают малые рекомбинационные потери на гетеропереходе
[Ettenberg, Kressel, 1976].
Поскольку в большинстве случаев
-слой участвует в собирании носителей заряда (исключение составляет структура, рассмотренная в 5.2.4), электропроводность тонкого
-слоя, в котором происходит полезное поглощение большей части световой энергии, можно оптимизировать с целью увеличения
а не коэффициента собирания. При сравнении диффузионного
-перехода, полученного с помощью диффузии
Рис. 5.6. Энергетическая зонная диаграмма типичного гетероструктурного солнечного элемента
Рис. 5.7. Зависимость тока, наведенного электронным пучком, от расстояния до
-перехода: а - структура со слоем
образованным при диффузии
в процессе выращивания слоя AlGaAs; б - со слоем
осажденным методом жидкофазной эпитаксии до выращивания слоя AIGaAs [Shen.//California, Stanford. Thesis, Dcp. Electr. Eng., 1976]
атомов
и изготовленного путем осаждения слоя
легированного атомами
установлены более высокие значения
и коэффициента собирания фотогенерированных носителей в последнем случае. Это подтверждается, например, анализом результатов, полученных при измерении тока, наведенного электронным пучком (рис. 5.7). Из других измерений зтим методом следует, что
мкм при уровне легирования атомами
Диодные вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе
достаточно хорошо можно описать инжекционными и рекомбинационно-генерационными моделями Шокли. При значениях токов, соответствующих неконценгрированному освещению, характерному для условий
может доминировать как инжекционный, так и рекомбинационно-генерационный механизм, а при высоких уровнях концентрации солнечного излучения в большинстве элементов действует инжекционный механизм, которому соответствуют
и низкие значения
Рис. 5.8. Расчетные зависимости коэффициента собирания
солнечных элементов со структурой
от энергии
фотонов при различных толщинах D слоя
мкм;
мкм;
в слое
мкм в слое
мкм в подложке
Рис. 5.9. Расчетная зависимость
от толщины d слоя
в условиях освещения АМО. Использовали те же параметры, что и на рис. 5.8; кроме того, сделано предположение, что
Рис. 5.10. Расчетная
от толщины d слоя
при различных значениях
(в условиях освещения АМО). Использованы такие же параметры материалов, что и на рис.
такие же, как и в предшествующих расчетах. При расчетах по оптимизации КПД солнечных элементов, предназначенных для работы в концентраторных системах, на графике
от d также имел место широкий максимум при
3. Оптимизируя уровень легирования. Путем варьирования уровня легирования
-областей при сохранении высоких значений
в
-слое можно добиться максимальных значений
В случае
-переходов, в которых перенос носителей осуществляется по рекомбинационно-генерационному механизму, эта оптимизация включает подбор значения
с учетом влияния уровня легирования в квазинейтральной области на время жизни в обедненном слое. Была рассмотрена зависимость
от уровня легирования квазинейтральной n- области в солнечных элементах, протекание тока в которых определялось рекомбинационно-генерационным механизмом, и поэтому предположили, что время жизни носителей в обедненном слое зависит от значения
в квазинейтральной n- области [Sekela е. а., 1977].