Перспективные направления наземной фотоэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективные направления наземной фотоэнергетики

Ф.А. Ахмедов, д.ф-м.н.

ОАО «НПП «Квант», г. Москва

В настоящее время около 90 % промышленного производства фотопреобразователей наземного применения приходится на элементы на основе кристаллического кремния (рис. 1). Однако эффективность преобразования кремниевых элементов остается еще низкой и поэтому много внимания уделяется на разработку технологий, позволяющих, с одной стороны поднять эффективность преобразования, с другой найти решения кардинального повышения КПД преобразования энергии излучения Солнца используя новые физические явления. В настоящее время в массовом производстве используются три вида структур.

Рис. 1.

Структуры с селективным эмиттером и пассивацией поверхности двухслойным покрытием

Уменьшение глубины залегания р-п перехода, которое позволяет существенно увеличить коротковолновую чувствительность элемента и поднять КПД преобразо-вания, создало проблемы с получением хорошего контакта к таким тонким слоям при массовом производстве. Её удалось решить методом углубления р-п перехода на местах контактной металлизации (селективности эмиттера) (рис. 2). При этом КПД промышленно изготовляемых элементов вырос до 19 % за счет доведения слоевого сопротивления до 100 ом/? и улучшения степени пассивации поверхности. В настоящее время КПД элементов с селективным эмиттером и двухслойной пассивацией поверхности в массовом производстве достиг ~ 20 %.

Солнечные элементы с п-типом базы

Структура солнечного элемента с п-типом базы давно привлекает внимание исследователей благодаря времени жизни неосновных носителей заряда в таком материале и отсутствию комплексов бор-кислород, приводящих к начальной деградации параметров элемента под воздействием света. На основе п-типа материала изготавливаются также солнечные элементы с контактами на тыльной стороне (рис. 3), КПД которых находится в пределах 21 - 23 %.

солнечный селективный ток кремний

Солнечные элементы на основе гетеропереходов кремний - аморфный кремний (Si-а-Si)

Солнечные элементы на основе гетеропереходов Si-а-Si (рис. 4) выделяются среди прочих, прежде всего высоким КПД (~ 24 % ? Sanyo Electric Co., Panasonic). Кроме этого они имеют отличные значения температурного коэффициента мощности и обеспечивают потенциальную возможность использования тонких (~ 80 - 100 мкм) пластин. Структура элемента, состоящая из n+-а-Si-n-c-Si-p-а-Si слоев, создается при температурах ниже 200о С, причем переход на p-а-Si на фронтальной и на n+-а-Si на тыльной поверхностях осуществляется через тонкий i слой собственной проводимости а-Si. Благодаря наличию сверхтонкого i слоя а-Si на границе гетероперехода было получено рекордно высокое напряжение холостого хода ~ 0,750 В.

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Ресурс этих структур по повышению эффективности преобразования солнечного излучения еще не исчерпан. В настоящее время стоит задача по созданию технологии промышленного производства кремниевых солнечных элементов (СЭ) с КПД ~ 25 %.

Теперь остановимся о некоторых направлениях исследований по повышению КПД.

Известно, что ограничение КПД полупроводниковым СЭ связано как с фундаментальными потерями, так и потерями мощности, связанными со световыми, рекомбинационными и омическими потерями. К фундаментальным потерям относятся:

- 1) потери мощности за счет излучений, с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника (Еg), кванты которых пролетают сквозь полупроводник без поглощения.

- 2) потери мощности связанные с генерацией «горячих» носителей тока, когда при поглощении кванта излучения с энергией больше Еg материала световая энергия передается валентному электрону, который первоначально окажется высоко в зоне проводимости (станет горячим электроном), а затем, взаимодействуя с атомами кристалла, теряет «избыточную» энергию до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой решетки и он не окажется на дне зоны проводимости. Разница между первоначальной энергией и энергией «остывшего» электрона и есть потери на «горячих электронах».

