Текст книги "Солнечные элементы"

Автор книги: Марк Колтун

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 12 страниц)

Конструкции кремниевых солнечных элементов с высоким КПД

1 – контакты к областям кремния n-типа; 2 – контакты к областям кремния р-типа; 3 – изолирующий слой оксида алюминия; 4 – одно– или двуслойное просветляющее покрытие

На рисунке показаны три из разработанных недавно конструкций солнечных элементов на основе монокристаллического кремния.

Конструкция а получила название солнечного элемента с точечными контактами на тыльной поверхности. В качестве базовой пластины толщиной 75—100 мкм выбран достаточно высокоомный кремний, выращенный методом бестигельной зонной плавки, с удельным сопротивлением 200 Ом×см и высоким временем жизни носителей заряда – около 1 мс. На обращенной к свету поверхности в таком элементе нет привычного для пас диффузного p-n-перехода. Эта поверхность, которая может быть полированной или текстурированной, покрыта пассивирующей пленкой оксида кремния толщиной 1100 А, резко уменьшающей скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда. На тыльной поверхности расположены маленькие (размером 10 × 10 мкм) сильнолегированные области п- и р-типа, причем расстояние между ними составляет всего 30 мкм. Общее число легированных микрообластей на тыльной поверхности элемента размером 0,8×0,8 см² составляет 73441! К каждой из областей создан практически точечный контакт площадью 5×5 мкм из алюминия (переходная область между сильнолегированным кремнием и алюминием состоит из сплава палладий – кремний). Алюминиевые контакты к п- и p-областям изолированы друг от друга диэлектрическим слоем оксида алюминия, а токосъемные шинки, расположенные на тыльной поверхности, напоминают две гребенки, входящие друг в друга с небольшим зазором. Именно для этой конструкции солнечного элемента получен при 150-кратной концентрации солнечного излучения КПД 22,4 %, и ожидается, что при 500-кратной концентрации оп достигнет 27–28 %.

Для конструкции элементов с точечными контактами характерны высокие значения напряжения холостого хода t7_xx, составляющие 0,81 В при степени концентрации солнечного излучения, равной 150. Причиной столь высоких для кремния значений U_x.x является весьма низкий уровень рекомбинационных потерь всех видов: объемная рекомбинация уменьшена за счет использования тонкой базовой пластины с высоким временем жизни носителей заряда, поверхностная рекомбинация – благодаря пассивирующей оксидной пленке как на верхней, так и на тыльной поверхностях, рекомбинация на контактах снижена путем резкого уменьшения площади, занимаемой контактами. При этом токи, генерируемые солнечными элементами данного типа, тоже достаточно большие, чему способствует отсутствие затенения верхней поверхности контактными полосами и полное улавливание света в этой структуре (алюминиевые слои поверх пассивирующих слоев на тыльной поверхности служат хорошими отражателями света, позволяющими добиться многократного его прохождения между верхней текстурированной и тыльной зеркальной поверхностями).

Конструкция б (см. рисунок) получила название структуры металл – диэлектрик – полупроводник с p-n-переходом. В ней используется, как правило, низкоомный базовый слой с удельным сопротивлением 0.1–0,2 Ом ×см, но выращенный методом бестигельной зонной плавки и характеризующийся высоким структурным совершенством, благодаря чему диффузионная длина неосновных носителей заряда составляет довольно большую величину – около 200 мкм. Тончайшая пассивирующая пленка, расположенная как на открытой для света части верхней поверхности элемента конструкции б, так и под контактами на той же поверхности, где ее толщина составляет менее 30 А, значительно уменьшает рекомбинацию на поверхности и в приконтактных областях, поскольку перенос носителей заряда происходит за счет туннелирования электронов из таких металлов, как Ti, Al, Mg, имеющих меньшую работу выхода, чем у кремния.

Эти же особенности – высокие значения U_xx и низкий уровень рекомбинационных потерь характерны и для конструкции в, получившей название солнечного элемента с пассивированной эмиттерной областью. Пассивирующая пленка в этой конструкции также весьма тонка, и тем не менее с ее помощью предотвращается рекомбинация на поверхности и под контактами, которые в этой конструкции занимают весьма’ небольшую площадь освещаемой поверхности. В то же время малая толщина пленки SiO₂ не мешает снизить потери на отражение света с помощью эффективного просветления покрытиями TiO₂ и SiO₂ или ZnS и MgF _г. Расчет, выполненный для таких структур, показал, что двуслойное покрытие из пленки TiO₂ толщиной 475 А и пленки SiO₂ толщиной 986 А (нанесенное поверх пассивирующей пленки SiO₂ толщиной 60—100 А) позволяет увеличить ток короткого замыкания солнечных элементов на 50,4 %. Для контактов в конструкциях бив используются Ti, Pd, Ag.

