ВВЕДЕНИЕ.

Земля получает от Солнца громадное количество энергии. Солнечная энергия - это не только свет и тепло, но это также энергия ветра и волн, энергия питательных веществ и многое другое. Формы энергии, не связанные с Солнцем прямо- это ядерная энергия, химическая энергия электрических батарей, энергия приливов и геотермальная энергия [1].

Пользование с солнечным излучением, сложный процесс, так как излучение на Земле — это очень рассеянный маленький поток энергии. Для того что бы применять эту энергию в больших количествах необходимо обеспечить очень эффективное его использование и намного улучшить экономические показатели солнечных элементов. Наиболее лучшим подходом в направлении решения этой проблемы изготовления недорогих преобразователей солнечной энергии, является разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния.

В России в последние годы уделяют большое внимание развитию солнечной энергетики. Доказательством этому служит крупнейший проект строительства завода по производству тонкопленочных солнечных модулей в г. Новочебоксарске. Объем финансирования его составляет около 21 млрд. рублей. При этом предполагается развитие в России современного производства солнечных модулей с применением тонкопленочных технологий, разработанных швейцарской компанией «Oerlikon Solar».

§1. Принцип работы солнечных элементов.

1.1. Основные параметры солнечного элемента

Спектральная чувствительность солнечного элемента определяет диапазон значений длин волн оптического излучения, в котором практически возможно использовать данный фотоэлемент.

Ток короткого замыкания I_{к. з}равен максимальному току, который может проходить через фотоэлемент под освещением, когда он замкнут сам на себя (R= 0). Если взятьU= 0,

I_{к. з}=− I_ф. (1)

С этого, ток короткого замыкания одинаковый с фотогенерируемому солнечным элементом току.

Напряжение холостого хода солнечного элемента U_{х. х}равен напряжению на разомкнутых клеммах фотоэлемента (R = ).Оно может быть получено,еслиI= 0

. (2)

Из уравнения (2) следует, что U_{х. х}можно повысить за счет увеличения отношенияI_ф/I_s.Это можно получить, снижая темновой ток или в итоге увеличения уровня легирования подложки, либо увеличения времени жизни неосновных носителей. Увеличение тока короткого замыкания (см. уравнение (1)) также может привести к тому что повысится напряжения холостого хода, однако эффект не так заметен, как в случае уменьшения темнового тока. На практикеU_{х. х}можно увеличить за счет создания поля на обратной стороне пластины в результате введенияp⁺-слоя и формирования структурыp–p⁺. Такая структура не только обеспечивает отражение неосновных носителей назад в областьp–n-перехода, но и уменьшает контактное сопротивление тыльного электрода. В итоге все основные параметры солнечного элемента —I_{к. з},U_{х. х}, фактор формы, КПД улучшаются. Напряжение холостого хода для кремниевых солнечных батарей сp–n-переходом находится в диапазоне от 0,5 до 0,7 В в зависимости от строения солнечного элемента, степени легирования и т. д.

С учетом выражения получаем

.

При большой степени освещения, когда I_ф/I_s>> 1, имеем

. (3)

При малом уровне освещения, когда I_ф/I_s<< 1, используем разложение в ряд Тейлора

.

В таком случае, при небольшой степени возбуждения напряжение холостого хода равен интенсивности света.

Максимальная получаемая солнечным элементом выходная мощность обозначена точкой P_m (P_m = I_mU_m, где I_m, U_m — соответствую­щие максимальной получаемой мощности значения тока и напряжения).

Выходная мощность равна

P=IU=I_sU(e^qU/kT− 1) −I_фU.

Условие максимума выходной мощности можно получить, при dP/dU= 0. Отсюда получаем

,

.

Величины I_mиU_mнаходятся в диапазонахI_m= (0,85 − 0,95)I_{к. з},U_m= = (0,75 − 0,9)U_{х. х}.

Максимальную выходную мощность можно найти по выражению

P_m = I_mU_m  =I_ф(E_m/e) ,

где

.

Величина E_mравна наибольшей энергии, получаемая в нагрузке при поглощении одного фотона с условием оптимального согласования фотоэлемента с внешней цепью. Поскольку величина E_m зависит от I_s, она зависит от параметров материала (например , D, уровень легирования). Идеальная эффективность преобразования реализуется при оптимальном выборе параметров материала, когда величинаI_sминимальна. Важным параметром, характеризующим качество солнечных элементов, является коэффициент формы, или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики:

. (4)

Отсюда

P_m=U_{х. х}I_{к. з}.

Из выражения (4) следует, что коэффициент формы указывает, насколько реальная ВАХ солнечного фотоэлемента отличается от идеальной, которая представляет собой прямоугольную ступеньку с напряжением U_{х. х} и током I_{к. з}.

Коэффициент формы для кремниевых солнечных батарей с p–n-пере­ходом находится в диапазоне 0,75…0,85, для СБ на основе GaAs — в диапазоне 0,79…0,87.

В СЭ электронно-дырочные пары могут быть генерированы солнечным излучением как в n-, так и вp-области, в зависимости от того, на какой глубине произошло поглощение фотонов с данной энергией. Электрическое поле вблизиp–n-перехода осуществляет разделение носителей заряда и сбор электронов вn-области, а дырок — вp-области. Однако часть неосновных носителей тока может быть потеряна в результате рекомбинации. Эффективность процесса собирания фотогенерированных носителей оценивается с помощью коэффициента собирания носителей зарядаQ. Коэффициент собирания носителей заряда равен отношению количества электронно-дырочных пар, разделенных полемp–n-перехода, к общему количеству генерированных светом электронно-дырочных пар

где ₀— плотность потока фотонов, падающих на поверхность элемента.

Величина Qсильно зависит от коэффициента поглощения, т. е. от длины волны излучения [2].

Идеальная спектральная зависимость коэффициента собирания носителей заряда для полупроводника с шириной запрещенной зоны E_g представляет собой ступеньку: он равен 0 при h < Е_g и равен 1 при h  Е_g Реальная спектральная характеристика имеет вид кривой с максимумом. Максимальное значение Q для обычных преобразователей близко к единице и для кремния соответствует области  = 0,8–0,9 мкм, а для GaAs  = 0,7–0,8 мкм. При достаточно больших длинах волн коэффициент поглощения уменьшается и при 0 величина Q также стремится к нулю, поскольку Q  . На границе собственного поглощения спектральная чувствительность и коэффициент собирания обращаются в нуль. Для кремния край собственного поглощения находится при  = 1,1 мкм, для GaAs — при  = 0,9 мкм [3].

Наконец, эффективность преобразования солнечного элемента (или КПД) равна отношению максимальной выходной мощности к мощности падающего излучения P_изл:

.