- 3) термодинамические потери ? это: а) потери связанные с невозможностью преобразования в СЭ кинетической энергии электрона, которая в реальных условиях будет тем выше энергии «дна» зоны проводимости, чем выше температура. Величина этих потерь равна 3/2 кТс, где к - постоянная Больцмана, Тс - температура; б) потери связанные со снижением напряжения холостого хода элемента (Voc) с температурой. При максимальном фотовозбуждении Voc элемента становится равным контактной разности потенциалов, которая по своему значению при абсолютном нуле равна Еg материала. При однократном освещении напряжение холостого хода будет расти с уменьшением и снижаться с повышением температуры кристалла. Эти термодинамические потери уменьшаются с понижением температуры и исчезают при температуре абсолютного нуля.

Термодинамические потери по своему значению не значительны по сравнению с потерями с потерями за счет низкоэнергетических квантов и потерями за счет генерации «горячих» носителей тока. Они связаны с Еg полупроводника. Чем меньше Еg, тем больше квантов поглощается в данном материале. Но при этом растет количество квантов, у которых энергия будет выше, чем Еg, т.е. будут расти потери, связанные с генерацией горячих носителей тока. Поэтому у зависимости эффективности преобразования солнечного излучения от Еg материала имеется максимум, за пределами которого эффективность уменьшается как при больших Еg, так и при меньших Еg. Этот максимум соответствует Еg = 1,32 эв, при этом значение максимальной эффективности равно 31 %, которое снижается при Еg, отличной от указанного значения. Так, СЭ на основе кремния, имеющего Еg равную 1,12 эв, будет иметь предельный теоретический КПД, равный 29,7 %. На рис. 5 показан процесс формирования фотоэлектронов в элементе с р-п переходом, где нижняя заштрихованная часть это валентная зона, а верхняя заштрихованная часть ? зона проводимости. При освещении такой структуры кванты излучений с энергиями h? ? Еg пролетят СЭ без поглощения и не внесут вклад в генерацию электрической мощности. Кванты излучений с энергией h? = Еg проникают в кристалл глубже и могут передать свою энергию валентному электрону, переходящему на дно зоны проводимости (переход 1), после чего он может свободно перемещаться по кристаллу и участвовать в генерации электрической мощности. Кванты излучений с энергиями h? ? Еg, проникают в кристалл в меньшую глубину и переводят валентные электроны на более высокие уровни зоны проводимости (переходы 2, 3, 4). Чем больше энергия кванта, тем выше от «дна» зоны проводимости окажется этот электрон. Он может находиться на этом уровне очень короткое время и, передав свою «лишнюю» энергию (?Ес) кристаллической решетке, окажется на «дне» зоны проводимости, после чего, может перемещаться по кристаллу и участвовать в генерации электрической мощности. Такие «горячие» носители заряда могут перейти в устойчивое состояние только в результате передачи части своей энергии решетке. Поэтому в СЭ часть энергии светового излучения преобразуется в электрическую энергию, а часть, связанная с генерацией горячих носителей, повышает температуру кристалла.

Уменьшение этих потерь возможно при каскадном соединении нескольких СЭ на основе материалов с разной шириной запрещенной зоны (рис. 6). Они позволяют, с одной стороны, расширить спектр поглощения в длинноволновую область за счет узкозонных материалов, с другой стороны уменьшить потери, связанные с генерацией «горячих» носителей заряда. Уменьшение этих потерь происходит за счет «разделения» (образно) спектра излучения Солнца на «полосы» и преобразования энергии квантов, из каждой этих полос СЭ с соответствующей Еg. Чем больше число каскадов, тем меньше ширина «полосы» и разница между энергией кванта из «полосы» и Еg соответствующего элемента каскада. При этом снижаются потери мощности из-за «термализации» «горячих» носителей заряда. Однако каскадные СЭ не решают проблему с потерями, связанными с генерацией «горячих» носителей заряда. Кроме того, создание многокаскадной структуры СЭ сопряжено как с материаловедческими, так и технологическими проблемами.

Рис.5

Рис.6

Поэтому разработаны структуры элементов с одним р-п переходом, эффективность которых может оказаться выше, чем у стандартных однопереходных СЭ. К таким элементам можно отнести: 1) элементы с промежуточной зоной в запрещенной зоне (intermediate band), 2) элементы с ударной ионизацией, и 3) элементы с горячими носителями тока.

