Проблема эффективности солнечных элементов

Эффективность солнечных элементов ограничена вследствие различного рода потерь; некоторые из них можно избежать, другие заключены в физической природе самих элементов. Одни ограничения очевидны и могут контролироваться независимо, другие являются сложными и не могут контролироваться без воздействия на материалы. Например, увеличение концентрации примеси может давать как положительный, так и отрицательный эффект. В табл. 8.1 приведены типичные потери в солнечных элементах с кремниевым –переходом при облученности в условиях .

Ниже приведены потери в процентном отношении к полной облученности, которая в условиях полагается равной 100%. Потери кратко сформулированы и даются в направлении от лицевой поверхности к основанию фотоэлемента. Коэффициенты полезного действия в табл. 8.1 отнесены к полезной доле приходящего потока излучения, поглощаемой при фотоэлектрической генерации энергии солнца.

1. Ограниченная площадь контактов на лицевой поверхности солнечного элемента (потери примерно 3%). Для снижения потерь, связанных с добавочным сопротивлением поверхности, электрический заряд собирается с поверхности фотоэлемента сеткой металлических контактов. Эти контакты имеют ограниченную площадь и закрывают только часть активной поверхности. Этот вид потерь не всегда учитывается в расчетах КПД.

2. Отражение от лицевой поверхности (потери около 1%). Если не принимать специальных мер, коэффициент отражения приходящего солнечного излучения от поверхности полупроводника будет высоким – около 40%.

Эту величину можно снизить до 3%, если поверхность полупроводника покрыть тонкой пленкой, которая имеет соответствующую толщину и показатель преломления (см. рис. 8.33), или каким-либо образом придать поверхности текстурированную или структурированную форму (см. рис. 8.34).

Таблица 8.1 – Потери, характерные для кремниевых солнечных элементов

Данные на 1983 г.	Данные на 2010 г.
Энергия, оставшаяся после учета потерь в данном процессе, %	Потери мощности	Эффективноcть	Примечания	Эффективность	Потери мощности	Энергия, оставшаяся после учета потерь в данном процессе, %
		0,77	Нет фотопоглощения:	0,77
		0,57	Избыток энергии фотонов переходит в тепло	0,57
		0,97	Отражение от поверхности	0,99
	0,4	0,99	Квантовый КПД	0,99	0,4
		0,92	Ограниченная площадь контактов на лицевой поверхности	0,95	1,6
		0.5	Потери потенциала	0.7
		0,81	Фактор кривизны – максимальная мощность	0,87
		0,65	Добавочный фактор кривизны – ; рекомбинационные потери	0,9	2,4
0,7	0,3	0,97	Добавочное сопротивление	0,97	0,6
0.6	0,1	0,99	Шунтирующее сопротивление	0,99	0,2
	–	–	Полезная мощность	–	–

Рисунок 8.33 – Ход лучей в противоотражательной тонкой пленке

Расчет показывает, что толщина пленки должна быть

, (8.45)

где – длина волны падающего света; – показатель преломления покрытия.

А связь между показателями преломления пленки и полупроводника имеет вид:

, (8.46)

где – показатель преломления полупроводника.

Применение многослойных диэлектрических покрытий позволяет снизить эти потери до 3% и ниже.

Рисунок 8.34 – Виды поверхности с повышенной поглощательной способностью:

а – текстурированная; б – структурированная

3. Фотоны с энергией, меньше ширины запрещенной зоны (потери около 23%). Фотоны с энергией не могут привести к генерации электрического тока. Для кремния с величиной запрещенной зоны =1,1 эВ неактивные длины волн составляют 23% в условиях облученности .

Поглощение этих фотонов приводит к нагреву солнечного элемента, вследствие чего он еще больше нагревается, и мощность, отдаваемая им, падает.

4.Фотоны с избыточной энергией ( потери около 33%) Избыток энергии активных фотонов () также переходит в тепло. Однако частично эту энергию возможно использовать, применяя различные полупроводниковые материалы.

