3.5. Проблема эффективности солнечных элементов

Эффективность солнечных элементов ограничена вследствие различного рода потерь; некоторые из них можно избежать, другие заключены в физической природе самих элементов. Одни ограничения очевидны и могут контролироваться независимо, другие являются сложными и не могут контролироваться без воздействия на материалы. Например, увеличение концентрации примеси может давать как положительный, так и отрицательный эффект. В таблице 3.1. приведены типичные потери в солнечных элементах с кремниевым p-n–переходом при облученности в условиях АМ1.

Таблица 3.1

Потери, характерные для кремниевых солнечных элементов

Данные на 1983 г				Планируемые данные
Энергия, оставшаяся после учета потерь в данном процессе, %	Потери мощ-нос- ти	Эф- фек- тив-ноcть	Примечания	Эф- фек- тив- ность	Потери мощ-нос- ти	Энергия, оставшаяся после учета потерь в дан­ном процессе, %
77	23	0,77	Нет фотопоглоще-ния: h<Eg	0,77	23	77
44	33	0,57	Избыток энергии фотонов перехо-дит в тепло h – Eg	0,57	33	44
43	1	0,97	Отражение от поверхности	0,99	1	43
42	0,4	0,99	Квантовый КПД	0,99	0,4	43

Окончание табл. 3.1

Данные на 1983 г				Планируемые данные
Энергия, оставшаяся после учета потерь в данном процессе, %	Потери мощ-нос- ти	Эф- фек- тив-ноcть	Примечания	Эф- фек- тив- ность	Потери мощ-нос- ти	Энергия, оставшаяся после учета потерь в дан­ном процессе, %
39	3	0,92	Ограниченная площадь контактов на лицевой поверхности	0,95	1,6	41
19	20	0.5	Потери потенциала eVв< Eg	0.7	12	29
15	4	0,81	Фактор кривизны- максимальная мощность Isc Vcc	0,87	4	25
10	5	0,65	Добавочный фактор кривизны – А; рекомбина-ционные потери	0,9	2,4	23
0,7	0,3	0,97	Добавочное сопротивление	0,97	0,6	22
0.6	0,1	0,99	Шунтирующее сопротивление	0,99	0,2	21
10	–	–	Полезная мощность	–	–	20

К сожалению, общепринятых названий для обозначения различных видов потерь до сих пор нет. В таблицу не внесены данные о стоимости производства солнечных элементов, но на мировом рынке имеется уже с десяток фирм, выпускающих эту продукцию. Однако, как уже отмечалось во введении к этой главе, на 1998 год стоимость батареи находится в пределах 3 $ за 1 Вт её мощности.

Ниже приведены потери в процентном отношении к полной облученности, которая в условиях АМ1 полагается равной 100%. Потери кратко сформулированы и даются в направлении от лицевой поверхности к основанию фотоэлемента. Коэффициенты полезного действия в табл. 3.1 отнесены к полезной доле приходящего потока излучения, поглощаемой при фотоэлектрической генерации энергии солнца.

1. Ограниченная площадь контактов на лицевой поверхности солнечного элемента (потери примерно 3%). Для снижения потерь, связанных с добавочным сопротивлением поверхности, электрический заряд собирается с поверхности фотоэлемента сеткой металлических контактов. Эти контакты имеют ограниченную площадь и закрывают только часть активной поверхности. Этот вид потерь не всегда учитывается в расчетах КПД.

2. Отражение от лицевой поверхности (потери около 1%). Если не принимать специальных мер, коэффициент отражения приходящего солнечного излучения от поверхности полупроводника будет высоким – около 40 %.

Эту величину можно снизить до 3 %, если поверхность полупроводника покрыть тонкой пленкой, которая имеет соответствующую толщину и показатель преломления (рис. 3.17), или каким-либо образом придать поверхности текстурированную или структурированную форму (рис. 3.18).

Рис. 3.17. Ход лучей в противоотражательной тонкой пленке

Расчет показывает, что толщина пленки должна быть

t =/4n₁ , (3.25)

где  – длина волны падающего света; n₁ – показатель преломления покрытия.

А связь между показателями преломления пленки и полупроводника имеет вид

, (3.26)

где n₂ – показатель преломления полупроводника.

Применение многослойных диэлектрических покрытий позволяет снизить эти потери до 3% и ниже.

Рис. 3.18. Виды поверхности с повышенной поглощательной способностью: текстурированная (а) и структурированная (б)

3. Фотоны с энергией, меньше ширины запрещенной зоны (потери около 23 %). Фотоны с энергией h<E_g не могут привести к генерации электрического тока. Для кремния с величиной запрещенной зоны E_g = 1,1 эВ неактивные длины волн составляют 23 % в условиях облученности АМ1.

Поглощение этих фотонов приводит к нагреву солнечного элемента, вследствие чего он еще больше нагревается, и мощность, отдаваемая им, падает.

4.Фотоны с избыточной энергией (потери около 33 %) Избыток энергии активных фотонов (h – E_g) также переходит в тепло. Однако частично эту энергию возможно использовать, применяя различные полупроводниковые материалы.

5. Квантовая эффективность (потери 0,4 %). При разработке солнечных элементов необходимо предусмотреть, чтобы материал имел достаточную толщину для поглощения, по крайней мере 95% падающего излучения. Нанесение отражающего слоя с тыльной стороны элемента позволяет вернуть излучение для повторного прохода через поглощающий материал.

