Текст книги "Солнечные элементы"

Автор книги: Марк Колтун

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 12 страниц)

В июне 1982 г. в г. Будапеште на имитаторе наземного солнечного излучения были проведены совместные советско-венгерские измерения вольт-амперных характеристик и КПД солнечных элементов в лабораторных условиях.

Источником света в имитаторе служила ксеноновая лампа высокого давления, спектр которой коррегирован интерференционным фильтром. Настройка имитатора осуществлялась с помощью эталонного солнечного элемента (чувствительная поверхность 30×35 мм), разработанного п отградуированного в СССР. Конструкция эталона, как уже указывалось, предложена в качестве стандартной для стран СЭВ. Градуировка проведена для наземных условий AM1,5 (плотность прямого потока 850 Вт/м²) и для условий AM1 (плотность потока 1000 Вт/м²).

При работе на имитаторе использовался разработанный Институтом электротехнической промышленности ВНР прибор для автоматического измерения и записи вольт-амперной характеристики, в комплект которого входит мини-ЭВМ, что позволяет одновременно определить оптимальные параметры солнечных элементов.

В приборе использован четырехзондовый метод съема тока с отдельной цепью подключения вольтметра, который позволяет значительно точнее по сравнению с двухзондовым (см. рис. 2.8) измерить напряжение на солнечном элементе. Поскольку в цепи вольтметра при четырехзондовой схеме протекает очень малый ток, падение напряжения на сопротивлении перехода между контактом солнечного элемента и токосъемным зондом и на сопротивлении проводов ничтожно, и, следовательно, вольтметр регистрирует напряжение, которое установилось непосредственно на солнечном элементе. Как показали эксперименты, для элементов площадью 5,4 см² при стандартной плотности потока излучения и I_κз= 160 мА разница в КПД, измеренных двумя способами, не отмечается; при площади 10,5 см² и I_κз=300 мА КПД по двухзондовой схеме составляет 12,1 вместо 14,1 % по четырехзондовой схеме. Если площадь элемента 24 см² и ток короткого замыкания 670 мА, разница при измерениях по двум схемам еще больше (КПД 8,1 и 11,3 % соответственно).

В любом варианте электрической схемы по мере увеличения переходного сопротивления контакт солнечного элемента – токосъемный зонд, сопротивления проводов и внутреннего сопротивления амперметра измерения параметров солнечного элемента будут проводиться в области вольт-амперной характеристики, все более удаленной от точки короткого замыкания, и для элементов с высоким последовательным сопротивлением ошибка измерений будет весьма ощутимой.

Для точного определения тока короткого замыкания элементов может быть применена схема с дополнительным источником, позволяющим подавать встречное напряжение. Особенно удобно использовать ее для измерений при повышенных концентрациях солнечного излучения или при исследовании параметров солнечных элементов с большой площадью фоточувствительной поверхности. Такая схема применяется, например, для измерений характеристик блок-элементов (модулей с параллельно соединенными солнечными элементами) большого размера, имеющих высокое значение тока при малых напряжениях.

Результаты проведенных в г. Будапеште в июне 1982 г. и повторенных в Москве в мае 1986 г. советско-венгерских экспериментов по измерению параметров солнечных элементов на имитаторе Солнца сравнивались с данными, полученными на этом же имитаторе при его настройке по солнечному элементу, сличенному с эталоном, принятым в США для измерения наземных элементов применительно к условиям AM1, который был продемонстрирован на советско-американском семинаре в 1977 г. в Ашхабаде. При настройке по эталону США наблюдалось завышение КПД элементов, составлявшее для венгерских элементов в среднем 8 %, для советских – 6 %, что объясняется, по-видимому, отличиями в методах градуировки эталонов, применяемых в СССР и США.

Различие в результатах измерений при настройке имитаторов с помощью разных эталонов указывает на необходимость использования единого стандартного спектра наземного Солнца при градуировке эталонов. Намеченный в последнее время выбор стандартного наземного спектра (условия AM1,5), согласованного в международном масштабе, является, по-видимому, единственно правильным решением сложного вопроса градуировки наземных солнечных элементов, поскольку при этом можно проводить сопоставление эффективности и качества солнечных элементов и батарей, выпускаемых разными странами и фирмами.

Рис. 3.3. Спектральное распределение энергии солнечного излучения при различных значениях воздушной массы (расчетные данные Π. Муна)

1–6 – m=0, 1,2, 3,4, 5 соответственно

Градуировка эталонов для оценки эффективности работы солнечных элементов и батарей космического назначения с использованием общепринятого в настоящее время спектра AM0 Макаровой и Харитонова также позволяет достаточно точно настраивать лабораторные и заводские имитаторы Солнца и прогнозировать характеристики солнечных батарей при эксплуатации во внеатмосферных условиях. Труднее учесть переменную по спектру и потоку и непостоянную во времени часть солнечного излучения, отраженную от облаков и подстилающего рельефа Земли и эффективно используемую двусторонними и прозрачными в инфракрасной области спектра солнечными батареями. Однако расчетные и экспериментальные исследования, вероятно, позволят в недалеком будущем достаточно точно пред-сказывать возможное увеличение тока солнечных батарей низколетящих спутников Земли за счет этой составляющей внеатмосферного солнечного излучения.

