Солнечные элементы

Следует указать, что отмеченные выше зависимости выходной мощности солнечных элементов от интенсивности падающего света и температуры носят полностью обратимый характер (если, конечно, в процессе работы не произошло значительного перегрева элементов — до температур, превышающих предел работоспособности контактных слоев или покрытий, что обычно составляет 150–200o С).

При эксплуатации как в космосе, так и на Земле солнечные элементы и полупроводниковые материалы, из которых они сделаны, подстерегает также опасность необратимых изменений. Особенно большое снижение выходной мощности солнечных элементов и батарей наблюдается при воздействии корпускулярного облучения — протонами и электронами радиационных поясов Земли, а также при многократном термоциклировании всей конструкции солнечных батарей при заходе в тень Земли и при выходе из нее. Значительные температурные напряжения, возникающие внутри солнечных элементов при термоциклировании из-за разницы в коэффициентах теплового расширения различных полупроводниковых слоев, образующих гетеропереходы, или контактных, просветляющих, защитных и полупроводниковых слоев (в случае как гомо-, так и гетеропереходов), приводят к механическому разрушению солнечных элементов, если величина этих напряжений превышает прочность отдельных слоев элементов или величину сил, удерживающих эти слои вместе.

Значительный опыт накоплен разработчиками разных стран в создании солнечных элементов и батарей, способных успешно противостоять отрицательному воздействию радиации и термоциклировании. В настоящее время удается изготавливать солнечные батареи таких конструкций, которые способны работать в условиях космоса и на Земле десятки лет без значительного снижения мощности.

Решить эту сложную проблему помогло создателям солнечных элементов понимание сложных и тонких физических процессов, происходящих в полупроводниковых материалах и на их границе с другими слоями, входящими в состав солнечных элементов, при деградации их параметров под влиянием различных видов внешнего воздействия. Исследование этих процессов проводится в современных лабораториях с привлечением самых разных способов анализа структуры, состава, примесей и дефектов в материалах: электронной и оптической растровой микроскопии, вторично-ионной спектроскопии, Оже-спектроскопии, масс-спектрометрии, рентгеновского микроанализа, фото-, катодо- и электролюминесценции, емкостной спектроскопии глубоких уровней, инфракрасной спектроскопии и других.

Еще два вида воздействий, приводящих к необратимой деградации солнечных элементов, привлекли внимание исследователей в последние годы. Один из них вызывает деградацию, которая условно может быть названа химико-термической, второй — фотонную.

Химико-термическая деградация возникает, например, из-за влияния остаточной атмосферы космического корабля и выхлопных газов двигателей на параметры солнечных элементов. Не менее опасна для солнечных элементов наземных фотогенераторов и их оптических покрытий загрязненная газообразными щелочными и кислотными отходами атмосфера больших городов. Необычные химические реакции с участием свободных радикалов, происходящие при повышенной температуре на торцевых и свободных от покрытий поверхностях солнечных элементов, вызывают закорачивание электронно-дырочных переходов, коррозию контактов, потемнение покрытий.

Влияние фотонной деградации было не сразу обнаружено, поскольку его довольно трудно отделить от воздействия корпускулярной радиации и химико-термической деградации.

Длительное время считалось, что повреждающее воздействие самого солнечного излучения на солнечные элементы может выразиться лишь в потемнении оптических покрытий. Разработка светостойких многослойных покрытий, в которых верхний слой — стеклопленка с добавлением двуокиси церия — поглощает все ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0?36 мкм, позволила добиться уменьшения деградации элементов, вызываемой ухудшением оптических свойств покрытий, до весьма малых значений (0,5–2,5 %) даже в условиях непрерывной работы на борту космических аппаратов в течение нескольких лет.

В связи с этим для многих исследователей было неожиданностью обнаруженное явление ухудшения свойств самих элементов непосредственно под действием оптической части солнечного излучения. В ходе первых опытов, когда изучалось совместное воздействие солнечного света, корпускулярного облучения и температуры, выяснились некоторые важные особенности одновременного влияния нескольких повреждающих факторов на свойства полупроводниковых материалов и солнечных элементов. Такие опыты достаточно полно отражают реальные условия эксплуатации солнечных элементов как в космических, так и в наземных условиях.

Было показано, что солнечные элементы с низким содержанием кислорода в исходных пластинах кремния, полученного методом бестигельной зонной плавки, обладают высокой степенью фотонной деградации — снижение тока, вызванное интенсивным освещением этих элементов, может составлять 10–12 %. На основании результатов экспериментов, проведенных без освещения, подобные солнечные элементы считались более радиационно стойкими по сравнению с элементами на основе выращенного методом Чохральского кремния с относительно высоким содержанием кислорода. Возможно, что причина ухудшения свойств солнечных элементов из кристаллов бескислородного кремния связана с большой плотностью дислокаций в них. Интенсивное освещение приводит к освобождению и активации захваченных дислокациями точечных дефектов, в состав которых входит атом бора. Было установлено, что дополнительное введение кислорода и углерода оказывает стабилизирующее действие на поведение солнечных элементов при освещении, особенно если общее содержание атомов углерода и кислорода в кремнии превышает 1017 см-3.

В процессе фотонной деградации при внеатмосферной плотности потока падающего солнечного излучения насыщение наступает, как правило, после освещения в течение 20–40 ч при температуре, близкой к комнатной, а при повышении температуры элементов до 50–60o C и через более короткое время.

При освещении солнечного элемента или приложении к нему высокого напряжения смещения в прямом направлении для элементов п+— р-типа (верхний освещаемый n-слой получен диффузией фосфора) наблюдается уменьшение выходной мощности и заметное снижение длинноволновой чувствительности, а для элементов p-n-типа характерно (при наличии в спектре падающего света излучения с длиной волны 0,35— 0,45 мкм) обратное явление — увеличение выходной мощности и спектральной чувствительности в коротковолновой области. Ухудшение собирания носителей из базового слоя солнечных элементов п-p-типа обусловлено наличием рекомбинационного уровня, расположенного на 0,37 эВ ниже зоны проводимости. Обычно этот уровень электрически нейтрален, но при большой световой или электрической инжекции носителей заряда в материал становится активным. Возникновение этого рекомбинационного уровня связано с появлением в кремнии комплекса дефекта решетки с атомом серебра или, возможно, кластерных образований (ряда нарушенных атомов). Предотвращение попадания атомов серебра в базовый слой кремния, удаление механически поврежденного поверхностного слоя кремния до диффузии и проведение операции диффузии легирующей примеси при температуре 8750C и ниже позволяют значительно уменьшить эффект фотонной деградации. Например, для солнечных элементов, в процессе изготовления которых диффузия проходила при температуре 950oC, фотонная деградация (в условиях облучения светом вольфрамовой галогенной лампы с плотностью потока излучения 1000 Вт/м2) составляет от 3 до 6 %, при температуре диффузии 900o C — от 1 до 3 %, при 8750 C — всего 0,5 %.

Фотонную деградацию особенно необходимо учитывать при создании эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца, которые должны отличаться высокой стабильностью свойств.