Солнечные преобразователи. 
Электроника

Солнечный преобразователь (СП), или солнечный фотоэлемент, представляет собой полупроводниковый прибор, преобразующий солнечное излучение в электрическую энергию.

В основу работы СП положен фотовольтаический эффект в р—л-переходе. Совокупность СП, объединенных в единой, как правило плоской, панельной конструкции, называется солнечной батареей. Солнечные батареи являются основным источником энергии на спутниках и космических кораблях. Они начинают успешно применяться и на наземных энергоустановках различной мощности.

Рис. 16.32.

Поскольку СП предназначены для преобразования солнечной энергии, необходимо стремиться идеально согласовать их спектральные характеристики со спектром излучения Солнца. На рис. 16.32 приведено распределение интенсивности солнечного излучения по спектру: кривая 1 соответствует солнечному спектру в свободном пространстве за пределами атмосферы, т. е. в условиях работы СП на спутниках и космических летательных аппаратах; 2 — солнечный спектр на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените. Для первого случая (кривая 1) полная мощность излучения составляет 1353 Вт/м², для второго (кривая 2) — 925 Вт/м².

Существует достаточно много разнообразных конструкций солнечных элементов. Рассмотрим в качестве примера устройство кремниевого солнечного элемента с р—л переходами (рис. 16.33), поскольку оно является своеобразным эталоном при создании всех солнечных батарей. Солнечный элемент, изображенный на рис. 16.33, состоит из мелкогор—л-перехода (7), сформированного у поверхности; лицевого (поверхностного) полоскового омического контакта 2; просветляющего покрытия на лицевой поверхности 3 тылового омического сплошного контакта 4. Рис. 16.33, б иллюстрирует структуру полоскового электрода 2 на виде сверху. Недостаток этой конструкции — наличие тени от металлических контактов, уменьшающее эффективность прибора, и большой коэффициент отражения света от поверхности элемента.

Рис. 16.33.

Рис. 16.34.

Одним из лучших по своим характеристикам является солнечный элемент, показанный на рис. 16.34, где 1 — текстурированная поверхность с повышенным уровнем легирования донорами (л⁴); 2 — р-область элемента; 3 — металлические контакты л⁺ коллектора; 4 — металлические выводы базы. Сверху элемент имеет просветляющее покрытие (на рисунке не изображено).

Текстурированная поверхность создается с помощью анизотропного травления поверхности кремния, ориентированной в определенном кристаллографическом направлении. В рассматриваемом элементе отсутствует тень от металлических электродов и проще реализуются межсоединения элементов, поскольку здесь электроды располагаются на тыловой поверхности. Этот прибор функционирует подобно биполярному транзистору л⁺— р—л⁴-типа с изолированным л⁺-эмиттером, расположенным на текстурированной лицевой поверхности. Рассмотрим основные физические процессы, протекающие в солнечном преобразователе (элементе).

В основе устройства обычного солнечного элемента лежит освещаемый р—л-переход, работающий без внешнего электрического смещения. В солнечных элементах используется собственное поглощение. Когда на элемент попадает солнечный свет, фотоны с энергией, большей энергии ширины запрещенной зоны, генерируют электронно-дырочные пары, при этом для ионизации атомов достаточно энергии фотона /IV = АЕ₃. Остальная энергия фотонов переходит преимущественно в тепло. Как неоднократно отмечалось, скорость генерации при удалении от поверхности уменьшается, при этом короткие волны поглощаются в более верхних слоях по сравнению с более длинными (см. п. 16.2). Скорости генерации электронно-дырочных пар как функции расстояния х от поверхности солнечного элемента, показанного на рис. 16.35, а

(заштрихованная часть соответствует р—л-переходу), для длинноволнового и коротковолнового излучений приведены на рис. 16.35, б.

Поскольку в верхних слоях образуется множество фотоносителей, за счет диффузии они начинают перемещаться в сторону обедненной области перехода, где разделяются внутренним полем р—л перехода.

Электроны остаются в л-области, а дырки, для которых поле перехода является ускоряющим, перебрасываются в р область. Электроны и дырки, появляющиеся в обедненном слое под действием света, выносятся из него сильным электрическим полем перехода, практически не рекомбинируя. Поэтому фототок обедненного слоя определяется числом фотонов, поглощаемых в этом слое в единицу времени.