Среди усовершенствований, внесенных в ходе исследований последних лет в конструкцию и технологию солнечных элементов, следует отметить и создание с помощью сканирующего по поверхности лазерного луча «бархатных» микрорельефов и различного типа микрогравировок поверхности, а также получение прочно соединенных с полупроводником металлических контактных слоев, образованных лазерным разложением многокомпонентных печатных паст, предварительно нанесенных на верхнюю и тыльную поверхности полупроводника.

У солнечной энергетики светлое будущее. Несомненно, что этот метод преобразования солнечной энергии станет занимать в жизни человечества все более заметное место.

На выставке научно-технических достижений стран СЭВ в области солнечной энергетики, организованной одновременно с конференцией и встречей специалистов в сентябре 1986 г. в Ашхабаде, наши коллеги из Туркмении продемонстрировали успешную работу походного солнечного электролизера. Ток, вырабатываемый портативной солнечной батареей, выделял из воды, залитой в установку из бегущего с гор ручья, газообразный водород, и в стоящей рядом газовой плите весело загорался голубой язычок пламени! Солнечная и водородная энергетики – экологически чистые, удобные, бесшумные, неисчерпаемые – работали вместе так же слажено, как они будут трудиться на благо человечества во все больших масштабах в XXI в.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Литература

1. Авдувеский В. C., Гришин С. Д., Лесков Л. В. и др. Энергетика и космос // Земля и Вселенная. 1981. № 6. С. 2–6.

2. Алферов Ж. И., Андреев В. М. Перспективы фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии//Преобразование солнечной энергии. Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1981. С. 7—20.

3. Лидоренко H. C., Евдокимо. в В. M., Зайцева А. К., Колтун Μ. М. и др. Новые модели солнечных элементов и перспективы их оптимизации // Гелиотехника. 1978. № 3. С. 3—17.

4. Лидоренко H. C., Тарнижевский Б. В. Перспективы разработки наземных фотоэлектрических установок прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию // Tp. Всемир. конгр. «Солнце на службе человека». Париж, 2–6 июля 1973 г. С. 533–544.

5. Васильев A. M., Ландсман А. П. Полупроводниковые фотопреобразователи. M.: Сов. радио, 1971. 246 с.

6. Арджанов A. C., Закс М. Б., Касаткин В. В. и др. Кремниевые фотопреобразователи для наземной солнечной энергетики: Проблемы и пути создания крупномасштабного производства//II Всесоюз. конф. «Возобновляемые источники энергии»: Тез. докл. Ереван, 28–31 мая 1985 г. Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1985. Т. 1. С. 22.

7. Глиберман А. Я., Ковалев И. И., Четверикова Г. А. Фотопреобразователи в науке и технике // Итоги науки и техники. M.: ВИНИТИ, 1980, с. 117–162. (Сер. Электроника и ее применение; т. 12).

8. Евдокимов В. M., Каган М. Б., Колтун М. M., Черкасский А. X. Солнечные батареи // Итоги науки и техники. M.: ВИНИТИ, 1977. (Сер. Генераторы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую; т. 3).

9. Колтун Μ. М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. M.: Наука, 1979, 215 с.

10. Колтун Μ, М. Оптика и метрология солнечных элементов. M.: Наука, 1985. 279 с.

И. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ./Под ред. Μ. М. Колтуна. M.: Энергоатомиздат, 1983. 357 с.

12. Крейнин Л. Б., Григорьева Г. М. Солнечные батареи в условиях воздействия космической радиации // Итоги науки и техники. M.: ВИНИТИ, 1979. (Сер. Исследование космического пространства; т. 13).

13. Далецкий Г. C., Каган М. Б., Колтун М. M., Кузнецов В. М. Разработка солнечных батарей для межпланетных автоматических станций «Венера-9», «Венера-10» п для программы «Луноход» // Гелиотехника. 1979. № 4. С. 3.

14. Болтянский Г. А., Бордина И. M., Далецкий Г. С. и др. Испытание экспериментальной двусторонней солнечной батареи на орбитальной станции «Салют-5» // Космические исследования. 1980. Т. 18, № 5. С. 812–814.

15. Лидоренко H. C., Рябиков С. В., Далецкий Г. С. и др. Измерение освещенности в облачном слое планеты Венера с помощью солнечных батарей // Гелиотехника. 1983. № 2. С. 10–12.

16. Андреев В. M., Каган М. В., Любашевская Т. Л. и др. Сравнение различных моделей гетерофотопреобразователей в системе р-Al_xGa_1-xAs – n-GaAs с точки зрения достижения максимальной эффективности // Физика и техника полупроводников. 1974. Т. 8, вып. 7. С. 1328–1334.

17. Алферов Ж. И., Андреев В. M., Арипов X. К. и др. Модель автономной солнечной установки с гетерофотоэлементами и концентраторами излучения// Гелиотехника. 1981. № 2. С. 3–6.

18. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ./Под ред. Μ. М. Колтуна. M.: Мир, 1986. 370 с.

19. Фаренбрух А., Бъюб Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент: Пер. с англ./Под ред. Μ. М. Колтуна. M.: Энергоатомиздат, 1987.

