Текст книги "Солнечные элементы"

Автор книги: Марк Колтун

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 12 страниц)

1 – ZnS + каучук + стекло с 2 % CeO₂ (l = 1,0 мм); 2 – пластина плавленого кварца (l = 1,0 мм) над поверхностью непросветленного Si; 3 – ZnS + кремнийорганический слой (l = 30 мкм); 4 – SiO (d=0,15 мкм)

Еще одним преимуществом солнечных элементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, является их стойкость к резкому термоциклированию в вакууме. Удаление контактного слоя с большей части тыльной поверхности, крепление секций на гибкой и эластичной подложке вместо жесткой металлической позволили в значительной мере снять внутренние напряжения на границах контактирующих сред.

Как показали дополнительные исследования, термоциклирование, происходящее при заходе в тень Земли и выходе из нее, выдерживается солнечными элементами, прозрачными в инфракрасной области солнечного спектра, без какого-либо уменьшения отдаваемой ими электрической мощности.

Для проверки результатов лабораторных испытаний трехслойных покрытий на спутниках, неоднократно пересекающих во время полета радиационные пояса Земли, таких, как «Электрон» и «Молния-1», были поставлены эксперименты по исследованию влияния длительного ультрафиолетового и радиационного облучения на прозрачность оптических покрытий для кремниевых солнечных элементов. Например, один из экспериментов состоял в измерении во времени тока короткого замыкания и тока нагрузки расположенных рядом, постоянно ориентированных на Солнце экспериментальных модулей, в одном из которых на каждый солнечный элемент было нанесено трехслойное покрытие, а над другим была закреплена пластина из плавленого кварца с помощью металлической обоймы (без кремнийорганического клея между стеклом и непросветленными солнечными элементами). Полученные экспериментальные данные представлены на рис. 5.6. Отсутствие сколько-нибудь заметного различия в ходе кривых 1 и 2 за более чем семимесячный период пребывания модуля на орбите показывает, что оптические характеристики и прозрачность всех трех слоев разработанного покрытия, сочетающего просветление поверхности и улучшение теплового баланса солнечных элементов с защитой их от воздействия радиации, практически не изменяются при длительной эксплуатации в радиационных поясах Земли.

Из рис. 5.6, на котором приведено также изменение в тех же условиях тока нагрузки модулей, снабженных тонкими двуслойными и однослойными покрытиями (кривые 3, 4), видно, что даже сравнительно небольшое возрастание плотности защиты позволяет значительно увеличить стойкость солнечных элементов к повреждающему воздействию радиации.

Наземные фотогенераторы в герметизирующих оболочках, использующие однократный или концентрированный поток солнечного излучения

Первоначально считалось, что создание наземных фотогенераторов из различных полупроводниковых солнечных элементов не встретит заметных научно-технических или инженерных трудностей, поскольку для этого типа устройств условия работы значительно легче, а возможности ремонта несоизмеримо больше, чем для космических солнечных батарей. Однако достаточно быстро выяснилось, что отрицательное воздействие, например, влаги воздуха на параметры солнечных элементов оказывается зачастую гораздо более сильным, чем влияние термоциклирования на околоземных орбитах. Это обстоятельство выдвинуло проблему герметизации наземных солнечных элементов в одну из наиболее актуальных. При этом оказалось, что экранировать от неблагоприятного воздействия различных климатических факторов необходимо не только фотогенерирующую часть этих устройств, но и многие вспомогательные узлы установок, такие, как дополнительные отражатели или концентраторы солнечного излучения.

В настоящее время КПД большинства наземных солнечных фотогенераторов из кремниевых солнечных элементов составляет 12–13 %, и это означает, что при плотности падающего на элементы потока солнечного излучения 800 Вт/м², характерной для средней полосы СССР в ясные летние дни, каждый квадратный метр фотогенерирующей части подобных устройств может обеспечить получение около 100 Вт электрической мощности. Сейчас испытываются самые разнообразные конструкции наземных фотогенераторов. Различаются они главным образом по способу герметизации солнечных элементов и по оптической схеме используемого концентратора солнечных лучей, если, конечно, в установке предусмотрено применение многократных потоков излучения, что позволяет резко уменьшить стоимость получаемой электроэнергии, ибо концентрирующее устройство, как правило, в десятки и сотни раз дешевле непосредственно самих солнечных элементов.