Полный фототок, возникающий в фотоэлементе при поглощении света, равен сумме дырочного и электронного токов, протекающих через границы перехода, и дрейфового фототока, рожденного непосредственно в р—л переходе. Если цепь элемента разомкнута, фотоносители накапливаются в соответствующих областях и компенсируют часть объемного заряда ионов примеси в обедненной области р—л перехода. Потенциальный барьер на переходе уменьшается пропорционально величине компенсации этого заряда, и на выводах элемента возникает напряжение, которое при разомкнутой внешней цепи называется напряжением холостого хода С/_хх. Это явление, как отмечалось в п. 16.4, называется фотовольтаическим эффектом. Если цепь замкнуть накоротко (Я_н = 0), в ней потечет ток, обусловленный фотоносителями. Этот ток называется током короткого замыкания /_кз. При наличии нагрузки, т. е. когда Я_н ** 0, в цепи протекает ток меньше /_кз и на Я_п создается падение напряжения ?/_н. Если на освещенный элемент подавать внешнее обратное смещение, к фототоку добавляется обратный ток р—л перехода, т. е. при обратном смещении полный ток равен /_кз 4- _р. Этот режим работы используется в фотоприемниках (см. п. 16.4). При прямых смещениях, больших С/_хх, ток инжекции через переход начинает преобладать над фототоком и освещаемый переход рабо;

Рис. 16.35.

тает как обычный р—я переход. ВАХ такого прибора определяется выражением (см. п. 2.3).

где /₀ — обратный ток идеализированного р—я-перехода (см. п. 2.3); /ф — ток, обусловленный фотоносителями.

Если взять за основу данные, соответствующие расчетной ВАХ идеализированного р—я перехода (п. 2.3, рис. 2.4), и учесть роль /ф, то график ВАХ, определяемый формулой (16.12), имеет для /ф = 100 мА и /₀ = 0,1 мкА вид, изображенный на рис. 16.36, а, кривая 1. Значения токов и напряжений, соответствующие части ВАХ, расположенной в четвертом квадранте, отвечают случаю, когда прибор является источником энергии. Часто эту часть ВАХ солнечного элемента представляют в виде, показанном на рис. 16.36, б. Если в (16.12) положить I = 0, можно получить выражение для напряжения холостого хода (?/ = ?/_хх):

Рис. 16.36.

Из формулы (16.13) хорошо видна роль тока /₀. Величина U_xx возрастает с уменьшением обратного тока, когда он достигает насыщения при /ф = const, поэтому в солнечных фотоэлементах стремятся по возможности существенно понизить силу обратного тока. Формулы (16.12) и (16.13) позволяют рассчитывать значения тока 1_т и напряжения С/_т, при которых фотоэлемент выдает максимальную выходную мощность Р_т = I_mU_т. Для этого, умножая левую и правую части (16.12) на 17, получаем формулу для выходной мощности Р и находим ее максимум из условия dP/dU = 0.

Соответствующие выражения для I_т и V_т имеют вид.

(Вторая формула соотношения (16.15) получена с учетом выражения (16.13) для (/_хх.).

На рис. 16.36, б нанесены значения I_т и V_т и построен прямоугольник, площадь которого соответствует максимальной мощности Р_ту т. е. для нахождения Р_т необходимо в ВАХ фотоэлемента вписать прямоугольник с максимальной площадью. Таким образом, полученные выражения (16.14) и (16.15) определяют максимальную мощность, которая выделяется в нагрузке при поглощении излучения и при оптимальном согласовании внутреннего сопротивления элемента с сопротивлением внешней цепи. Максимальная эффективность преобразования г) (максимальный КПД преобразования оптического излучения в электрическую энергию) реализуется при таком выборе и изготовлении материала, когда обратный ток будет минимальным; Т|_ш определяется отношением максимальной выходной мощности Р_т к мощности падающего излучения. Предельные значения КПД идеализированного преобразователя можно получить, если допустить, что потери в фотоэлементе обусловлены только излучательной рекомбинацией.

Казалось бы, для получения, максимального КПД необходимо иметь минимальные значения /₀ и, следовательно, целесообразно использовать полупроводники с возможно более широкой запрещенной зоной. Однако между шириной запрещенной зоны ДЕ₃ и энергией фотона Лу существуют оптимальные соотношения для каждого реального кристалла. Если Лу > ДЕ₃, то разность энергий Лу — Д?₃ переходит в основном в тепло. Кроме того, как видно из рис. 16.32, в спектре излучения Солнца большая часть потока фотонов обладает энергией.

