Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

для подсветки; 11 — термостатируемый эталонный солнечный элемент; 12 — селективный усилитель тока эталонного солнечного элемента; 13 — регистрирующий прибор; 14 — поворотное зеркало

Главная отличительная особенность разработанной установки — наличие подсветки лампами-фарами, на отражатель и пропускающее окно которых нанесены многослойные интерференционные фильтры, корректирующие спектр встроенной в фару лампы под солнечный. На поверхности измеряемого элемента создается облученность 1360 Вт/м2, которая контролируется термоэлектрическим радиометром с большим полем зрения. Радиометр имеет точную энергетическую калибровку в широком спектральном интервале. Лампы подсветки получают энергию от высокостабильных источников питания, имеющих низкое содержание высокочастотных гармоник.

Монохроматическое излучение достаточной интенсивности обеспечивается в этой установке дифракционным монохроматором с решеткой 600 линий/мм. Для исключения влияния спектров высших порядков использовалось устройство (переменное гасящее сопротивление, включенное в цепь лампы и связанное с поворотным механизмом дифракционной решетки монохроматора), уменьшающее цветовую температуру тела накала лампы снижением тока при работе в длинноволновой области спектра. Ток короткого замыкания при монохроматическом освещении во время этих измерений определяется при фиксации светового луча на различных участках фотоактивной поверхности эталонного солнечного элемента и затем усредняется по всей рабочей поверхности.

Монохроматический поток, модулированный частотой 900 Гц, направляется на элемент. Взаимное расположение щели монохроматора и модулятора, а также форма окна модулятора выбираются таким образом, чтобы монохроматический модулированный поток был по возможности приближен к синусоидальному. Необходимое условие — измерение в режиме короткого замыкания, в связи с чем переменный сигнал снимается через разделительную емкость, а солнечный элемент шунтируется сопротивлением порядка 0,5 Ом. Высокочастотная составляющая тока короткого замыкания подается на селективный усилитель с калиброванным коэффициентом усиления, напряжение с которого преобразуется в пропорциональный сигнал измерительным преобразователем и регистрируется в цифровой и графической формах. Для использования данных каждого эксперимента в расчетах на ЭВМ информация может быть представлена на перфоленте в стандартном коде.

Пересчет результатов измерений спектрального распределения чувствительности нескольких кремниевых солнечных элементов на спектр внеатмосферного солнца и затем расчет интегрального значения тока короткого замыкания элементов показал, что в случае нелинейных солнечных элементов ошибка в определении градуировочного значения тока для внеатмосферных условий из-за измерения чувствительности без подсветки имитированным солнечным излучением может достигать 7 %. Использование установки с модулированным сигналом и подсветкой имитированным солнечным излучением позволяет устранить эту погрешность.

Абсолютное значение спектральной чувстительности рассчитывается как отношение Iκ3(λ)/E (λ). Для определения коэффициента собирания Q (Iκ3 на один поглощенный фотон) дополнительно измеряется коэффициент отражения от поверхности солнечных элементов в той же области спектра.

Эксперименты и расчеты показывают, что составляющая верхнего легированного слоя кремния в суммарном коэффициенте собирания Q при переходе к малой глубине залегания p-n-перехода и увеличении скорости поверхностной рекомбинации начинает уменьшаться.

При создании солнечных элементов из арсенида галлия также наблюдается отмеченная тенденция. Гомогенный р-n-переход в этом материале создается обычно с помощью мелкой термодиффузии цинка — примеси p-типа — в исходный арсенид галлия n-типа. Однако существенно более высокое значение коэффициента поглощения в арсениде галлия (по сравнению с кремнием) и его резкая спектральная зависимость приводят к тому, что почти все фотоактивное излучение поглощается в верхнем легированном слое p-типа и собирается из него нижележащим p-n-переходом в арсениде галлия.

Были выполнены также расчеты для солнечных элементов из кремния и арсенида галлия при близкой толщине слоев и одинаковой скорости поверхностной рекомбинации. Результаты этих расчетов показывают, что составляющая базового слоя в суммарном коэффициенте собирания Q становится заметной лишь в длинноволновой области спектральной чувствительности солнечных элементов из арсенида галлия (рис. 2.17, кривая 4).

Рис. 2.17. Спектральная зависимость составляющих легированной (1, 2) и базовой (3, 4) областей в суммарном коэффициенте собирания для солнечных элементов 1,3 — кремний (n- на р-типа); 2,4 — арсенид галлия (р- на n-типа)

По спектральной чувствительности исследованных солнечных элементов были рассчитаны время жизни и диффузионная длина неосновных носителей в областях по обе стороны р-n-перехода. Выяснилось, что дополнительная причина столь незначительного влияния базовой области на суммарный коэффициент собирания в элементах из арсенида галлия — чрезвычайно малая диффузионная длина неосновных носителей в этом материале, не превышающая 1,5 мкм.

При бесконечно большом времени жизни и диффузионной длине неосновных носителей в обоих слоях солнечного элемента и при нулевой скорости поверхностной рекомбинации (а также при R=0) коэффициент собирания Q будет равен единице во всей области фоточувствительности данного полупроводникового материала, а на кривой спектральной чувствительности появится резкий максимум при энергии квантов ⅛v, равной ширине запрещенной зоны Eg полупроводника, из которого изготовлен солнечный элемент, после чего спектральная чувствительность начнет линейно убывать с увеличением частоты (т. е. уменьшением длины волны) падающего оптического излучения.

При отсутствии поверхностной и объемной рекомбинации все носители, созданные в полупроводнике излучением длиной волны λ, должны собираться и разделяться p-n-переходом:

Iκ3(λ) =qN0(λ) =qE (λ) ∕ hv.

Отсюда видно, что спектральная чувствительность линейно зависит от длины волны:

Iκ3(λ)E/(λ)=q/hv=0,8×103λ.

Длинноволновой край спектральной чувствительности солнечных элементов ограничен лишь энергетическим положением края основной полосы поглощения (или, как его ранее часто называли, красной границей фотоэффекта), которое определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и характером оптических переходов зона — зона. Левый край чувствительности для планарного солнечного элемента зависит в основном от скорости поверхностной рекомбинации на обращенной к свету поверхности элемента.

Ниже представлены предельные значения спектральной чувствительности полупроводникового солнечного элемента планарной конструкции, рассчитанные при указанных ранее идеализированных условиях (нулевая скорость поверхностной рекомбинации, бесконечно большие время жизни и диффузионная длина неосновных носителей заряда и нулевое значение коэффициента отражения):

Анализ результатов расчетного и экспериментального определений спектральной чувствительности позволяет сделать несколько выводов о выборе основных направлений совершенствования технологии солнечных элементов.

Улучшение спектральной чувствительности в длинноволновой области может быть достигнуто за счет увеличения времени жизни неосновных носителей в базовом слое, например, путем перехода к более чистому и высокоомному исходному полупроводниковому материалу и сохранения его свойств