Покрытия наземных фотогенераторов защищают в отличие от космических батарей не отдельные солнечные элементы, а целые модули. Покрытия солнечных элементов на земле герметически плотно соединены с поверхностью элементов и предотвращают попадание на них влаги.

В наиболее простом случае изоляцию, предохраняющую элементы от воздействия внешней среды, создают с помощью оптически прозрачного герметизирующего соединения или заключения в оболочку, которая защищает и межэлементные контакты. В более прочных конструкциях применяют сравнительно сложный и дорогостоящий способ герметизации, при котором межэлементные контакты заключают в оболочку из более жесткого пластика или стеклянного покрытия сразу поверх мягкого материала.

Рис. 5.7. Стеклянные и полимерные защитные покрытия плоских модулей наземных фотогенераторов

а – круглые и прямоугольные солнечные элементы 1 приклеены каучуком 2 к внешней стеклянной пластине 3; модуль изолирован по торцам металлической оболочкой 4 и резиновым уплотнителем 5, соединяющим внешнюю пластину 3 с тыльной пластиной 6 из металла или пластика; б – в конструкции а солнечные элементы 1 залиты слоем каучука 2, заполняющим все пространство между внешней и тыльной пластинами модуля; в – в конструкциях а и б тыльная пластина заменена на слой гибкого пластика или герметика 7, обволакивающего солнечные элементы с тыльной стороны; г – перевернутый вариант конструкции в, где обволакивающий слой 7 выполнен из светостойкого прозрачного полимера и обращен к свету; д – двусторонняя полимерная защитная конструкция (прозрачный пластик с обеих сторон), где могут быть использованы прозрачные солнечные элементы с двусторонней чувствительностью; е – солнечные элементы 1 приклеены к несущей полимерной или металлической подложке 2 и заключены в заполненную сухим инертным газом стеклянную трубку 3, используемую для люминесцентных ламп; ж – верхняя поверхность трубки 3 конструкции е плоская и солнечные элементы приклеены к ней снизу прозрачным каучуком 4; з – круглые солнечные элементы большой площади вклеены прозрачным каучуком в пустые лампы-фары, из которых собран модуль фотогенератора

При применении прочных защитных слоев поверх мягкой оболочки предполагается перевернутая конструкция модуля: соединенные друг с другом солнечные элементы вначале прикрепляются к защитным стеклам рабочей поверхностью, затем тыльная сторона солнечных элементов герметизируется и весь модуль устанавливается на любую подходящую подложку.

Тепло, передаваемое подложке элементами, можно использовать в комбинированных фототермических системах для нагрева теплоносителя – воды или воздуха.

Прозрачные покрытия, сделанные из стекла, и подложки, выполненные из металла, более влагостойки, чем подложки и покрытия из пластика. В этом случае требуется соответствующим образом герметизировать края элементов. На рис. 5.7 и 5.8 показаны различные способы решения этих задач.

Рис. 5.8. Трубчатые защитные оболочки комбинированного фототермического коллектора с солнечными элементами

1 – отражающая металлическая пленка; 2 – теплопоглощающая поверхность; 3 – трубопровод с жидким или газообразным теплоносителем; 4 – полость, заполненная прозрачной кремнийорганической жидкостью; б – вакуумированная полость; 6 – прозрачное селективное покрытие с низким значением коэффициента излучения ε; 7, 9 – прозрачные стеклянные оболочки; 8 – монокристаллические или пленочные солнечные элементы (плоские или трубчатые)

Высокую влагопроницаемость пластических материалов можно свести к минимуму, используя большое число слоев из различных материалов. Конструкция многослойного модуля позволяет обеспечить более высокую стойкость материалов защитных покрытий к истиранию и удару и снизить уровень повреждений, возникающих в солнечных элементах при внешних механических воздействиях.