Рис. 16.37.

порядка одного эВ. С учетом этого на основании проведенных расчетов было показано, что максимальный КПД достигается при Д?₃ — 1,35 эВ. На рис. 16.37 приведена зависимость Г| = /(Д?₈) для солнечного элемента, расположенного на Земле при Т = = 300 К и при освещении Солнцем, находящимся под углом 45° к горизонту. Если осуществить тысячекратную концентрацию солнечного света с помощью оптических систем, то максимальный КПД возрастет с 31 до 37%, что связано с увеличением 1/_хх.

В реальных солнечных преобразователях максимальный КПД заметно ниже идеализированного из-за влияния сопротивления высокоомной базовой области, различных видов рекомбинации, потерь на сопротивлении контактов и ряда других факторов, которые будут рассмотрены ниже. Определяющее влияние на КПД рассматриваемых приборов оказывает квантовая эффективность, или спектральный отклик, который представляет собой число генерируемых фотоэлектронов в полном токе прибора, приходящихся на один падающий фотон при облучении монохроматическим светом с длиной волны X. Этот параметр связан с коэффициентом поглощения. В фотоэлементе, представленном на рис. 16.33, при поглощении фотонов с низкими энергиями основная доля носителей генерируется в базовой области, поскольку коэффициент поглощения в 81 мал. Если энергия фотонов больше 2,5…3 эВ, то основная их доля поглощается в лицевом слое. Скорость поверхностной рекомбинации на лицевой поверхности достаточно велика, и это приводит к значительному уменьшению фотоотклика. Для анализа электрической цепи, в которую включен фотоэлемент, весьма полезно знать его эквивалентную схему, которая представлена на рис. 16.38. Генератор тока /_ф определяет генерацию неравновесных носителей за счет облучения светом, диод УБ моделирует идеализированный р—п-переход, ВАХ которого описывается выражением (2.20); параллельное сопротивление #_у обусловлено токами утечки; последовательное сопротивление Я_к определяется в основном сопротивлением высокоомной базовой области и для солнечного элемента зависит от глубины залегания перехода, концентрации примесей в ли р областях и от конструкции лицевого омического контакта (см. рис. 16.33). Теоретический анализ эквивалентной схемы.

Рис. 16.38.

показывает, что даже такое малое шунтирующее сопротивление, как Я_у = 100 Ом, практически не влияет на выходную мощность прибора. В действительности #_у много больше, поэтому его влиянием тем более можно пренебречь.

Последовательное же сопротивление Л_к даже при значениях Я_к < 1 Ом оказывает существенное влияние на выходную мощность. Так, при Я_к = 5 Ом выходная мощность уменьшается более чем на 30% по сравнению с оптимальной величиной при Я_к = 0. Таким образом, при учете последовательного сопротивления Я_к, как и в обычном р—л-переходе (см. п. 2.3), ток, напряжение и выходную мощность во внешней цепи можно определить соответствующими выражениями:

Для иллюстрации влияния сопротивления Я_к на выходную мощность можно привести следующий пример. Если при Я_к = 0 выходная мощность Р = 1 Вт, то для Я_к = 2 Ом, Р = 0,57 Вт, а при Я_к = 5 Ом выходная мощность, выделяемая во внешней цепи, равна лишь 0,27 Вт. Типичные значения #_к для кремниевого солнечного элемента, изображенного на рис. 16.33, составляют 0,4…0,7 Ом. На рис. 16.36, а (кривая 2) проиллюстрировано влияние Я_к на ВАХ, там же показан заштрихованный прямоугольник, площадь которого определяет максимальную мощность, производимую фотоэлементом при Я_к = 5 Ом, и не заштрихованный прямоугольник — для максимальной мощности при Я_к = 0.

В реальных солнечных элементах, в отличие от идеализированных, на величину прямого тока оказывает влияние рекомбинация носителей в р—л-переходе, за счет чего КПД преобразования падает. Так, в кремниевых солнечных элементах при комнатной температуре рекомбинационный ток приводит к снижению эффективности преобразования на 25%. Повышение температуры также уменьшает эффективность преобразования (КПД) в основном из-за уменьшения напряжения ?/_хх, вызванного увеличением обратного тока насыщения 1^ при высоких температурах, как это следует из формулы (16.13).

