Оптические и рекомбинационные потери в солнечных элементах

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 323:37.012

ОПТИЧЕСКИЕ И РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ В СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Кейкиманова М.Т., Силкимова Ж.

ТарГУ имени М.Х. Дулати, Тараз ?.

Удовлетворение возрастающих энергетических потребностей человечества является за счет возобновляемых источников энергии, в первую очередь за счет целенаправленного использования и преобразования энергии Солнца.

Из рассмотрения основных процессов, происходящих внутри солнечного элемента при преобразовании оптического излучения в электроэнергию, становится ясно, что эффективность каждого из них зависит от оптических и электрофизических свойств полупроводникового материала (отражение от поверхности, квантовый выход фотоионизации, диффузионная длина не основных носителей заряда, спектральное положение основной полосы поглощения).

Причинами оптических потерь в солнечных элементах являются, отражение части солнечного излучения от поверхности солнечного элемента и затенение контактной сеткой. Снижение коэффициента отражения R достигается нанесением на поверхность солнечного элемента просветляющих покрытий в виде тонких пленок, обеспечивающих интерференцию и взаимное гашение световых волн, отраженных от поверхности пленки и от границы пленка-полупроводник. Интегральный коэффициент отражения, таким образом, может быть уменьшен от R35% для не просветленной поверхности до R10% при использовании однослойных просветляющих покрытий. Создание текстурированной фронтальной поверхности, образованной, например, регулярно расположенной пирамидами, обеспечивает снижение коэффициента отражения до ~20% для не просветленной поверхности и до нескольких процентов при использовании однослойных покрытий. Вопросы просветления солнечных элементов предназначенных для преобразования неконцентрированного солнечного излучения, подробно рассмотрены в ряде монографий [1, 6]. В данной работе остановимся только на некоторых особенностях оптических потерь.

Для гладкой поверхности солнечных элементов (непросветленной или просветленной) коэффициент отражения почти не меняется при увеличении угла падения световых лучей до 30 40о, однако затем быстро увеличивается, стремясь к единице при углах падения, близких к 90о. Текстурирование как поверхности полупроводника, так и поверхности защитного стекла позволяет значительно снизить угловую зависимость коэффициента отражения и, следовательно, уменьшить интегральный коэффициент отражения концентрированного солнечного излучения.

Вторую часть оптических потерь в солнечных элементах составляют потери на затенение светочувствительной поверхности электрическим контактом к освещаемой области p-n-перехода. Для снижения омических потерь контакт обычно выполняется в виде металлической сетки с шагом от нескольких миллиметров (для преобразования слабо концентрированного излучения) до 0,1-0,3мм (для преобразования сильно концентрированного).

При этом потери на затенение могут составлять от нескольких процентов до 10-20%.

Рассмотрим теперь рекомбинационные потери в солнечных элементах. В реальном солнечном элементе электронно-дырочные пары могут быть генерированы солнечным излучением как в n-, так и в p-области, в зависимости от того на какой глубине произошло поглощение фотонов с данной энергией. Не основные носители тока - электроны в p-области и дырки в n-области -двигаются к p-n-переходу, электрическое поле которого осуществляет собирание электронов в n-область, а дырок в p-область. Часть не основных носителей тока может исчезнуть в результате рекомбинации. За меру эффективности процесса собирания фотогенерированных носителей принимается коэффициент Q (коэффициент собирания), равный отношению количества электронно-дырочных пар, разделенных полем p-n-перехода, к общему количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. Величина Q существенно зависит от длины волны возбуждающего излучения, поскольку имеет место спектральная зависимость показателя поглощения полупроводников (рис.3.1) и генерация носителей происходит на разном расстоянии от p-n-перехода.

В солнечных элементах на основе непрямозонных полупроводников значительная часть излучения с hн >Eg генерирует электронно-дырочные пары глубоко в базовой области, что обусловливает пологую спектральную зависимость Q в длинноволновом участке спектра фотоответа вследствие рекомбинации части генерированных носителей в объеме базы и на тыльной поверхности.

В солнечных элементах на основе прямозонных полупроводников благодаря более резкому краю поглощения значения Q имеют более резкий подъем в длинноволновой части спектра, однако «поверхностное» поглощение в этом случае начинается при больших значениях л, что приводит к более быстрому спаду значения Q при уменьшении л, из-за рекомбинации фотогенерированных носителей на фронтальной поверхности.

Коротковолновый край фотоответа определяется в основном собиранием носителей из фронтального слоя, а длинноволновый край - собиранием из базовой области. Для определенности анализ коэффициента собирания проведем для солнечных элементов с фронтальной областью n-типа.

Рис. 1. Спектральная зависимость показателя поглощения для кремния (1) и арсенида галлия (2). Т=300 К.

Для коротких длин волн при выполнении условий exp(б) 1 и Lp1 коэффициент собирания при отсутствии электрических полей в объеме n-области определяется [6] из выражения

солнечный электроэнергия оптический галлий

, (3.1)

где s - скорость поверхностной рекомбинации; Lp и Dp -диффузионная длина и коэффициент диффузии дырок во фронтальном n-слое; -толщина фронтального слоя; -показатель поглощения излучения в полупроводнике.