Материалами для покрытий могут служить стекла и пластики. Некоторые стекла обладают лучшей по сравнению с другими материалами сопротивляемостью атмосферным воздействиям. Однако стабильность свойств в условиях отрицательных атмосферных воздействий у высококачественных пластиков выше, чем у плохих сортов стекол. В настоящее время к материалам, стойким к воздействию окружающей среды, относятся пластики, изготовленные на основе фторсополимеров и кремнийорганических смол.

Полиэтилентерефталат и поликарбонат имеют среднюю, а полиэтилен, поливинилхлорид, целлюлоза, полистирол, натуральный каучук и нейлон – низкую устойчивость к атмосферным воздействиям. Большинство материалов можно модифицировать, добавляя в них антиозонаты, стабилизаторы для повышения стойкости к ультрафиолетовому излучению и другие добавки, которые могут повысить стойкость материалов к атмосферным воздействиям. Наиболее часто для изготовления защитных покрытий применяют фторсодержащие пленки, кремнийорганические лаки и каучуки, а также акрилаты, несмотря на относительно высокую стоимость этих полимерных материалов, и материалы из различных сортов органического стекла, в целом довольно устойчивые к атмосферным воздействиям, но заметно темнеющие под действием ультрафиолета Солнца. Накопление пыли и грязи на поверхности твердых материалов обычно невелико, и поэтому подобное воздействие мало влияет на светопропускание покрытий. Мягкие же материалы, например кремнийорганические каучуки различных марок, накапливают грязь в больших количествах, в результате чего потери по светопропусканию составляют от 20 до 60 % и их лучше использовать в качестве промежуточных соединительных слоев.

В наиболее эффективно действующих наземных установках мягкие материалы защищены более твердыми. Таким образом обеспечивается надежная и долговечная комбинированная система защитных покрытий, герметизирующая элементы,

Правильный выбор концентрирующей системы столь же благотворно сказывается на экономичности и эффективности работы наземного фотогенератора, как и создание прозрачных и светостойких оптических покрытий и герметизирующих оболочек.

Солнечный свет можно концентрировать, используя эффекты преломления и отражения. Преломление происходит в линзах, а отражение – в зеркалах. Линзы могут быть плосковыпуклые и двояковыпуклые. В последнее время широко используются плоские линзы Френеля (рис. 5.9). Поверхность линз бывает сферической и несферической. Несколько практических схем для собирания света при отражении показано на рис. 5.10.

Рис. 5.9. Преломляющие собиратели света

а – обычные оптические линзы со сферической или несферической поверхностями; б – плоские линзы Френеля со сферической или несферической поверхностями

Pис. 5.10. Отражающие собиратели света

а – параболическое зеркало, отражающее свет к оси в прямом направлении; б – в противоположном направлении; в, с – зеркала в форме профиля морской волны; г – плоские зеркала, расположенные под углом друг к другу; д – параболические зеркала Френеля

При преломляющем и отражающем способах собирания света можно использовать действительные или мнимые изображения. Элементы, проектирующие действительное изображение, уменьшают проекцию Солнца на плоскость изображения (фокальную плоскость) в соответствии с законами геометрической оптики. Концентраторы света, использующие мнимое изображение, просто сводят солнечные лучи, не создавая при этом изображения Солнца.

Отражающие и преломляющие компоненты устройств могут быть точечно-фокусирующие и линей-но-фокусирующие, независимо от того, действуют они по оптической схеме с мнимым или действительным изображением. Точечно-фокусирующие концентраторы называют также аксиальными, коаксиальными или трехмерными концентраторами. Линейно-фокусирующие концентраторы делятся на желобочные, линейные двумерные.

Точечно-фокусирующие концентраторы могут быть полностью осесимметричного (кругового) или многоугольного типов. Четырехсторонний тип концентратора часто используют в устройствах, состоящих из нескольких линз Френеля или зеркал квадратной или прямоугольной формы.