Отдельный солнечный кремниевый элемент площадью 2 см² имеет значения напряжения холостого хода ?/_хх = 0,5…0,6 В и тока короткого замыкания /_кз = 30…60 мА. Большое количество таких элементов, соединенных последовательно-параллельно и собранных в единую солнечную батарею, позволяет получить источник электрической энергии с существенно большими токами и напряжениями. На рис. 16.39 показана ВАХ солнечной батареи, которая вырабатывает в наземных условиях при Т = 300 К максимальную мощность ~ 11,5 Вт с КПД ~ 13%. Батарея освещается Солнцем, находящимся в зените. На этом же рисунке приведены и линии постоянной мощности (Р = const).

Выше были рассмотрены плоские кремниевые р-п фотоэлементы. Существует достаточное разнообразие конструктивных решений приборов этого вида, в которых за счет тех или иных структурных и конструктивных модификаций удается повысить эффективность. Одной из таких модификаций является элемент, устройство которого дано на рис. 16.34. Как уже отмечалось, этот прибор работает подобно биполярному транзистору с изолированным п * -эмиттером. Неравновесные электронно-дырочные пары, рожденные светом в «^-эмиттере (2) или р базе (2), движутся (как в обычном транзисторе) к «^-коллектору и разделяются коллекторным переходом. В «^-коллектор поступают электроны, а дырки остаются в р-базе, выводы которой (4) осуществляются через p^f-области. В этом фотоэлементе вблизи тыловой (нижней на рис. 16.34) поверхности перед металлическими омическими контактами созданы сильнолегированные полупроводниковые р⁺-слои. Между двумя базовыми областями р⁺ и р возникает потенциальный барьер <7ф_р, препятствующий выходу электронов р области.

Рис. 16.39.

В результате резко снижается скорость поверхностной рекомбинации электронов вблизи тыловой поверхности, т. е. уменьшаются потери фотоносителей, что вызывает увеличение спектрального отклика, особенно для длинноволнового излучения. Плотность тока короткого замыкания возрастает, повышается и напряжение холостого хода за счет роста тока короткого замыкания /_кз, уменьшения рекомбинационного тока тылового контакта и из-за дополнительного потенциального барьера между р- и р-областями. Таким образом, наличие текстурированной поверхности, уменьшающей потери на отражение, и высоколегированных областей на тыловой поверхности позволяет получить КПД порядка 20% и более.

Рассмотрим теперь основные свойства других фотоэлементов, обладающих целым рядом достоинств. К таким приборам можно отнести солнечные элементы с гетеропереходами, поверхностные и тонкопленочные солнечные элементы.

Гетеропереходы представляют собой переходы, которые образуются при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (см. п. 2.7). Если у фотоэлемента верхний слой, на который падает свет, сделать из полупроводника с широкой запрещенной зоной Д?_з1, а нижний — с узкой ДЕ_з2, то при облучении квантами света с энергией Д?_з1 < /IV < Д?_з2 фотоны проходят через слой первого полупроводника и поглощаются во втором. Первый слой с широкой запрещенной зоной ДЕ_з2 играет роль оптического окна; остальные процессы аналогичны процессам в солнечных элементах с р—л гомопереходами. Основные преимущества солнечных элементов с гетеропереходами перед приборами с р—л гомопереходами следующие:

• 1) повышение спектрального отклика на коротких длинах волн при условии, что < Д?_з1 и фотоны поглощаются в обедненном слое второго полупроводника;
• 2) возможность получения низкого последовательного сопротивления за счет сильного легирования верхнего слоя;
• 3) высокая радиационная стойкость при достаточно толстом и широкозонном верхнем слое полупроводника.

К достоинствам солнечных элементов с барьерами Шоттки можно отнести:

• 4) большой выходной ток и хороший спектральный отклик из-за близкого расположения обедненного слоя к поверхности, что ослабляет негативное влияние малого времени жизни и высокой скорости поверхностной рекомбинации;
• 5) высокую радиационную стойкость;
• 6) отсутствие необходимости проведения высокотемпературной диффузии, что позволяет использовать низкотемпературную технологию, применяемую при изготовлении поликристаллических тонкопленочных солнечных элементов.