6. Эффективность генерации тока. Эта составляющая полного КПД определяется следующим образом. Это часть появившихся под воздействием потока излучения электронно-дырочных пар, которые участвуют в возникновении тока во внешней цепи фотоэлемента. При полном КПД солнечного элемента – 10 % эффективность генерации тока составляет обычно около 0,7. Увеличение этого параметра до 0,9 приведет к повышению полного КПД до 20 % и выше, поэтому основная цель – усовершенствование солнечных элементов.

Существуют различные способы изменения этого параметра. Одним из самых возможных является формирование добавочного потенциального барьера вблизи металлического контакта с тыльной стороны. За p-n–переходом формируется слой с повышенной концентрацией примеси (например, слой р⁺ толщиной 1 мкм за слоем р-типа для создания добавочного барьера около 200 кВм^-1 (рис. 3.19). Неосновные носители – электроны, возникающие в р-слое вблизи этой р⁺ области, как бы отражаются градиентом потенциала по направлению к основному p-n-переходу быстрее, чем диффундируемый поток электронов с тыльной стороны элемента.

Рис. 3.19. Схема движения носителей в элементе с добавочным потенциальным барьером, уменьшающим диффузию электронов к металлическому контакту с тыльной стороны: 1 – лицевой контакт; 2 – металлический контакт

Вследствие этого скорость рекомбинации на тыльном контакте снижается. Такие диодоподобные слои могут быть добавлены и на лицевой поверхности (например, n⁺ и n) при достижении аналогичного эффекта для дырок. В результате этого коэффициент поглощения приемной поверхности возрастает.

7. Потери потенциала (примерно 20 %). Каждый поглощенный фотон создает электронно-дырочную пару с разностью потенциалов Е_g/е (для кремния это 1,1 В). Однако только часть (V_в) этого потенциала участвует в создании ЭДС во внешней цепи. Это видно из рис. 3.4, на котором показаны расположение зон вдоль перехода и направление диффузии носителей, которые приводят к созданию разности потенциалов (V_в). Потери потенциала характеризует величина F_ = e V_в/ Е_g. В кремниевых фотоэлементах F_ меняется от 0,6 до 0,5, соответственно V_в изменяется в пределах от 0,66 до 0,55 В.

Имеют место и потери ЭДС (_n + _p ), так как в разомкнутой цепи уровень Ферми вдоль перехода выравнивается с донорным и акцепторным уровнями, которые отстоят от границ зоны проводимости и валентной зоны соответственно на _n и _p.

Увеличение концентрации примесей приводит к повышению F_ (кремниевые элементы с удельным сопротивлением 0,01 Омм имеют бόльшие значения V_в и V_ос, чем с удельным сопротивлением 0,1 Омм). В других фотоэлементах, например, из GaAs F_  0,8.

8. Фактор кривизны вольтамперной характеристики F_с (потери около 4%). Вольтамперная характеристика солнечного элемента сильно зависит от характеристики p-n-перехода (рис. 3.8). Если напряжение на выходе элемента возрастает до V_ос, то увеличивается прямое смещение, приложенное к переходу, в результате чего растет внутренний рекомбинационный ток через переход _r. Этот эффект является основной причиной потерь в системе. Максимальная мощность Р_max меньше произведения _scV_oc вследствие экспоненциальной формы характеристики.

Фактор кривизны F_c, иногда называемый параметром насыщения, равняется Р_max/(_scV_oc). Максимальное значение для кремния этого фактора равно 0,88.

9. Добавочный фактор кривизны (потери около 5%), Вольтамперные характеристики реальных солнечных элементов описываются зависимостью

 = ₀ exp [ eV/(AkT) – 1] – I_L . (3.27)

Появление коэффициента A (A > 2 для многих промышленных фотоэлементов) связано с усилением рекомбинации в зоне перехода. Это приводит также к изменению V_oc и _o, поэтому максимум выходной мощности реализуется только при А = 1.

10. Добавочное сопротивление (потери около 0,3 %). В солнечных элементах носители заряда из всего объема материала диффундируют к контактам выходных проводников. С тыльной стороны контакт может закрывать всю поверхность элемента, и вклад поверхности в сопротивление будет небольшим. Но лицевая поверхность элемента должна быть максимально освещена солнцем, поэтому площадь, занятая контактами, должна быть сведена к минимуму. Это приводит к увеличению длин пробега носителей и появлению добавочного сопротивления. В настоящее время достигнуты значительные успехи в изготовлении и оптимальном размещении на поверхности этих контактов. Добавочное сопротивление лицевой поверхности снижено до 0,1 Ом в элементах, сопротивление которых составляет 20 Ом при максимальной мощности.

11. Шунтирующее сопротивление (потери небольшие, око­ло 0,1 %)

Появление шунтирующего сопротивления является следствием дефектов струткруы в объеме и на поверхности солнечного элемента. Современная технология позволяет избежать появления этих дефектов и сделать их воздействие незначительным, так что для монокристаллического кремниевого элемента шунтирующим сопротивлением можно пренебречь.

12. Из табл. 3.1. следует, что в кремниевых солнечных батареях полезная мощность составляет примерно 10% (с учетом всех потерь). Кроме того, в той же таблице (справа) приводятся данные о предполагаемых усовершенствованиях, которые позволят увеличить эффективность монокристаллических кремниевых фотоэлементов до 20–22 %

Однако большинство исследователей считает, что максимальный КПД кремниевых солнечных элементов может достигнуть 23…25 %, а элементы на гетеропереходах или ступенчатых переходах – 30 %. При условии, если установка использует системы с концентрацией излучения или другими приспособлениями – до 40 %. К тому же следует заметить, что спектр приходящего солнечного излучения устанавливает абсолютные ограничения эффективности. Для кремниевых солнечных элементов максимальный КПД может составлять около 47 %.