5. Квантовая эффективность (потери 0,4%). При разработке солнечных элементов необходимо предусмотреть, чтобы материал имел достаточную толщину для поглощения, по крайней мере 95% падающего излучения. Нанесение отражающего слоя с тыльной стороны элемента позволяет вернуть излучение для повторного прохода через поглощающий материал.

6. Эффективность генерации тока. Эта составляющая полного КПД определяется следующим образом. Это часть появившихся под воздействием потока излучения электронно-дырочных пар, которые участвуют в возникновении тока во внешней цепи фотоэлемента. При полном КПД солнечного элемента – 10% эффективность генерации тока составляет обычно около 0,7. Увеличение этого параметра до 0,9 приведет к повышению полного КПД до 20% и выше, поэтому основная цель – усовершенствование солнечных элементов.

Существуют различные способы изменения этого параметра. Одним из самых возможных является формирование добавочного потенциального барьера вблизи металлического контакта с тыльной стороны. За –переходом формируется слой с повышенной концентрацией примеси (например, слой толщиной 1 мкм за слоем –типа для создания добавочного барьера около 200 кВ×м^-1 (см. рис. 8.35). Неосновные носители – электроны, возникающие в слое вблизи этой области, как бы отражаются градиентом потенциала по направлению к основному –переходу быстрее, чем диффундируемый поток электронов с тыльной стороны элемента.

Рисунок 8.35 – Схема движения носителей в элементе с добавочным потенциальным барьером, уменьшающим диффузию электронов к металлическому контакту с тыльной стороны:

1 – лицевой контакт; 2 – металлический контакт

Вследствие этого скорость рекомбинации на тыльном контакте снижается. Такие диодоподобные слои могут быть добавлены и на лицевой поверхности (например, и ) при достижении аналогичного эффекта для дырок. В результате этого коэффициент поглощения приемной поверхности возрастает.

7. Потери потенциала (примерно 20%). Каждый поглощенный фотон создает электронно-дырочную пару с разностью потенциалов (для кремния это 1,1 В). Однако только часть () этого потенциала участвует в создании ЭДС во внешней цепи. Это видно из рис. 8.20, на котором показаны расположение зон вдоль перехода и направление диффузии носителей, которые приводят к созданию разности потенциалов (). Потери потенциала характеризует величина . В кремниевых фотоэлементах меняется от 0,6 до 0,5, соответственно изменяется в пределах от 0,66 до 0,55 В.

Имеют место и потери ЭДС (), так как в разомкнутой цепи уровень Ферми вдоль перехода выравнивается с донорным и акцепторным уровнями, которые отстоят от границ зоны проводимости и валентной зоны соответственно на и .

Увеличение концентрации примесей приводит к повышению (кремниевые элементы с удельным сопротивлением 0,01 Ом×м имеют бόльшие значения и , чем с удельным сопротивлением 0,1 Ом×м). В других фотоэлементах, например, из GaAs »0,8.

8. Фактор кривизны вольтамперной характеристики (потери около 4%). Вольтамперная характеристика солнечного элемента сильно зависит от характеристики –перехода (см. рис. 8.24). Если напряжение на выходе элемента возрастает до , то увеличивается прямое смещение, приложенное к переходу, в результате чего растет внутренний рекомбинационный ток через переход . Этот эффект является основной причиной потерь в системе. Максимальная мощность Р_max меньше произведения вследствие экспоненциальной формы характеристики.

Фактор кривизны , иногда называемый параметром насыщения, равняется . Максимальное значение для кремния этого фактора равно 0,88.

9. Добавочный фактор кривизны (потери около 5%), Вольтамперные характеристики реальных солнечных элементов описываются зависимостью:

. (8.47)

Появление коэффициента ( >2 для многих промышленных фотоэлементов) связано с усилением рекомбинации в зоне перехода. Это приводит также к изменению и , поэтому максимум выходной мощности реализуется только при =1.

