Конструкций солнечных элементов и их типы

Самыми распространенными из выпускаемых промышленных солнечных элементов являются плоские пластинчатые кремниевые элементы. Кроме этого существуют разнообразные и многочисленные типы и конструкции, которые разрабатываются для повышения эффективности и уменьшения стоимости солнечных элементов. В табл. 8.2 кратко приведены сведения о различных солнечных элементах.

Гомопереходы. Они возникают, если в одном и том же кристалле полупроводника формируется контакт двух областей с разными типами проводимости или различными концентрациями примеси. Упоминавшиеся ранее кремниевые фотоэлементы содержат гомопереходы. В таких солнечных элементах ширина запрещенной зоны постоянна (см. рис. 8.37, а).

Рисунок 8.37 – Типы переходов, используемых в солнечных элементах:

а – гомопереход – основной материал и ширина запрещенной зоны постоянны; б – гетеропереход – основной материал и ширина запрещенной зоны меняются; в – структура Шоттки металл–полупроводник (МП), показана с добавочным потенциальным барьером, имеющий важное значение противоотражательный слой не показан; г – структура Шоттки металл–диэлектрик–полупроводник (МДП)

Гетеропереходы. В этом случае переход возникает при контакте двух различных по химическому составу полупроводников, поэтому на границе раздела меняется ширина запрещенной зоны (см. рис. 8.36, б). В гетеропереходах происходит генерация носителей при поглощении фотонов сразу на двух частотах. При этом увеличивается доля фотонов, участвующих в генерации фототока, и уменьшаются потери, связанные с избытком энергии фотонов (). Обычно полупроводники с более широкой запрещенной зоной располагаются на лицевой поверхности фотоэлемента, а с более узкой – под ними.

Но для образования гетероперехода необходимо согласование постоянных кристаллических решеток материалов, ориентации осей и типа решетки. Примерами фотоэлементов с гетеропереходами является Ga_1-xAl_xAs на GaAs (КПД около 12%) и SnО₂ на кремнии –типа, где КПД около 10%.

Большинство авторов научных работ предлагают создавать элементы с монотонно уменьшающейся шириной запрещенной зоны – так называемые фотоэлементы со ступенчатой запрещенной зоной. Производство таких фотоэлементов достаточно сложно и трудоемко, но в принципе возможно.

Рассмотрим зависимость энергии носителей от их квазиимпульса (см. рис. 8.38) Если в процессе собственного поглощения света квазиимпульс электрона меняется несущественно при переходе из валентной зоны в зону проводимости, то такие переходы называются прямыми (переходы возможны при условии ).

Рисунок 8.38 – Зоны Бриллюэна, диаграммы: энергия носителей – квазиимпульс:

а – прямые переходы через запрещенную зону (GaAs); б – непрямые переходы (Si);

– энергия электронов; – энергия дырок; – энергия фононов ( – частота фонона)

В случае, когда дно зоны проводимости и потолок валентной зоны соответствует различным квазиимпульсам (см. рис. 8.38), переход также оказывается возможным, если электрон, поглощая фотон, одновременно поглощает или испускает фонон. Это непрямые переходы. Условие перехода можно записать в виде:

, (8.48)

где – энергия фонона.

Необходимость испускания или поглощения фонона делает непрямые переходы значительно менее вероятными, чем прямые, поэтому коэффициент поглощения света, обусловленный непрямыми переходами, намного меньше. Так, например, для кремния (переходы через запрещенную зону – непрямые) показатель поглощения ниже, чем для арсенида галлия (прямые межзонные переходы), в связи с этим кремниевые элементы приходится изготавливать большей толщины.

При контакте металла и полупроводника (МП) образуется –переход (см. рис. 8.37, в). Преимуществом такой схемы является простота конструкции, так как металл может быть осажден в виде тонкой пленки на основной материал. Недостатки этой схемы заключаются в том, что от металлической поверхности выше отражение и, следовательно, больше потери на входе; кроме того, высоки рекомбинационные потери в зоне перехода.

В процессе изготовления очень трудно избежать появления тонкого изолирующего слоя окисла между металлом и полупроводником. Этот изолирующий слой способствует подавлению поверхностной рекомбинации, поэтому, контролируя его толщину, можно получить фотоэлементы с лучшими характеристиками (металл-оксид-полупроводник – МОП) или металл-диэлектрик-полупроводник – МДП) (см. рис. 8.37, г)

Для изготовления фотоэлементов не обязательно использование монокристаллов. Если использовать поликристаллические материалы, можно значительно снизить стоимость производства элементов. Для изготовления фотоэлементов можно использовать также и аморфные материалы. Структура этих материалов имеет ближний порядок. Аморфным может быть и кремний. Он может иметь требуемую электропроводность. Однако аморфные свойства материала приводят к появлению большого числа ненасыщенных «свободных» химических связей, которые действуют как неконтролируемые ловушки для электронов и дырок. Для уменьшения числа ненасыщенных химических связей в материал вводят большое количество водорода. Это позволило повысить эффективность фотоэлементов до 10% при незначительной цене (по сравнению с монокристаллическими) [25].

