Солнечные элементы

Советскими специалистами была впервые высказана также идея о том, что можно создать двусторонние солнечные элементы, совмещая элементы, прозрачные в инфракрасной области спектра, с элементами с изотипным переходом у тыльной поверхности n+ — р — р+- или p+ — p — n+-структуры (рис. 4.3, а). При уменьшении толщины базового слоя или увеличении диффузионной длины неосновных носителей заряда за счет использования более высокоомного кремния такие двусторонние элементы столь же эффективно преобразуют свет, падающий сзади, как и элементы со вторым p-n-переходом у тыльной поверхности.

Введение изотипного перехода в конструкцию прозрачных солнечных элементов позволяет резко снизить скорость поверхностной рекомбинации S на тыльной поверхности и увеличить коэффициент собирания неосновных носителей заряда (при L/l>1) двусторонних солнечных элементов, освещаемых сзади, до значений, характерных для этого коэффициента при освещении солнечных элементов с верхней лицевой поверхности (рис. 4.3, б).

В отличие от самых первых моделей элементов двусторонней конструкции с двумя p-n-переходами (на передней и тыльной сторонах элемента), предложенных еще в начале 60-х годов, в двусторонних элементах с изотипным переходом не наблюдается увеличения обратного тока насыщения при освещении только верхней лицевой поверхности солнечных элементов. В то же время нанесение токосъемных контактов на обе поверхности может производиться одновременно при использовании однократного фотолитографического процесса (одновременная засветка с двух сторон).

Изготовление двусторонних солнечных элементов не сложнее производства солнечных элементов и батарей с односторонней чувствительностью, прошедших многолетнюю проверку при эксплуатации в космосе. Изотипный барьер под сетчатым тыльным контактом можно создать ионным подлегированием бором с последующим термическим отжигом или нанесением методом химической пульверизации прозрачной токопроводящей пленки SnO2 (образование изотипного перехода происходит при этом в основном за счет влияния встроенного электрического заряда).

G целью увеличения эффективности двусторонних солнечных элементов с изотипным тыльным переходом желательно использовать при создании базового слоя более высокоомный, чем обычно, материал, например, перейти от монокристаллического кремния с p=0,5÷1,5 Ом×см к кремнию с p=7,5÷10 Ом×см (или уменьшить толщину базового слоя).

Для низколетящих спутников Земли использование двусторонних солнечных элементов с изотипными переходами у тыльной стороны создает значительный резерв мощности, что подтвердили лабораторные эксперименты, в которых плотность потока солнечного излучения, падавшего на двусторонние элементы с тыльной стороны, составляла 0,3 от плотности потока излучения с верхней лицевой стороны в связи с тем, что среднее альбедо Земли близко к этому значению. Результаты измерений, проведенных в лаборатории, позволяют оценить возможный прирост мощности солнечных батарей, выполненных из двусторонних элементов с изотипным переходом у тыльной поверхности, при установке их на низколетящих спутниках Земли (высота орбиты 200–400 км). Эти результаты были качественно подтверждены затем прямым космическим экспериментом, выполненным советскими учеными на орбитальной станции «Салют-5». Среднее альбедо Земли во время этого полета составляло 0,25, а ток двусторонних солнечных батарей был в среднем на 17–18 % (а за первые десять витков на 15±2 %) больше, чем у односторонних солнечных батарей обычной конструкции.

Дешевые солнечные элементы из кремния

и автоматизированная технология их получения

Реальная перспектива широкого использования солнечных элементов не только на борту космических аппаратов, но и в наземной солнечной энергетике, в самых разнообразных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в автоматических системах управления, а также в быту делает актуальной проблему создания экономичного, полностью автоматизированного производства солнечных элементов из недорогих и тонких полупроводниковых слоев.

Решение этой проблемы усложняется тем, что длительное время в стремлении получить максимальное значение КПД и оптимальные оптические и электрические параметры разработчики солнечных элементов не стремились к уменьшению их толщины, не старались удешевить, механизировать и автоматизировать производство солнечных элементов или процесс сборки их в батарею и часто использовали для создания элементов и батарей самые разнообразные и разнородные физические и химические процессы и операции. Например:

при изготовлении кремниевых солнечных элементов высокотемпературной диффузии примесей для создания p-n-перехода обычно предшествует химическая очистка поверхности в жидких растворителях и травителях, за впеканием контактов в атмосфере инертных газов следует нанесение просветляющих покрытий испарением в высоком вакууме;

при производстве элементов из арсенида галлия применяются толстые дорогие подложки и трудоемкий процесс жидкостной или газовой эпитаксии для получения слоев твердого раствора алюминия в арсениде галлия, повторяющих совершенную структуру монокристаллической подложки;

в изготовлении тонкопленочных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия одновременно участвуют «сухой» (нанесение слоев сульфида кадмия на проводящие подложки) и «мокрый» (образование гетероперехода путем химической реакции в жидкой фазе между поверхностным слоем сульфида кадмия и однохлористой медью) методы.

В то же время очевидно, что успешное решение проблемы автоматизации процесса получения солнечных элементов основано на возможности создания технологии производства, включающей небольшое число однородных операций, а для удешевления изготовления элементов требуется переход ко все более тонким и недорогим слоям и широкому применению полимерных материалов (при сохранении, конечно, оптических и электрических характеристик элементов на достаточно высоком уровне).

В последнее время в этом направлении произошли существенные изменения, и достижения в создании простой технологии дешевых солнечных элементов наземного применения даже начинают использоваться в производстве солнечных батарей космического назначения.

Создается, например, методика получения кремния прямым восстановлением диоксида кремния; освоен способ непрерывного вытягивания лент кремния, позволяющий исключить из процесса производства дорогие и трудоемкие операции резки, шлифовки, химической и механической полировки пластин кремния; методом химической пульверизации получены просветляющие покрытия, контакты и пленки для легирования.

Такая технология может быть названа «химической». В то же время успешно разрабатывается «физическая» технология изготовления солнечных элементов, в которой нанесение просветляющих покрытий, контактов и внедрение легирующей примеси осуществляется ионной бомбардировкой в вакууме, а отжиг образовавшихся при этом дефектов в легированном слое — путем сканирования лазерным или электронным лучом, причем эти операции могут непосредственно следовать одна за другой.

Как правило, новые технологические процессы разрабатываются применительно к кремниевым солнечным элементам. Однако значительные успехи достигнуты и в улучшении качества и удешевлении солнечных элементов других типов.

Несмотря на заметные успехи на пути удешевления и упрощения технологии создания солнечных элементов, процесс их производства пока еще содержит десятки трудоемких операций. Вероятно, только кардинальное изменение основных этапов получения солнечных элементов позволит в ближайшем будущем полностью автоматизировать процесс их производства. Несколько активно разрабатываемых новых моделей солнечных элементов, возможно, позволят на практике решить эту задачу. Оптические и электрические характеристики таких элементов несколько отличаются (в частности, более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра) от характеристик традиционных солнечных элементов с p-n-переходом в гомогенном и гетерогенном полупроводниковых материалах.