10. Добавочное сопротивление (потери около 0,3%). В солнечных элементах носители заряда из всего объема материала диффундируют к контактам выходных проводников. С тыльной стороны контакт может закрывать всю поверхность элемента, и вклад поверхности в сопротивление будет небольшим. Но лицевая поверхность элемента должна быть максимально освещена солнцем, поэтому площадь, занятая контактами, должна быть сведена к минимуму. Это приводит к увеличению длин пробега носителей и появлению добавочного сопротивления. В настоящее время достигнуты значительные успехи в изготовлении и оптимальном размещении на поверхности этих контактов. Добавочное сопротивление лицевой поверхности снижено до 0,1 Ом в элементах, сопротивление которых составляет 20 Ом при максимальной мощности.

11. Шунтирующее сопротивление (потери небольшие, около 0,1%)

Появление шунтирующего сопротивления является следствием дефектов струткруы в объеме и на поверхности солнечного элемента. Современная технология позволяет избежать появления этих дефектов и сделать их воздействие незначительным, так что для монокристаллического кремниевого элемента шунтирующим сопротивлением можно пренебречь.

12. Из табл. 8.1. следует, что в кремниевых солнечных батареях полезная мощность составляет примерно 10% (с учетом всех потерь). Кроме того, в той же таблице (справа) приводятся данные о предполагаемых усовершенствованиях, которые позволят увеличить эффективность монокристаллических кремниевых фотоэлементов до 20–22%

Однако большинство исследователей считает, что максимальный КПД кремниевых солнечных элементов может достигнуть 23…25%, а элементы на гетеропереходах или ступенчатых переходах – 30%. При условии, если установка использует системы с концентрацией излучения или другими приспособлениями – до 40 %. К тому же следует заметить, что спектр приходящего солнечного излучения устанавливает абсолютные ограничения эффективности. Для кремниевых солнечных элементов максимальный КПД может составлять около 47%.

8.2.5. Требования к материалам и технология производства
солнечных элементов и батарей

Существует много различных вариантов и промышленных изделий солнечных элементов и батарей, а также методов их производства. Кратко опишем конструкцию одного из них – стандартного монокристаллического кремниевого солнечного элемента. Общий вид такого элемента показан на рис. 8.17

Главные технические требования к материалам сводятся к следующему.

1. Исходный материал должен быть химически очень чистым и с устойчивыми свойствами. Необходимо обеспечить общий контроль над процессом их изготовления и высокий уровень точности.

2. Солнечные элементы должны производиться в большом количестве при минимальной стоимости.

3. Солнечные элементы должны иметь срок службы не менее 20 лет в условиях воздействия окружающей среды. Следует иметь в виду, что даже без концентрации солнечного излучения рабочая температура элемента может измениться в пределах от –30ºС до +200ºС.

4. Электрические контакты должны быть стабильными и влагозащищенными от всех видов коррозии.

5. В целом конструкция солнечной батареи должна быть таковой, чтобы разрушение одного из элементов не приводило к выходу из строя всей батареи и системы в целом. Для этого используются параллельные и последовательные соединения элементов, которые, в случае выхода из строя какого-либо элемента (или группы элементов), исключают возможность выхода из строя других элементов.

6. Сборные модули и батареи должны быть пригодны для транспортировки, даже в труднодоступные и отдаленные регионы любым видом транспорта.

7. Для получения монокристаллов кремния применяют высокочистые электронные полупроводниковые материалы в виде поликристаллических заготовок, концентрация примесей в которых должна быть меньше, чем один атом на 109 атомов основного вещества, т.е. меньше, чем 10¹⁸ атомов в 1 м³.

Наиболее широко для производства монокристаллов кремния используют следующие методы.

Первый метод Чохральского. Это хорошо отработанная методика выращивания монокристаллов состоит в погружении небольшого затравочного кристаллика в расплавленный материал (см. рис. 8.36, а). Примеси добавляются в расплав. И затем кристаллик-зародыш начинают вытягивать с малой скоростью (обычно 1…10 мм/час). При этом кристалл-затравку обычно еще и вращают вокруг оси со скоростью 1…2 об/мин для более равномерного распределения примесей.