При изготовлении солнечных элементов на барьерах Шоттки слой металла должен быть настолько тонким (~ 10~⁶ см), чтобы основная доля света достигала полупроводника. В рассматриваемых приборах фототок, как правило, имеет три компоненты, которые связаны с поглощением: фотонов с энергией порядка энергии барьера на границе металл—полупроводник; фотонов коротковолновой части оптического спектра в обедненной области перехода; длинных волн в нейтральной области полупроводника, где генерируются электронно-дырочные пары, диффундирующие в сторону обедненного слоя.

Первая компонента обычно составляет ~ 0,01 от полного тока и, как правило, не учитывается. Таким образом, две основные компоненты спектрального отклика и фототока связаны с генерацией носителей в обедненном слое и в объеме базовой области. Разделение носителей в обедненном слое происходит так же, как и в обычном р—л-переходе. Переход выполняется таким образом, чтобы сильное поле обедненного слоя выносило из него носители за время, меньшее времени рекомбинации. Для увеличения фототока следует увеличивать коэффициент пропускания структуры и диффузионную длину фотоносителей. Спектральный отклик элемента с барьером Шоттки несколько меньше, чем у элемента с р—л-переходом, из-за отражения и поглощения света металлической пленкой. Однако последний вид потерь может быть сведен к минимуму. Коэффициент пропускания света золотыми пленками толщиной ~ 10~⁷…10~⁶ см при наличии просветляющего покрытия может достигать 90…95%.

Расчеты показывают, что КПД идеализированного элемента, не имеющего потерь на отражение и резистивных потерь, возрастает с увеличением высоты потенциального барьера на контакте металл—полупроводник. Его максимум достигается при энергии барьера, равной ширине запрещенной зоны и составляет: ~ 25% для ОаАв; 22% для Эц менее 13% для Ое. Эти значения КПД близки к предельным КПД элементов на р—л-гомопереходах.

Для получения большой высоты потенциального барьера при контакте с полупроводником л-типа используют металлы с высокой работой выхода, а для полупроводников р типа — металлы с низкой работой выхода.

Солнечные элементы на МДП-структурах имеют между металлом и полупроводником тонкий (~ 10 ⁵ см) слой диэлектрика. Преимущества этих элементов: повышенная эффективность при облучении коротковолновым светом из-за сильного ПОЛЯ в поверхностном слое, отсутствие кристаллических дефектов, возникающих при диффузии примесей во время создания элементов с р—л-переходами. Такие элементы имеют КПД ~ 18% в условиях облучения на Земле при освещении Солнцем, находящимся в зените. При создании таких структур не надо проводить высокотемпературную диффузию, их можно изготавливать на полукристаллических и аморфных подложках. Поэтому солнечные элементы на МДП-структурах как источники энергии наиболее выгодны с экономической точки зрения по сравнению с другими типами СП.

Тонкопленочные солнечные элементы выполняются из поликристаллических или неупорядоченных полупроводниковых пленок, нанесенных или выращенных на электрически активных или пассивных подложках (керамика, металл, стекло, пластмасса, кремний и т. д.). Они находят широкое применение из-за низкой стоимости, обусловленной простотой технологии и дешевизной используемых материалов. Однако эти приборы имеют низкий КПД и деградацию характеристик во времени, обусловленные тем, что пока не удается изготовить высококачественные пленки, слабо реагирующие с окружающей средой.

В последнее время в качеств одного из основных материалов для изготовления тонкопленочных солнечных элементов используют аморфный кремний, который называется а—81. Кристаллический и аморфный кремний сильно различаются. В отличие от кристаллического, аморфный кремний близок по своим свойствам к прямозонному полупроводнику с шириной запрещенной зоны ~ 1,6 эВ, что хорошо видно из сравнения зависимостей коэффициента поглощения от длины волны для этих материалов (рис. 16.40).

Пленки, а — толщиной 1…3 мкм обычно выращивают на стеклянных подложках, покрытых слоем металла. На них были созданы солнечные элементы с р—/1-перехо;

Рис. 16.40.

дами и барьерами Шоттки. Для а—81 коэффициент поглощения излучения в видимой части спектра составляет 10⁴…10⁵ см**¹, поэтому большинство фотоносителей генерируется на расстоянии меньше одного мкм от поверхности, диффузионная длина имеет тот же порядок величины, последовательное сопротивление велико 10¹ Ом*см), КПД соответственно мал. Для элемента с барьером Шоттки и прозрачным металлическим слоем наилучший КПД ~ 6%.