В последние годы стали проводиться интенсивные исследования органических материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Сравнительная дешевизна органических материалов делает развитие этого направления весьма перспективным. К настоящему времени у таких фотоэлементов достигнут КПД в 1…2%, однако имеются все основания ожидать в самое ближайшее время повышения его до 10%.

Существуют и другие идеи для повышения КПД фотоэлементов, но они находятся пока на стадии научных исследований.

8.2.7. Характеристика материалов для солнечных элементов.
Внутренняя структура солнечных элементов

Для производства солнечных фотоэлементов в основном используют кремний, арсенид галлия (GaAs) и сульфид кадмия (CdS). Безусловно, наибольшее промышленное применение имеет монокристаллический кремний.

Рассмотрим кратко еще два материала, которые используются для изготовления фотоэлементов.

Арсенид галлия (GaAs) – это полупроводниковый материал, имеющий запрещенную зону шириной =1,43 эВ. Такая ширина запрещенной зоны близка к оптимальной (1,5 эВ) для солнечного элемента в условиях освещенности . Гетеропереходы с Ga_1-xAl_xAs имеют промышленное значение. Теоретически эффективность фотоэлементов на основе GaAs может достичь почти 25%, реальные устройства имеют КПД около 16%. Относительно высокий показатель поглощения требует тщательного контроля глубины слоев, кроме того, может быть высокой скорость поверхностной рекомбинации.

Сульфид кадмия (CdS) часто используется для изготовления фотоэлементов. Обычно такие фотоэлементы производятся вакуумным напылением тонких пленок или химическим осаждением. Нижний слой CdS делается типа, а слой типа из Сu_xS формируется в процессе химического травления. Граница между и слоями представляет собой гетеропереход, который, к сожалению, легко разрушается вследствие диффузии ионов меди в CdS и различных химических изменений в процессе изготовления.

Наиболее часто используются следующие типы структур фотоэлементов.

1. Составные элементы. Эти элементы представляют собой совокупность –переходов с последовательно уменьшающейся шириной запрещенной зоны, соединенных так, что свет приходит к материалу с наибольшей шириной запрещенной зоны. Фотоны с энергиями, меньше ширины первой запрещенной зоны (), проходят до следующего – перехода и т.д.

2. Вертикальные многопереходные элементы (ВМЭ). Эти элементы изготавливаются двух типов:

а) в виде последовательного соединения. В этом случае в столбик последовательно соединяются до 100 одинаковых –переходов (см. рис. 8.39, а). Свет проникает через боковые поверхности переходов, так что разность потенциалов на выходе (около 50 В) представляет собой сумму последовательных потенциалов –переходов. Ток определяется только поглощенным боковой поверхностью радиационным потоком, поэтому он является небольшим.

б) возможно параллельное соединение –переходов. В этом случае фотоэлемент обычно изготавливается в виде решетки, так, чтобы фотоны более эффективно поглощались в зонах переходов (см. рис. 8.39, б).

Одной из возможных разновидностей фотоэлементов является тонкополосные элементы. Традиционные кремниевые фотоэлементы в качестве существенного недостатка имеет значительную стоимость, так как материал перед этим выращивается в виде монокристалла, а затем вырезается толщиной 100…300 мкм и обрабатывается химически. Поэтому представляется весьма перспективной конструкция из напыленных при испарении или распыленных слоев. Сам кремний имеет высокую температуру кипения (2620ºС) и в парообразном состоянии химически очень активен и поэтому сложен в обращении.

Рисунок 8.39 – Последовательное (а) и параллельное (б) соединение вертикальных многопереходных элементов (ВМЭ):

1 – металлические контакты; 2 – металлический контакт с областью; 3 – металлический контакт с областью

Тем не менее возможно напыление аморфных соединений кремния в электрическом разряде в газообразном силане SiH₄. Существуют и другие методы вакуумного напыления кремния.

Однако наиболее распространенными тонкопленочным фотоэлементом является элемент на основе сульфида кадмия (CdS).

Но во многих случаях материал имеет аморфную структуру, и поэтому получить достаточно высокий КПД удается с трудом. Очевидно, в ближайшем будущем окажется возможным изготовление таких фотоэлементов.

Важной особенностью хорошего фотоэлемента является его поверхность. С целью увеличения КПД применяют отражающие и текстурированные поверхности. Лицевая поверхность таких солнечных элементов может быть сконструирована таким образом, чтобы отраженное от поверхности излучение возвращалось к ней обратно (см. рис. 8.34). Некоторые системы могут быть изготовлены механически, другие – текстурированы химическим травлением.