Солнечные элементы

В результате анализа полученных экспериментальных данных был сделан вывод, что в широком диапазоне энергии падающих квантов (Eg < hv < 2Eg) квантовый выход β, обусловленный фотоионизацией, в кремнии равен единице. При большой энергии квантов падающего излучения (hv>2Eg, т. е. в ультрафиолетовой области спектра) β начинал резко возрастать, что, вероятно, объясняется процессом ударной ионизации — возникновением вторичных пар электрон — дырка за счет избыточной кинетической энергии первичных пар.

Таким образом, можно считать, что первый акт взаимодействия оптического излучения с полупроводником (внутри кристалла) происходит практически без потерь с эффективностью, близкой к 100 %, в широкой области спектра,

Однако в большинстве полупроводников, использующихся для создания солнечных элементов, несмотря на равный единице квантовый выход ионизации (а также при γ>l в ультрафиолетовой области) с увеличением энергии квантов возрастают потери в расчете на энергию одного кванта в силу конечного значения ширины запрещенной зоны обычного полупроводникового материала.

Переход к солнечным элементам более сложной структуры, которые будут описаны в гл. 4 настоящей книги, например на основе каскадных систем, или к элементам с контролируемым градиентом ширины запрещенной зоны по глубине (большой у поверхности полупроводника и уменьшающейся в глубь материала, что отвечает спектральной зависимости коэффициента поглощения) позволяет полностью избавиться от таких оптических и энергетических потерь и увеличить КПД преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.

Оптические излучения различных длин волн проникают на разную глубину (поскольку эта величина существенно зависит от энергии квантов) и создают свое пространственное распределение рожденных светом пар электрон — дырка (см. рис. 2.1).

Дальнейшая судьба рожденных пар зависит от их диффузионной длины в данном полупроводниковом материале. Если она достаточно велика, то созданные светом избыточные неосновные носители заряда успеют (даже без участия тянущего электрического поля) только за счет процесса диффузии дойти до области p-n-перехода и будут разделены его полем.

Решающую роль в эффективности этой стадии преобразования оптического излучения внутри полупроводника играет соотношение между диффузионной длиной L и расстоянием от p-n-перехода l, на котором создаются светом пары электрон — дырка.

Рассмотрим два крайних случая расположения p-n-перехода в полупроводниковом кристалле по отношению к направлению падения оптического излучения: перпендикулярно (рис. 2.6, а) и параллельно (рис. 2.6, б). Условимся, что в первом случае свет проникает на всю глубину кристалла и I равно толщине полупроводниковой пластины, а во втором — освещается вся поверхность пластинки шириной d.

Pис. 2.6. Схема расположения p-n-перехода в полупроводниковом кристалле при перпендикулярном (а) и параллельном (б) плоскости p-n-перехода падении оптического излучения

Ln, Lp — диффузионная длина неосновных носителей заряда в р- и n-областях соответственно; l — глубина проникновения света в полупроводник; заштрихованы контактные металлические слои к р- и n-областям полупроводника

Pис. 2.7. Распределение числа созданных оптическим излучением пар электрон — дырка по глубине кремния при падении излучения разной длины волны перпендикулярно плоскости p-n-перехода

1 — λ = 0,619 мкм, α = 2000 см-1; 2 — λ = 0,81 мкм; α = 700 см~1; 3 — λ = о,92 мкм; а = 90 см -1

Очевидно, что эффективность собирания для перпендикулярного и параллельного расположения p-n-перехода определяется соответственно соотношениями

γ=(Ln+Lp)/l и γ=(Ln+Lp)/d.

На первый взгляд параллельное расположение кажется более предпочтительным, ибо для полного собирания и разделения носителей наиболее существенным является распределение пар носителей в направлении, перпендикулярном p-n-переходу: равномерная генерация носителей по глубине кристалла создает благоприятные условия для их диффузии к p-n-переходу и последующего пространственного разделения.

Разработанные на основе такого расположения p-n-перехода по отношению к свету многопереходные матричные солнечные элементы, состоящие из большого числа микроэлементов, плоскости которых параллельны по отношению к падающему солнечному излучению (или расположены под небольшим углом к нему), действительно обладают высокой эффективностью собирания носителей в длинноволновой области спектра и позволяют получить значительную фото-ЭДС с единицы освещаемой поверхности.

Однако расчетным и экспериментальным путем было установлено, что из-за весьма небольших размеров микроэлементов рекомбинация созданных светом пар на освещаемой поверхности играет при параллельном расположении p-n-перехода относительно падающего излучения значительно большую роль, чем при перпендикулярном. Вследствие этого для увеличения эффективности собирания в коротковолновой области спектра необходимо создать на обращенной к свету поверхности дополнительный слой, легированный примесью противоположного типа проводимости, т. е. использовать частично структуру с перпендикулярным расположением p-n-перехода.

Если при параллельном расположении концентрация созданных светом пар M убывает от поверхности в глубь полупроводника как в n-, так и в p-области, то при перпендикулярном расположении это характерно лишь для обращенной к свету области кристалла, например n-области, в то время как в p-области наибольшее количество пар образуется у p-n-перехода. Концентрация пар на глубине l подчиняется соотношению, полученному в результате дифференцирования выражения, определяющего убывание энергии волны в е раз при поглощении света полупроводником:

M=N0α exp (-αl),

где N0- число квантов, падающих на единицу поверхности полупроводника.

Концентрация пар, уменьшающаяся в глубину полупроводника, может быть подсчитана для области поглощения полупроводникового материала с помощью зависимости а(Е) (см. рис. 2.1).

Результаты таких расчетов для кремния, выполненных при нескольких значениях длины волны, показаны на рис. 2.7. Вертикальные линии, ограничивающие области, определяемые диффузионной длиной носителей заряда в материале п- и p-типа, позволяют наглядно оценить процесс собирания носителей заряда при перпендикулярном расположении p-n-перехода относительно падающего излучения (см. рис. 2.6, a).

Ординаты построенных кривых пропорциональны α exp (—αl), абсциссы — расстоянию в глубь полупроводника от освещаемой поверхности, площадь между осями и каждой из кривых — потоку падающих квантов, а площадь, ограниченная кривой и ординатами, соответствующими l=lπ+Ln и l=lπ-Lp (заштрихованная часть), — току короткого замыкания кремниевой пластины с p-n-переходом.

Таким образом, отношение заштрихованной площади к общей площади под кривой дает возможность в соответствии с соотношением для квантового выхода внутреннего фотоэффекта определить эффективность собирания γ (при условии, конечно, что квантовый выход фотоионизации β=1).

Планарная конструкция солнечных элементов, изображенная на рис. 2.6,а, стала основной и получила наибольшее распространение. Такие солнечные элементы были созданы из самых разнообразных материалов, причем направления оптимизации этой конструкции можно легко определить, анализируя результаты расчетов, аналогичные выполненным для кремния и представленным в графической форме на рис. 2.7.