20. Грилихес В. А., Орлов Π. П., Попов Л. Б. Солнечная энергия и космические полеты. M.: Наука, 1984. 248 с.

21. Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции. Л.: Наука, 1986. 182 с.

INFO

ББК 31.63

К 61

УДК 629.7.064.56

Колтун Μ. М.

К. 61. Солнечные элементы. – M.: Наука, 1987.—

192 с., ил. – (Серия «Планета Земля и Вселенная»).

Κ 2302010000-412/054(02)-87-51—87НП

Марк Михайлович Колтун

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Утверждено к печати редколлегией серии

«Научно-популярная литература»

Академии наук СССР

Редактор издательства

A. А. Боровая

Художественный редактор

B. Ю. Кученков

Технический редактор

Т. А. Калинина

Корректоры Н. Б. Габасова, Н. И. Казарина

ИБ № 35363

Сдано в набор 18.06.87

Подписано к печати 29.10.87 Т-20231. Формат 84×1081/32. Бумага книжно-журнальная. Гарнитура обыкновенная новая. Печать высокая.

Усл. печ. л. 10,08. Усл. кр. отт. 10, 4 Уч-изд. л. 11,6.

Тираж 12800 экз. Тип. зак. 792

Цена 45 коп.

Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Наука»

117864, ГСП-7, Москва, В-485, Профсоюзная ул., 90

2-я типография издательства «Наука»

121099, Москва, Г-99, Шубинский пер., 6

…………………..

Скан: AAW

Опубликовано группой «Торрент-Книги»

FB2 – mefysto, 2024

Текст на задней обложке

От электронных часов и малогабаритных калькуляторов до межпланетных и орбитальных космических аппаратов, автоматических метеостанций находят применение солнечные элементы. Они преобразуют свет Солнца непосредственно в электроэнергию, бесшумно, не загрязняя окружающую среду. В книге профессора Μ. М. Колтуна описаны свойства, конструкции, методы создания и исследования современных эффективных солнечных элементов и батарей.

notes

Примечания

1

Общепринятое сокращенное обозначение электронно-дырочных переходов, представляющих собой области в кристаллах, где контактируют слои с электронной (n-типа) и дырочной (p-типа) проводимостью. Тип проводимости определяется тем, какие носители – отрицательно или положительно заряженные, электроны или дырки – являются основными в данном образце полупроводника. Изменяется тип проводимости обычно путем соответствующего легирования донорной или акцепторной примесью, причем этот процесс может быть осуществлен локально, для отдельных мест или слоев полупроводниковой пластины, в целом легированной другой примесью.

2

В спектре поглощения в полупроводниках можно наблюдать несколько полос поглощения, характерных для примесей, свободных носителей заряда, колебаний решетки, растворенных газов и включений. Эти полосы располагаются чаще всего в средней и дальней частях инфракрасной области спектра. Основной считается полоса поглощения, появление которой обусловлено передачей части энергии падающего излучения связанным носителям заряда, находящимся около отдельных атомов и энергетически – в валентной зоне, после чего они получают возможность преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости, пополнив число свободных носителей заряда. Длинноволновый край основной полосы поглощения, о котором здесь идет речь, обычно определяется минимальным энергетическим значением ширины запрещенной зоны данного полупроводника. Для большинства полупроводниковых материалов, из которых изготовляются солнечные элементы, он лежит в ближней инфракрасной области спектра: при длине волны 1,1 мкм для кремния и при 0,9 мкм для арсенида галлия.

3

После разделения полем p-n-перехода дырки из n-области переходят в p-область, а электроны из p-области оказываются в n-области; те и другие становятся уже при этом основными носителями заряда в соответствующих областях солнечных элементов.

4

Алюминий является для кремния примесью р-типа.

5

Электрическое тянущее поле может быть образовано в отдельных областях солнечного элемента при плавном или резком изменении ширины запрещенной зоны полупроводника, а также путем создания перепада концентрации примеси по глубине; попавшие в такую область носители заряда движутся не только благодаря энергии, переданной им квантами света, подчиняясь законам диффузии, но и за счет энергии окружающего их электростатического поля, которое в этом случае в основном определяет скорость и направление перемещения носителей заряда.

6

Обозначение р⁺- и п+ – применяется по отношению к слоям, содержащим значительно большую концентрацию легирующей примеси и, следовательно, свободных носителей заряда, чем у обычно применяемых р- и n-областей солнечного элемента.

7

Изотипный переход образуется в полупроводнике одного и того же типа проводимости между слоями с резко отличающимися значениями концентрации одинаковой – донорной или акцепторной – примеси, например между n⁺-слоем, сильно легированным фосфором, и n-слоем, слабо легированным фосфором.

8

Пленка ITO, названная так по первым буквам английских слов индий – олово – оксид, получается из смеси оксидов олова и индия различными способами.

9

Энергетический спектр протонов и электронов в поясах радиации носит спадающий характер – суточные дозы частиц резко уменьшаются с увеличением их энергии.