Концентраторы можно классифицировать также по числу применяемых ступеней собирания. На рис. 5.11 показаны два концентратора, имеющих две ступени собирания. В одной, известной также как система Кассегрена (названа по системе телескопа аналогичной конструкции), для собирания света используются два зеркала. Третий отражатель, не рассматриваемый как самостоятельная ступень собирания, служит для отведения в сторону размытых пучков, образующихся при отражении от несовершенной части оптической поверхности, например, образовавшихся при неточной установке оптической оси системы в направлении на Солнце. В других двухступенчатых системах используются для отражения одна внешняя и одна внутренняя поверхности. Внутреннее отражение, известное также как полное отражение, происходит, когда луч света пытается выйти из среды с высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, причем угол падения света иа границу двух сред достаточно большой.

Рис. 5.11. Двухступенчатые концентраторы типа Кассегрена (а) и Баранова – Уинстона (б)

1 – солнечные лучи;

2 – зеркало для сбора первичного пучка света;

3 – зеркало, отражающее вторичный пучок света;

4 – вторая ступень концентрации света (а – зеркало, б – волоконно-оптический элемент из стекла или пластика);

5 – солнечный элемент

В концентраторах солнечного света, в которых используется принцип преобразования длин волн, поступающая энергия внутри достаточно широкой полосы спектра Солнца преобразуется в энергию излучения узкого интервала длин волн, соответствующего наиболее высокой спектральной чувствительности солнечного элемента. Этот интервал длин волн, как правило, расположен вблизи красной границы фотоэффекта для данного полупроводникового материала, определяемой шириной его запрещенной зоны.

Преобразование длины волны излучения, падающего на батарею или элементы, может быть обеспечено, например, с помощью селективных излучателей или пленочного люминофора. Поверхность селективных излучателей покрывается материалом, способным испускать излучение в узком диапазоне длин волн, причем нагрев излучателя осуществляется с помощью концентратора солнечного света; диапазон длин волн, испускаемых селективным излучателем, как правило, выбирается вблизи энергии запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен солнечный элемент.

Активно исследуются фотолюминесцентные солнечные концентраторы, называемые также плоскопараллельными или плоскими концентраторами.

Солнечный свет, который падает на плоскую пластину, покрытую слоем люминофора, поглощается им. В процессе поглощения света падающие фотоны возбуждают молекулы люминофора (в этом качестве могут быть использованы и многие органические красители). При этом возникает новое излучение, но уже с другой длиной волны, характерной для данного люминофора. Переизлученная энергия остается внутри плоской пластины благодаря внутреннему отражению и после многократного отражения от плоских отражающих стенок попадает на солнечные элементы, установленные по периметру плоского прямоугольного концентратора.

Исследование процессов деградации параметров солнечных элементов и методы их стабилизации

Исходные характеристики солнечных элементов могут, к сожалению, заметно ухудшаться в процессе эксплуатации.

Повышение температуры приводит, как правило, к росту фототока и падению ЭДС, выходной мощности и КПД солнечных элементов, причем градиент падения мощности зависит от природы полупроводникового материала – для широкозонных материалов он мал, для узкозонных велик. У кремниевых солнечных элементов с повышением температуры на 100^o C мощность, генерируемая ими, падает на 45 %, а у солнечных элементов на основе арсенида галлия – на 25 % (напомним, что ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,02 эВ, арсенида галлия – 1,43 эВ).

Увеличение плотности падающего потока излучения в несколько раз может также привести к резкому уменьшению выходной мощности солнечных элементов, если последовательное сопротивление элементов сравнительно велико – около 1 Ом×см². Последовательное сопротивление обычных солнечных элементов составляет 0,5–0,6 Ом см², и их можно применять (без ухудшения электрических характеристик) в условиях 5—7-кратного увеличения плотности потока солнечного излучения, характерного для наземных условий средней полосы СССР (обычно 400–800 Вт/м²).