Диаметр такого кристалла может быть до 15…20 см. Выращенный таким образом монокристалл затем разрезается на части толщиной примерно 300 мкм. На эти распилы расходуется около 40…50% монокристаллического материала, что ведет к значительной дороговизне этого процесса.

Вторым часто используемым методом является зонная плавка или рекристаллизация. В этом случае поликристаллическому материалу придают форму стержня. Зона расплава проходит вдоль стержня вследствие нагрева током высокой частоты или лазером (см. рис. 8.36, б) Справедливости ради следует заметить, что этот метод чаще используется для очистки материалов, но его можно применять и для выращивания монокристаллов. И все же процесс резки кристаллов на такие пластины и в этом методе необходим.

Третий метод, используемый часто для получения монокристаллов, называется ленточным методом (в отечественной литературе – методом Степанова). Этот метод исключает резку кристалла и появление неизбежных отходов, поскольку сразу выращивается тонкая лента монокристалла до 10…15 см шириной и толщиной 300 мкм (см. рис. 8.36) Лента может наматываться на барабан большого диаметра. По мере необходимости от нее отрезаются полосы для изготовления солнечного элемента.

Четвертым методом является вакуумное напыление, но для получения слоев кремния толщиной 300 мкм он является очень сложным и часто ведет к браку из-за сложности поддержания стабильных параметров напыления. Но этот метод формирования поверхностного слоя металла используется в производстве диодов Шоттки. Для получения заготовок пластин кремния можно использовать также литье. Однако в этом случае материал получается поликристаллическим и эффективность его не столь высока. Но зато процесс очень дешевый.

Рисунок 8.36 – Схемы некоторых методов выращивания монокристаллов:

а – метод Чохральского; б – зонная плавка; в – ленточный метод (метод Степанова)

В процессе изготовления монокрислаллических пластин кремния толщиной 300…400 мкм их подвергают обычно химическому травлению. Тонкий слой материала –типа формируется в процессе диффузии доноров (например, фосфора) в поверхностный слой.

Чаще всего пленки нагревают в атмосфере с добавкой POCl₃.

Для формирования сетки электрических контактов применяется метод фотолитографии. Сначала для создания низкоомного контакта с кремнием испаряют титан, а затем очень тонкий слой палладия, во избежание химического взаимодействия титана с серебром, тонкий слой которого осаждают последним для получения токопроводящей сетки (см. рис. 8.17). Среди других методов используют иногда гальваностегию и печатный монтаж.

Последними в технологическом процессе вакуумного испарения наносятся противоотражательные слои. Чаще других для этой цели используется алюминий. В процессе диффузии алюминия у тыльной поверхности образуется добавочный потенциальный барьер из в материалах типа. На него наносится электрический металлический контакт в виде относительно толстого внешнего слоя. Для текстурированных поверхностей противоотражательные свойства создаются чаще всего химическим травлением, а структурированные слои – методом фотолитографии.

Отдельно взятые фотоэлементы (примерно 10х10 см²) собирают в модули по 30–33 штуки. Каждый модуль обычно состоит из трех-пяти столбов последовательно соединенных элементов (см. рис. 8.32). Такое устройство создает ЭДС порядка 15 В, что достаточно для аккумуляторной батареи до 12 В.

При плотном расположении круглых фотоэлементов теряется до 15% площади модуля. Элементы обычно располагают в инертном наполнителе между прозрачной передней крышкой, изготовленной чаще всего из пластика, не пропускающего ультрафиолетовые излучения, и пластиной с тыльной стороны, которая должна быть достаточно прочной и иметь низкое термическое сопротивление. Крышка должна быть герметично запаяна и водонепроницаема при любых внешних воздействиях, включая большие термические перегрузки.