Солнечные элементы

1–3 — 0,12; 0,28 и 0,4 мкм соответственно

Рис. 2.12. Световые вольт-амперные характеристики двух современных кремниевых солнечных элементов размером 2×2 см, измеренные под имитатором внеатмосферного Солнца (плотность потока излучения 1360 Вт/м²), и кривые равного КПД от 8 до 14 %

В последнее время предложен ряд новых материалов для создания контактов к легированным слоям малой толщины, например из нитридов титана, которые в сочетании с кремнием обладают ничтожно малым переходным сопротивлением.

Оптимальный полупроводниковый материал для создания солнечного элемента

Солнечным элементом с p-n-переходом в гомогенном полупроводнике называют элемент из однородного полупроводникового материала, основные оптические и электрические свойства которого (в частности, ширина запрещенной зоны) одинаковы по всему объему.

Структуры и солнечные элементы на их основе называются варизонными, если ширина запрещенной зоны изменяется, например, убывает от поверхности в глубь кристалла за счет плавного изменения химического состава материала, и на некоторой глубине расположен p-n-переход. При этом он может находиться на границе двух слоев из полупроводников с разной шириной запрещенной зоны (называемой гетеропереходом) или в одном из них, как правило, в нижнем слое из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. В этом случае верхний слой широкозонного материала выполняет лишь роль оптического окна, пропускающего свет к p-n-переходу. В то же время граница узкозонного и широкозонного материалов, если близки постоянные их решеток, как в случае систем GaAlAs — GaAs и Cu₂S — CdZnS, обладает низкой скоростью рекомбинации носителей заряда.

Поскольку в солнечных элементах с p-n-переходом в гетероструктурах рекомбинация на верхней границе оказывается резко уменьшенной, то эффективность собирания носителей (особенно в коротковолновой области спектра) растет и КПД таких элементов достигает весьма высоких значений.

На ранних стадиях изучения гомогенных солнечных элементов считалось, что для их изготовления желательно применять полупроводник, у которого ширина запрещенной зоны равнялась бы энергии фотонов, соответствующей максимуму солнечного спектра, т. е. примерно 2 эВ. В дальнейшем стало ясно, что для создания солнечных элементов следует выбирать полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, что приводит к увеличению числа фотоактивных квантов солнечного спектра и росту I_{κ 3} элементов, однако генерируемая ими фото-ЭДС при этом снижается из-за уменьшения высоты потенциального барьера р-n-перехода.

Рис. 2.13. Зависимости максимального КПД солнечного элемента во внеатмосферных условиях от ширины запрещенной зоны использованного полупроводникового материала

1 — коэффициент А (см. п. 2.3) равен 1; 2 — А = 2

Рис. 2.14. Зависимости максимальной удельной мощности солнечного элемента от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала для внеатмосферного (1) и наземного (2, 3) условий применения

1 — атмосферная масса т = 0, толщина слоя осажденных паров воды в атмосфере ω = 0; 2 — m — 1, ω = 2 см (с селективными полосами поглощения); з — m = 3, ω = 0

Наличие двух противоположных тенденций во влиянии исходного материала на свойства солнечных элементов показывает, что только в результате анализа всей вольт-амперной характеристики солнечного элемента и влияния на нее спектра падающего излучения может быть получена строго обоснованная зависимость возможного КПД от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Такой расчет выполнен впервые Дж. Лоферским в 1956 г. с использованием спектров наземного солнечного излучения, измеренных Ч. Абботом. Оптические и фотоэлектрические потери оценивались значениями, весьма близкими к оптимальным для солнечных элементов из разных полупроводниковых материалов. Последующий расчет максимального КПД привел к нескольким полезным наглядным зависимостям, некоторые из которых представлены на рис. 2.13 и 2.14.