Различные способы уменьшения последовательного сопротивления, например путем создания частой контактной сетки на лицевой поверхности элементов с оптимизированными размерами полос, позволяют не только снизить его, но и более эффективно использовать возрастание плотности потока солнечного излучения, создаваемое чаще всего с помощью концентраторов света разнообразных конструкций. В ряде работ было показано, что значительное увеличение плотности падающего на солнечные элементы потока излучения приводит к росту КПД за счет возникновения полезных тянущих электрических полей в объеме полупроводника (если, конечно, при этом не происходит падения мощности из-за рассеяния тока при прохождении через элементы вследствие их значительного последовательного сопротивления). Экспериментальные исследования подтвердили этот вывод. При снижении последовательного сопротивления солнечных элементов до 0,1 Ом×см² максимальный КПД преобразования ими солнечной энергии наблюдался при 40—50-кратных потоках солнечного излучения. При снижении последовательного сопротивления до 0,01 и менее удается эффективно преобразовывать в электроэнергию потоки излучения, превышающие однократные солнечные в 500–700 раз.

Следует указать, что отмеченные выше зависимости выходной мощности солнечных элементов от интенсивности падающего света и температуры носят полностью обратимый характер (если, конечно, в процессе работы не произошло значительного перегрева элементов – до температур, превышающих предел работоспособности контактных слоев или покрытий, что обычно составляет 150–200^o С).

При эксплуатации как в космосе, так и на Земле солнечные элементы и полупроводниковые материалы, из которых они сделаны, подстерегает также опасность необратимых изменений. Особенно большое снижение выходной мощности солнечных элементов и батарей наблюдается при воздействии корпускулярного облучения – протонами и электронами радиационных поясов Земли, а также при многократном термоциклировании всей конструкции солнечных батарей при заходе в тень Земли и при выходе из нее. Значительные температурные напряжения, возникающие внутри солнечных элементов при термоциклировании из-за разницы в коэффициентах теплового расширения различных полупроводниковых слоев, образующих гетеропереходы, или контактных, просветляющих, защитных и полупроводниковых слоев (в случае как гомо-, так и гетеропереходов), приводят к механическому разрушению солнечных элементов, если величина этих напряжений превышает прочность отдельных слоев элементов или величину сил, удерживающих эти слои вместе.

Значительный опыт накоплен разработчиками разных стран в создании солнечных элементов и батарей, способных успешно противостоять отрицательному воздействию радиации и термоциклировании. В настоящее время удается изготавливать солнечные батареи таких конструкций, которые способны работать в условиях космоса и на Земле десятки лет без значительного снижения мощности.

Решить эту сложную проблему помогло создателям солнечных элементов понимание сложных и тонких физических процессов, происходящих в полупроводниковых материалах и на их границе с другими слоями, входящими в состав солнечных элементов, при деградации их параметров под влиянием различных видов внешнего воздействия. Исследование этих процессов проводится в современных лабораториях с привлечением самых разных способов анализа структуры, состава, примесей и дефектов в материалах: электронной и оптической растровой микроскопии, вторично-ионной спектроскопии, Оже-спектроскопии, масс-спектрометрии, рентгеновского микроанализа, фото-, катодо– и электролюминесценции, емкостной спектроскопии глубоких уровней, инфракрасной спектроскопии и других.

Еще два вида воздействий, приводящих к необратимой деградации солнечных элементов, привлекли внимание исследователей в последние годы. Один из них вызывает деградацию, которая условно может быть названа химико-термической, второй – фотонную.

Химико-термическая деградация возникает, например, из-за влияния остаточной атмосферы космического корабля и выхлопных газов двигателей на параметры солнечных элементов. Не менее опасна для солнечных элементов наземных фотогенераторов и их оптических покрытий загрязненная газообразными щелочными и кислотными отходами атмосфера больших городов. Необычные химические реакции с участием свободных радикалов, происходящие при повышенной температуре на торцевых и свободных от покрытий поверхностях солнечных элементов, вызывают закорачивание электронно-дырочных переходов, коррозию контактов, потемнение покрытий.

Влияние фотонной деградации было не сразу обнаружено, поскольку его довольно трудно отделить от воздействия корпускулярной радиации и химико-термической деградации.

