3.7. Особенности конструкций солнечных элементов и их типы

Самыми распространенными из выпускаемых промышленных солнечных элементов являются плоские пластинчатые кремниевые элементы. Кроме этого существуют разнообразные и многочисленные типы и конструкции, которые разрабатываются для повышения эффективности и уменьшения стоимости солнечных элементов. В этом параграфе кратко приведены сведения о различных солнечных элементах, которые проиллюстрированы в табл. 3.2.

Гомопереходы Они возникают, если в одном и том же кристалле полупроводника формируется контакт двух областей с разными типами проводимости или различными концентрациями примеси. Упоминавшиеся ранее кремниевые фотоэлементы содержат гомопереходы. В таких солнечных элементах ширина запрещенной зоны постоянна (рис. 3.21, а).

Рис.3.21.Типы переходов, используемых в солнечных элементах: гомопереход(а) – основной материал и ширина запрещенной зоны постоянны;гетеропереход(б) – основной материал и ширина запрещенной зоны меняются; структура Шоттки металл–полупроводник (МП), например,Au/Si(в), показана сn/n⁺ добавочным потенциальным барьером; имеющий важное значение противоотражательный слой не показан; структура Шоттки металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) (г)

Гетеропереходы. В этом случае переход возникает при контакте двух различных по химическому составу полупроводников, поэтому на границе раздела меняется ширина запрещенной зоны (рис. 3.20, б). В гетеропереходах происходит генерация носителей при поглощении фотонов сразу на двух частотах. При этом увеличивается доля фотонов, участвующих в генерации фототока, и уменьшаются потери, связанные с избытком энергии фотонов (h-E_g). Обычно полупроводники с более широкой запрещенной зоной располагаются на лицевой поверхности фотоэлемента, а с более узкой – под ними.

Но для образования гетероперехода необходимо согласование постоянных кристаллических решеток материалов, ориентации осей и типа решетки. Примерами фотоэлементов с гетеропереходами является Ga_1-xAl_xAs на GaAs (КПД около 12%) и SnО₂ на кремнии n-типа, где КПД около 10 % (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Параметры некоторых материалов для солнечных элементов при условиях АМ1 и температуре Т, близкой к температуре

окружающей среды

Оосновной материал	Ширина запрещенной зоны Еg, эB	Характер межзонных переходов: прямые (П)+ или непрямые (Н)	Тип перехода или структура	Voc, B	Isc, A м^-2	Реальная эффективность % на 1990 г.	Планируемая эффективность, %
Кремний, Si	1,1	Н		0,55	340	14	20
Арсенид гaллия, GaAs	1,4	П	P/n	0,9	–	15	22
Ga1-xAlxAs (0<x<0,34)	1,4-1,9	П	Гетеропереход на основе GaAs	0,95	–	16	25
Ga1-xAlxAs (0,34<x<1)	1,9-2,2	Н	То же	0,95	–	16	25
Сульфид кадмия, CdS	2,4	–	Сложная тонко-пленоч-ная структура	0,5	–	10	15

Большинство авторов научных работ предлагают создавать элементы с монотонно уменьшающейся шириной запрещенной зоны – так называемые фотоэлементы со ступенчатой запрещенной зоной. Производство таких фотоэлементов достаточно сложно и трудоемко, но в принципе возможно.

Необходимо дать еще одно пояснение к табл. 3.2, где указаны типы переходов электронов через запрещенную зону. Рассмотрим зависимость энергии носителей Е от их квазиимпульса k (рис. 3.22) Если в процессе собственного поглощения света квазиимпульс электрона меняется несущественно при переходе из валентной зоны в зону проводимости, то такие переходы называются прямыми (переходы возможны при условии h = E_g).

В случае, когда дно зоны проводимости и потолок валентной зоны соответствует различным квазиимпульсам (рис. 3.22), переход также оказывается возможным, если электрон, поглощая фотон, одновременно поглощает или испускает фонон. Это непрямые переходы. Условие перехода можно записать в виде

hh = E_g , (3.28)

где h – энергия фонона.

Рис. 3.22. Зоны Бриллюэна, диаграммы: энергия носителей – квазиимпульс; прямые переходы через запрещенную зону, например, в GaAs (a);непрямые переходы, например, вSi(б)]; Е_е– энергия электронов; E_h– энергия дырок; h– энергия фононов (– частота фонона)

Необходимость испускания или поглощения фонона делает непрямые переходы значительно менее вероятными, чем прямые, поэтому коэффициент поглощения света, обусловленный непрямыми переходами, намного меньше. Так, например, для кремния (переходы через запрещенную зону – непрямые) показатель поглощения ниже, чем для арсенида галлия (прямые межзонные переходы), в связи с этим кремниевые элементы приходится изготавливать большей толщины.

При контакте металла и полупроводника (МП) образуется p-n–переход (рис. 3.21, в). Преимуществом такой схемы является простота конструкции, так как металл может быть осажден в виде тонкой пленки на основной материал. Недостатки этой схемы заключаются в том, что от металлической поверхности выше отражение и, следовательно, больше потери на входе; кроме того, высоки рекомбинационные потери в зоне перехода.

В процессе изготовления очень трудно избежать появления тонкого изолирующего слоя окисла между металлом и полупроводником. Этот изолирующий слой способствует подавлению поверхностной рекомбинации, поэтому, контролируя его толщину, можно получить фотоэлементы с лучшими характеристиками (металл-оксид-полу­про­водник – МОП) или металл-диэлектрик-полупроводник – МДП) (рис. 3.21, г)

Для изготовления фотоэлементов не обязательно использование монокристаллов. Если использовать поликристаллические материалы, можно значительно снизить стоимость производства элементов. Для изготовления фотоэлементов можно использовать также и аморфные материалы. Структура этих материалов имеет ближний порядок. Аморфным может быть и кремний. Он может иметь требуемую электропроводность. Однако аморфные свойства материала приводят к появлению большого числа ненасыщенных «свободных» химических связей, которые действуют как неконтролируемые ловушки для электронов и дырок. Для уменьшения числа ненасыщенных химических связей в материал вводят большое количество водорода. Это позволило повысить эффективность фотоэлементов до 10% при незначительной цене (по сравнению с монокристаллическими) [24].

В последние годы стали проводиться интенсивные исследования органических материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Сравнительная дешевизна органических материалов делает развитие этого направления весьма перспективным. К настоящему времени у таких фотоэлементов достигнут КПД в 1…2 %, однако имеются все основания ожидать в самое ближайшее время повышения его до 10 %.

Существуют и другие идеи для повышения КПД фотоэлементов, но они находятся пока на стадии научных исследований.