Как следует из выражения (3.1), значения Q в коротковолновой области спектра больше в солнечных элементах с малой скоростью поверхностной рекомбинации, малой толщиной фронтального слоя и большими диффузионными длинами носителей тока во фронтальном слое.

В кремниевых солнечных элементах, используя специальную обработку поверхности, удается снизить значение s до 103104 см·с-1 , что при толщине фронтального слоя =0,10,2 мкм позволяет получить высокую фоточувствительность в коротковолновой области (=0,40,5 мкм) солнечного спектра. Встроенное электрическое поле вблизи поверхности, оттягивающее фотогенерированные носители в глубь полупроводника, также позволяет увеличить Q в области коротких длин волн за счет уменьшения потерь на поверхностную рекомбинацию. Скорость поверхностной рекомбинации представляет собой среднюю скорость движения неосновных носителей из объема полупроводника к поверхности. Для подавления этого движения необходимо, чтобы дрейфовая скорость носителей в созданном электрическом поле превосходила s, т.е. >s, откуда можно оценить минимальную необходимую напряженность поля: >s/.

Электрическое поле получается за счет наклона краев зоны проводимости и валентной зоны, например при неравномерном легировании или изменении химического состава полупроводника по толщине. В случае, когда концентрация легирующей примеси зависит от координаты как N(x), напряженность возникающего встроенного электрического поля равна

, (3.2)

В кремнии при s104 cм·с-1 встроенное поле, необходимое для хотя бы частичного подавления поверхностной рекомбинации, составляет величину порядка 103 В·см-1 и может быть создано в тонких слоях с градиентом N, получаемым методами диффузии или ионной имплантации. Так, при перепаде концентраций электронов от 1019 до 1017 см-3 на толщине 1 мкм напряженность встроенного поля достигает 103 В·см-1 .

В общем случае во фронтальной области солнечных элементов имеют место также потери и на объемную рекомбинацию. Однако объемная рекомбинация более существенно влияет на эффективность собирания носителей из базовой области солнечных элементов.

Для длинноволнового солнечного излучения, которое проходит через фронтальный слой без поглощения, выражение для коэффициента собирания носителей тока из базовой области p-типа имеет вид

, (3.3)

Если свет поглощается в базе на расстоянии, существенно меньшем Ln, т.е. выполняется условие Ln >>1, то рекомбинационные потери минимальны и коэффициент собирания близок к единице. С увеличением длины волны область генерации носителей сдвигается в глубь базы, что приводит к увеличению рекомбинационных потерь. На кривой зависимости Q=f() для кремниевых солнечных элементов это соответствует спектральному интервалу 0,8 1,2 мкм, в котором наблюдается плавное снижение Q c увеличением .

Основным способом повышения фоточувствительности в длинноволновой области является увеличение времени жизни электронов, приводящие к увеличению Ln, что достигается использованием материала более высокого качества. Поверхностную рекомбинацию на тыльной стороне солнечных элементов уменьшают при создании потенциального барьера за счет увеличения концентрации легирующей примеси. Для уменьшения рекомбинационных потерь и эффективного собирания носителей тока, отраженных от тыльного потенциального барьера, в кремниевых солнечных элементах уменьшают толщину базовой области. Однако при этом увеличивается прозрачность структуры для длинноволнового излучения с hEg. Для снижения оптических потерь в этом случае на тыльной поверхности структуры создают отражающее покрытие, что позволяет удвоит путь, проходимый длинноволновыми фотонами в структуре, и увеличить эффективность их поглощения.

Аналогичный эффект увеличения эффективности поглощения солнечного излучения достигается также текстурированием фронтальной и тыльной поверхностей кремниевых солнечных элементов, увеличивающим долю лучей, распространяющихся в полупроводнике под большими углами относительно нормали к облучаемой поверхности, что приводит к уменьшению глубины поглощения солнечного излучения.

Литература

1. Графф К., Фишер Г, Время жизни носителей в кремнии и его влияние на характеристики солнечных элементов,--В кн.: Преобразование солнечной энергии: Вопросы физики твердого тела: Пер. с англ./Под ред. М. М Колтуна, В. М. Евдокимова. М.: Энергоизд-82.

2. Евдокимов В. М., Каган М. В., Колтун М. М., Черкасский А. X. Солнечные батареи. М.: Виннити, 1977. 194 с.

3. Бузанова Л. К., Глиберман А. Я. Полупроводниковые фотоприемпики. М.: Энергия, 1976. 64 с.

4. Глиберман А. Я., Ковалев И. И., Четверикова Г. А. Фотопреобразователи в науке и технике.-- В кн.: Электроника и ее применение. М.:ВИНИТИ, 1980, т. 12, с. 117--162.

5. Черкасский А. X., Силин Л. Л. Термоэлектрические и фотоэлектрические генераторы. М.: ВИНИТИ, 1972. 301 с.

6. Бордина Н. М., Васильев А. М., Зайцева А. К., Ландсман А. П. Влияние сопротивления растекания на нагрузочную характеристику кремниевых фотоэлементов с различными вариантами токоотводов.-- Радиотехника и электроника, 1965, т. 10, № 4, с. 727--735.

Размещено на Allbest.ru