Длительное время считалось, что повреждающее воздействие самого солнечного излучения на солнечные элементы может выразиться лишь в потемнении оптических покрытий. Разработка светостойких многослойных покрытий, в которых верхний слой – стеклопленка с добавлением двуокиси церия – поглощает все ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0?36 мкм, позволила добиться уменьшения деградации элементов, вызываемой ухудшением оптических свойств покрытий, до весьма малых значений (0,5–2,5 %) даже в условиях непрерывной работы на борту космических аппаратов в течение нескольких лет.

В связи с этим для многих исследователей было неожиданностью обнаруженное явление ухудшения свойств самих элементов непосредственно под действием оптической части солнечного излучения. В ходе первых опытов, когда изучалось совместное воздействие солнечного света, корпускулярного облучения и температуры, выяснились некоторые важные особенности одновременного влияния нескольких повреждающих факторов на свойства полупроводниковых материалов и солнечных элементов. Такие опыты достаточно полно отражают реальные условия эксплуатации солнечных элементов как в космических, так и в наземных условиях.

Было показано, что солнечные элементы с низким содержанием кислорода в исходных пластинах кремния, полученного методом бестигельной зонной плавки, обладают высокой степенью фотонной деградации – снижение тока, вызванное интенсивным освещением этих элементов, может составлять 10–12 %. На основании результатов экспериментов, проведенных без освещения, подобные солнечные элементы считались более радиационно стойкими по сравнению с элементами на основе выращенного методом Чохральского кремния с относительно высоким содержанием кислорода. Возможно, что причина ухудшения свойств солнечных элементов из кристаллов бескислородного кремния связана с большой плотностью дислокаций в них. Интенсивное освещение приводит к освобождению и активации захваченных дислокациями точечных дефектов, в состав которых входит атом бора. Было установлено, что дополнительное введение кислорода и углерода оказывает стабилизирующее действие на поведение солнечных элементов при освещении, особенно если общее содержание атомов углерода и кислорода в кремнии превышает 10¹⁷ см^-3.

В процессе фотонной деградации при внеатмосферной плотности потока падающего солнечного излучения насыщение наступает, как правило, после освещения в течение 20–40 ч при температуре, близкой к комнатной, а при повышении температуры элементов до 50–60^o C и через более короткое время.

При освещении солнечного элемента или приложении к нему высокого напряжения смещения в прямом направлении для элементов п⁺– р-типа (верхний освещаемый n-слой получен диффузией фосфора) наблюдается уменьшение выходной мощности и заметное снижение длинноволновой чувствительности, а для элементов p-n-типа характерно (при наличии в спектре падающего света излучения с длиной волны 0,35– 0,45 мкм) обратное явление – увеличение выходной мощности и спектральной чувствительности в коротковолновой области. Ухудшение собирания носителей из базового слоя солнечных элементов п-p-типа обусловлено наличием рекомбинационного уровня, расположенного на 0,37 эВ ниже зоны проводимости. Обычно этот уровень электрически нейтрален, но при большой световой или электрической инжекции носителей заряда в материал становится активным. Возникновение этого рекомбинационного уровня связано с появлением в кремнии комплекса дефекта решетки с атомом серебра или, возможно, кластерных образований (ряда нарушенных атомов). Предотвращение попадания атомов серебра в базовый слой кремния, удаление механически поврежденного поверхностного слоя кремния до диффузии и проведение операции диффузии легирующей примеси при температуре 875⁰C и ниже позволяют значительно уменьшить эффект фотонной деградации. Например, для солнечных элементов, в процессе изготовления которых диффузия проходила при температуре 950^oC, фотонная деградация (в условиях облучения светом вольфрамовой галогенной лампы с плотностью потока излучения 1000 Вт/м²) составляет от 3 до 6 %, при температуре диффузии 900^o C – от 1 до 3 %, при 875⁰ C – всего 0,5 %.

Фотонную деградацию особенно необходимо учитывать при создании эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца, которые должны отличаться высокой стабильностью свойств.

