Солнечные элементы

Проведенные электронографические исследования поверхности кремния, подвергнутой бомбардировке ионами фосфора, обнаружили аморфизацию кремния вплоть до глубины 0,2 мкм, причем верхний слой толщиной 0,05 мкм из монокристаллического состояния перешел полностью в аморфное. Количественная оценка средней по слою концентрации носителей тока (см. кривую 1 на рис. 2.4) дает значение порядка 1018 см-3, что примерно в 1000 раз меньше средней концентрации введенного фосфора (3×1021 см-1).

Уменьшение количества радиационных дефектов и увеличение концентрации электрически активных внедренных атомов фосфора, как известно, легко достигаются тепловым отжигом образцов: глубина залегания р-n-перехода, как показывает кривая 2 на рис. 2.4, увеличилась до 1 мкм после отжига пластин при 850o G в течение 2 ч. Участок кривой 2 от 0,3 до 1 мкм довольно хорошо описывается уравнением диффузии примеси из бесконечного источника в полуограниченное тело. Интегрирование кривой 2 показало, что в кремний из начального слоя толщиной 0,3 мкм продиффундировало 4,2 % фосфора. По мере приближения к поверхности, так же как и до отжига, наблюдается уменьшение концентрации свободных носителей тока. Электронограммы, полученные при последовательном удалении слоев, показали остаточные нарушения монокристалличности до глубины 0,15 мкм, что подтверждает неполноту отжига, из-за чего концентрация свободных носителей в этом слое не могла стать высокой.

Была сделана попытка исследовать распределение концентрации свободных носителей в легированном слое по изменению коэффициента отражения в инфракрасной области спектра. Коэффициент отражения образцов, не подвергнутых отжигу после ионной бомбардировки, совпадает с коэффициентом отражения нелегированного кремния. В этом случае поверхностная концентрация свободных носителей N≃1018 см-3, однако глубина залегания перехода настолько мала (0,2–0,3 мкм), что легированный слой оказывается в высокой степени прозрачным в окрестности λ=19 мкм. Это говорит о том, что для мелких р-n-переходов (глубина залегания <1 мкм) изменение коэффициента отражения при послойном снятии кремния не передает истинного распределения концентрации свободных носителей в легированном слое, так как значение коэффициента отражения обусловливается не только поверхностными, но и всеми нижележащими слоями с уменьшающейся концентрацией свободных носителей.

Этот вывод, сделанный на основании эксперимента, подтверждается расчетом. После подстановки в соотношение, связывающее показатель и коэффициент поглощения, значений λ=19 мкм и k=4,1 для легированного кремния получим, что глубина проникновения света, на которой плотность потока излучения снижается в е раз, 1/α=0,4 мкм. Если учесть, что в описанных выше экспериментах концентрация свободных носителей в хорошо отожженных легированных слоях составляла 3×1020 см-3 и значение k=4,1 для этих слоев является весьма разумной величиной, подтверждаемой экспериментом, то совпадение расчетных и экспериментальных данных по зависимости прозрачности легированного слоя в инфракрасной области от его толщины следует признать весьма хорошим.

Таким образом, исследование спектров отражения как в инфракрасной, так и в ультрафиолетовой областях, дополненное измерениями электрической проводимости слоев, дает возможность получить информацию об электрофизических и оптических свойствах кристаллов и слоев, используемых в солнечных элементах, в частности, помогает оценить концентрацию свободных носителей заряда, качество обработки поверхности, степень отжига дефектов, параметры зонной структуры, в том числе ширину запрещенной зоны полупроводника и ее температурную зависимость.

Преобразование оптического излучения в электроэнергию в полупроводниковых солнечных элементах

Фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в полупроводниковых структурах с р-n-переходами, так называемом вентильном фотоэффекте, непосредственно превращают падающее на них оптическое излучение в электрическую энергию, являясь, таким образом, ее генераторами, и в отличие от фотосопротивлений и фотоэлементов с внешним фотоэффектом не нуждаются в источнике внешнего напряжения.

Начиная с открытия в середине прошлого века фотоэлектрических свойств селена и создания в конце прошлого и начале нашего столетия на основе селена и гетеросистемы медь — закись меди первых фотоэлектрических преобразователей светового излучения в небольшие электрические сигналы, делались неоднократные попытки повышения КПД таких преобразователей и превращения их в источник электрической энергии значительной мощности.

Усовершенствование технологии, а также применение оптических фильтров позволили получить селеновые фотоэлементы, спектральная чувствительность которых практически повторяла кривую чувствительности человеческого глаза. Улучшенные селеновые фотоэлементы нашли широкое применение в качестве фотоэкспонометров в фото- и киноаппаратуре. Однако коэффициент полезного действия фотоэлементов не поднимался выше 0,5 %.

Успешное развитие фотоэлектрического метода преобразования энергии излучения началось лишь после создания зонной теории электронного строения полупроводников, разработки методов их очистки и контролируемого легирования, выяснения той определяющей роли, которую играет запорный слой на границе полупроводников с противоположным типом проводимости.

В 1954 г. появилось краткое сообщение о разработке солнечного элемента с кпд около 6 %, а в 1958 г. на борту советских и американских спутников Земли уже работали кремниевые солнечные батареи, снабжавшие электроэнергией электронную аппаратуру·

За прошедшее время КПД солнечных элементов резко возрос, чему способствовали все лучшее понимание физических явлений, происходящих в солнечных элементах, создание все более совершенных технологических приемов их изготовления и разработка новых усовершенствованных конструкций элементов из разнообразных полупроводниковых материалов. В СССР особенно много для развития фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии сделали H. С. Лидоренко, А. П. Ландсман, В. С. Вавилов, Ю. П. Маслаковец, В. К. Субашиев, А. М. Васильев, Ж. И. Алферов, в США — II. Раппопорт, М. Принс, Дж. Лоферский, М. Вольф, Г. Раушенбах, Дж. Ландмайер, Г. Брандхорст.

Большинство вентильных фотоэлементов, созданных в первые десятилетия развития фотоэлектричества, — селеновые, сернистогаллиевые, сернистосеребряные, сернистомедные, германиевые и некоторые другие — используются по-прежнему в основном как индикаторы излучения. Кремниевые фотоэлементы, а в последнее время и фотоэлементы из арсенида галлия и других широкозонных полупроводников благодаря высокому КПД, достигающему в настоящее время у лучших образцов 15–22 % (а при использовании сложных каскадных систем на их основе даже 27–30 %), широко применяются как фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения или солнечные элементы.

Фотоэлектрогенераторы для прямого преобразования энергии излучения Солнца в электрическую, собранные из большого числа последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов, получили название солнечных батарей. Современные солнечные батареи генерируют на свету значительную электрическую мощность и применяются как для питания радиосхем, средств связи, счетчиков космических частиц, так и для энергоснабжения большинства космических аппаратов и многих наземных автономных устройств различного назначения.

Полупроводниковый, например, кремниевый, солнечный элемент наиболее распространенной конструкции представляет собой систему из двух полупроводниковых слоев с проводимостями р- и n-типа, находящихся в тесном контакте друг с другом. Переходная зона (граница) между областями с противоположными типами проводимости располагается внутри полупроводникового материала и называется, как уже упоминалось, электронно-дырочным или р-n-переходом (ранее чаще именовавшаяся запорным слоем).