В ходе исследований возможности создания элементов с промежуточной зоны. Киверс и Грин в 1994 году пересмотрели теорию Шокли-Рида-Холла с учетом фотогенерации с примесного центра и поглощением кванта излучения и, применив её к крем-нию, легированному In, который является глубоким центром, предсказали возможность увеличения эффективности в абсолютном значении на 1 - 2 %. Непременным условием для промежуточных состояний является то, чтобы они вели себя как центры излучения при рекомбинации носителей (рис. 7).

В качестве промежуточных состояний в запрещенной зоне в базе могут использоваться квантовые точки (рис. 8).

В основе концепции элементов с множественной генерацией лежит рассмотрение возможности поглощения фотона с энергией превышающей Eg в два, три раза и генерации двух или трех электронно-дырочных пар (рис. 9). Если в обычных элементах в этом случае часть энергии, превышающей Eg, теряется на нагрев кристалла, в элементах с ударной ионизацией имеется возможность получения больше одной электронно-дырочной пары при поглощении одного фотона. Это происходит следующим образом: поглощаемый высокоэнергетический квант создает высокоэнергетический носитель (например, электрон), который затем, релаксируя ко дну зоны проводимости, может свою энергию передать электрону в валентной зоне. Если она будет больше чем Eg, то возникнет вероятность генерации еще одного электрона в зону проводимости (рис. 9). Однако в реальных кристаллах такой переход маловероятен из-за многочисленных соударений горячего электрона с примесями и другими нарушениями кристаллической решетки. В результате первоначальная энергия будет растрачиваться на нагрев кристалла и остаточной энергии первичного электрона будет не достаточно для перевода валентного электрона в зону проводимости. Число соударений горячего носителя по пути ко дну зоны проводимости определяет его длину свободного пробега в данном кристалле. Чем совершеннее кристалл и чем меньше в ней примесей, тем больше будет длина свободного пробега и больше вероятность сохранения первоначальной энергии для генерации еще одного валентного электрона в зону проводимости.

Рис.7

Рис. 8

Рис. 9

Для уменьшения потерь при соударениях и сохранении первоначальной энергии возбужденного электрона предлагается использовать варизонный кристалл, электрическое поле которого будет ускорять носитель заряда по мере его движения из широкозонной части в узкозонную часть кристалла (рис. 10). При электрических полях кристаллической решетки, достаточных для компенсации потерь в соударениях, появляется возможность удвоения квантовой эффективности для фотонов с энергией 2Eg и более.

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

Рис.14

Рис. 15

Предлагается также создание гетеропереходного элемента на основе n GaP - p Si (рис. 11), особенностью которого является наличие разрывов зон при контакте этих материалов. При этом ширина разрыва валентной зоны равна 1,45 эв, что больше чем ширина запрещенной зоны кремния. При резком р-п переходе создаются условия, при котором возбужденная в GaP «дырка», падая с энергетической высоты равной 1,45 эв, может передать эту энергию валентному электрону в кремнии, которому для перехода в зону проводимости достаточно энергии 1,12 эв, т.е. Eg Si. Таким образом, возможно удвоение квантовой эффективности для фотонов, энергия которых > Eg фосфида галлия (рис. 12).

В элементах с горячими носителями тока высокоэнергетический фотон генерирует электронно-дырочную пару с большой энергией, которую затем надо разделить для получения тока.

Для такого элемента нужны специальные контакты, позволяющие изоэнтропически охладить горячие носители и сохранить их электрохимический потенциал (рис. 13). Для создания таких контактов в 2003 году было предложено использовать туннельно резонансные структуры с квантовыми точками. Резонансное туннелирование через слой с квантовыми точками ? это транспортировка потока тока через узкую щель энергии, позволяющая сохранить энергию частицы (рис. 14). Зависимость эффективности преобразования солнечного элемента с горячими носителями тока от ширины запрещенной зоны материала показывает, что максимум эффективности сдвигается в сторону меньших значений Еg (рис. 15), так как с уменьшением Еg растет и доля квантов, поглощаемых этим материалом. Теоретические расчеты показывают, что КПД СЭ, основанных на экстракции горячих носителей, тока больше эффективности шестикаскадного преобразователя. Таким образом, используя новые физические явления в структурах СЭ, можно достичь достаточно высоких значений КПД преобразования солнечного излучения. Другим фактором привлекательности таких структур является относительная простота технологических приемов по сравнению с технологией формирования 5 или 6 каскадных элементов.

Размещено на Allbest.ru