3.8. Краткая характеристика материалов для солнечных элементов. Внутренняя структура солнечных элементов
В табл. 3.2 перечислены основные физические характеристики некоторых материалов, используемых для производства солнечных фотоэлементов. Как видно из табл. 3.2, используют в основном кремний, арсенид галлия (GaAs) и сульфид кадмия (CdS). Безусловно, наибольшее промышленное применение имеет монокристаллический кремний.
Рассмотрим кратко еще два материала, которые используются для изготовления фотоэлементов.
Арсенид галлия (GaAs) – это полупроводниковый материал, имеющий запрещенную зону шириной Eg = 1,43 эВ. Такая ширина запрещенной зоны близка к оптимальной (1,5 эВ) для солнечного элемента в условиях освещенности АМ1. Гетеропереходы с Ga1-xAlxAs имеют промышленное значение. Теоретически эффективность фотоэлементов на основе GaAs может достичь почти 25%, реальные устройства имеют КПД около 16 %. Относительно высокий показатель поглощения требует тщательного контроля глубины слоев, кроме того, может быть высокой скорость поверхностной рекомбинации.
Сульфид кадмия (CdS) часто используется для изготовления фотоэлементов. Обычно такие фотоэлементы производятся вакуумным напылением тонких пленок или химическим осаждением. Нижний слой CdS делается р-типа, а слой n-типа из СuxS формируется в процессе химического травления. Граница между n- и p-слоями представляет собой гетеропереход, который, к сожалению, легко разрушается вследствие диффузии ионов меди в CdS и различных химических изменений в процессе изготовления.
Наиболее часто используются следующие типы структур фотоэлементов.
1. Составные элементы. Эти элементы представляют собой совокупность p-n-переходов с последовательно уменьшающейся шириной запрещенной зоны, соединенных так, что свет приходит к материалу с наибольшей шириной запрещенной зоны. Фотоны с энергиями, меньше ширины первой запрещенной зоны (h<Eg1), проходят до следующего p-n–перехода и т.д.
2. Вертикальные многопереходные элементы (ВМЭ). Эти элементы изготавливаются двух типов:
а) в виде последовательного соединения. В этом случае в столбик последовательно соединяются до 100 одинаковых p-n–переходов (рис. 3.23, а). Свет проникает через боковые поверхности переходов, так что разность потенциалов на выходе (около 50 В) представляет собой сумму последовательных потенциалов p-n-переходов. Ток определяется только поглощенным боковой поверхностью радиационным потоком, поэтому он является небольшим.
б) возможно параллельное соединение p-n–переходов. В этом случае фотоэлемент обычно изготавливается в виде решетки, так, чтобы фотоны более эффективно поглощались в зонах переходов (рис. 3.23, б).
а) б)
Рис. 3.23. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение вертикальных многопереходных элементов (ВМЭ): 1 – металлические контакты; 2 – металлический контакт с р-областью; 3 – металлический контакт с п-областью
Одной из возможных разновидностей фотоэлементов является тонкополосные элементы. Традиционные кремниевые фотоэлементы в качестве существенного недостатка имеет значительную стоимость, так как материал перед этим выращивается в виде монокристалла, а затем вырезается толщиной 100…300 мкм и обрабатывается химически. Поэтому представляется весьма перспективной конструкция из напыленных при испарении или распыленных слоев. Сам кремний имеет высокую температуру кипения (2620 0С) и в парообразном состоянии химически очень активен и поэтому сложен в обращении.
Тем не менее возможно напыление аморфных соединений кремния в электрическом разряде в газообразном силане SiH4. Существуют и другие методы вакуумного напыления кремния.
Однако наиболее распространенными тонкопленочным фотоэлементом является элемент на основе сульфида кадмия (CdS).
Но во многих случаях материал имеет аморфную структуру, и поэтому получить достаточно высокий КПД удается с трудом. Очевидно, в ближайшем будущем окажется возможным изготовление таких фотоэлементов.
Важной особенностью хорошего фотоэлемента является его поверхность. С целью увеличения КПД применяют отражающие и текстурированные поверхности. Лицевая поверхность таких солнечных элементов может быть сконструирована таким образом, чтобы отраженное от поверхности излучение возвращалось к ней обратно (рис. 3.18). Некоторые системы могут быть изготовлены механически, другие – текстурированы химическим травлением.