Нет сомнений, что обнаруженные сравнительно недавно новые типы деградации солнечных элементов подвергнутся тщательному и всестороннему изучению, будут найдены способы их предотвращения, и солнечные элементы сохранят за собой справедливое определение одного из самых эффективных, стабильных и надежных источников электроэнергии, полезно преобразующих излучение Солнца в удобную для человека электрическую форму энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Еще много непредвиденных трудностей, возникающих в ходе создания, усовершенствования и испытаний новых типов солнечных элементов в космосе и на Земле, предстоит преодолеть разработчикам.

Выяснилось, например, что атомарный кислород, существующий в околоземном космическом пространстве, активно разрушает каптоновую полимерную пленку, на которой укрепляются солнечные батареи большинства американских космических аппаратов, а электрические разряды, возникающие вследствие значительной разности потенциалов между накапливающими поверхностный заряд диэлектрическими покрытиями верхней и тыльной сторон элементов, могут привести к выходу из строя части батарей.

Правда, пути решения этих проблем уже намечены: следует, вероятно, заменить полимерную основу несущих панелей на стеклоткань; поверхностные же заряды с диэлектрических покрытий будут удаляться, если в состав полимеров или стекла ввести компоненты, несколько увеличивающие объемную проводимость, а на их внутреннюю и внешнюю стороны предварительно нанести прозрачные проводящие слои оксидов индия, олова или их смеси, причем эти слои должны быть электрически соединены между собой и с корпусом аппарата.

Прозрачные проводящие оксиды индия и олова представляют собой широкозонные полупроводниковые соединения, весьма подходящие для создания фотоактивных оптических окон в солнечных элементах на основе гетероструктур, и их применение в новых конструкциях солнечных элементов из кремния, фосфида индия, аморфного кремния становится все более распространенным. КПД солнечных элементов на основе гетероструктуры, образованной слоем из смеси оксидов олова и индия и монокристаллом фосфида индия, уже сейчас превысил 16 %, причем эти элементы отличает высокая стойкость к радиации и сравнительная простота в изготовлении.

На научных совещаниях советских специалистов, на встрече ученых стран СЭВ в Ашхабаде в сентябре 1986 г. на 17-й и 18-й конференциях по фотоэлектрическому методу преобразования солнечной энергии в США, в статьях, опубликованных в 1985–1987 гг., показано, что в этой новой, активно развивающейся области науки и техники получены значительные теоретические и практические результаты.

Предложены, в частности, солнечные элементы со сверхрешетками, образованные тончайшими чередующимися эпитаксиальными слоями на основе арсенида галлия и твердых растворов алюминий – галлий-мышьяк, галлий – индий – мышьяк и галлий – сурьма – мышьяк. Кроме высокого КПД, предложенные элементы отличает исключительная стойкость к радиации, ибо практически полное собирание неосновных носителей заряда происходит в них, даже если диффузионная длина носителей заряда после воздействия радиации составляет всего 300–500 А.

Получены дешевые солнечные элементы из ленточного кремния и кремния, изготовленного методом литья, с диффузионным переходом и тыльным барьером, созданными путем впекания печатных паст и легирования из растворных композиций. КПД таких элементов достиг 16–17 %.

Разработаны и испытаны самые различные каскадные элементы, в том числе полученные из многослойных тонкопленочных структур на основе аморфного кремния, для которых намечено получить в 1988 г. КПД, равный 18 %.

На практике достигнут КПД 11 %, для тонкопленочных элементов из халькогенидов меди и кадмия. Подобные элементы изготавливаются на основе тонкопленочной структуры CdZnS-GuInSe₂, что позволяет использовать для эффективного собирания носителей заряда переменную по глубине ширину запрещенной зоны в первом из этих материалов.

Наиболее интересными результатами научных разработок последних лет несомненно являются новые конструкции солнечных элементов из монокристаллического кремния, ветерана солнечной фотоэнергетики. КПД кремниевых элементов новой конструкции (при измерении в условиях наземного солнечного спектра AM1,5 с плотностью однократного потока 1000 Вт/м² и при высоких степенях концентрации солнечного потока вплоть до 500) превысил в эксперименте 19 %, а для одной из этих конструкций достиг 22,4 %!