Уже не раз подчеркивалось, что солнечный элемент, предназначенный для создания эталона, должен обладать основными особенностями, свойственными спектральным, фотоэлектрическим и оптическим характеристикам измеряемых элементов. Например, при оценке КПД партии солнечных элементов из кремния с п⁺—р – p+-структурой и мелкозалегающим р-n-переходом эталонный элемент должен выбираться из их числа, а для солнечных элементов из новых полупроводниковых материалов эталонный элемент следует создавать из того же полупроводникового материала при таких же толщинах и электрофизических свойствах слоев, как в структуре элемента данного типа.

Однако выполненные советскими исследователями измерения на автоматической межпланетной станции «Венера» (результаты которых опубликованы в журнале «Гелиотехника» в 1983 г.) говорят о том, что возможен и другой подход: создание стабильного солнечного элемента, например, из кремния со сравнительно глубоким p-n-переходом и внесение в его паспортные данные значений переходных коэффициентов, которыми необходимо пользоваться, если по данному кремниевому эталону настраивается имитатор Солнца при измерении параметров солнечных элементов из других полупроводниковых материалов или из того же материала, но иной конструкции.

Как было установлено в ходе полета автоматических межпланетных станций «Венера-13 и -14», при определении параметров солнечных элементов для внеатмосферных условий (спектр AM0, плотность потока излучения 1360 Вт/м²) на имитаторе Солнца из ламп накаливания без коррекции спектра с плотностью излучения 1000 Вт/м² для кремниевого эталона с глубоким р-n-переходом (1,0–1,2 мкм) переходный коэффициент равен 1,0, а для кремниевого элемента с небольшой глубиной залегания р-n-перехода (0,3–0,5 мкм) – 1,12—1,13; для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs переходный коэффициент составляет 1,11—1,12 при толщине слоя AlGaAs 15 мкм, 1,2–1,21 при толщине того же слоя 10 мкм и 1,54 при толщине этого слоя менее 1 мкм.

Подобным же образом можно поступить и в случае градуировки имитаторов Солнца для измерений параметров наземных солнечных элементов. В паспорт эталона, используемого при настройке имитаторов внеатмосферного Солнца, при этом следует внести значение переходного коэффициента от AM0 к стандартным наземным условиям AM1,5, определенное или пересчитанное, как и в предыдущем случае, для такого же значения рабочей температуры, причем ток при AM0 и AM 1,5 должен быть отнесен к плотности соответствующего потока излучения. Значения подобных переходных коэффициентов были получены советскими специалистами из результатов высокогорных измерений и путем использования абсолютной спектральной чувствительности данного эталонного элемента и стандартных спектров AM0 и AM1,5.

Для кремниевых солнечных элементов с мелкозалегающим p-n-переходом (глубина 0,3–0,5 мкм) переходный коэффициент от условий AM0 к стандартным наземным условиям AM 1,5 равен, как показали результаты измерений и расчетов, 1,13—1,14.

Для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs он составляет 1,26, 1,24 и 1,18 при толщине слоя AlGaAs соответственно 15, 10 и менее 1,0 мкм. Для тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероструктуры Cu₂S-CdS переходный коэффициент от AM0 к AM1,5, как правило, равен 1,04, а для элементов на основе гетероструктуры ITO-Si этот коэффициент составляет, по результатам расчетов, 1,10-1,11.

Качественно (а в некоторых случаях и количественно) близкие результаты были получены американскими исследователями. Измеренная на фильтровом монохроматоре (источник излучения – мощная вольфрамовая лампа накаливания) спектральная чувствительность кремниевых элементов была пересчитана ими на спектры излучения Солнца для условий AM0 и AM1, что позволило затем определить интегральные значения тока короткого замыкания исследуемых элементов и переходные коэффициенты от условий AM0 к условиям AM1, равные: для обычных элементов без покрытий 1,08; для элементов с текстурированной неотражающей поверхностью, полученной селективным химическим травлением, 1,14; для обычных элементов с просветляющей пленкой из двуокиси кремния 1,15; для таких же элементов наземного назначения с большой глубиной залегания p-n-перехода 1,16; для элементов с мелкозалегающим p-n-переходом и просветляющим покрытием из пятиокиси тантала 1,18. Все элементы были изготовлены из монокристаллического кремния; приведенные значения переходных коэффициентов были получены как средние для партий из двух, четырех, пяти, девяти и одиннадцати элементов соответственно. Расчетные результаты были подтверждены при измерениях на естественном Солнце в условиях атмосферной массы т = 1,7 и плотности потока излучения 850–950 Вт/м², а измеренные значения тока короткого замыкания были приведены по плотности потока излучения к значениям, характерным для условий AM1 (около 1000 Вт/м²).

Аналогичные данные получаются при пересчете спектральной чувствительности солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов на новый спектр полного (прямого + диффузного) солнечного излучения при m=1,5 и суммарной плотности потока 1000 Вт/м² (см. рис. 1.1, кривая 2 и табл. 3 Приложения).

Глава 4

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Высокоэффективные солнечные элементы из кремния

Среди различных типов фотоэлектрических преобразователей лишь монокристаллические кремниевые солнечные элементы в настоящее время нашли широкое применение в солнечной энергетике (например, в системах энергообеспечения искусственных спутников Земли). Большой практический опыт и знания, накопленные при производстве монокристаллических солнечных элементов из кремния, обеспечивают возможность перехода к полностью автоматизированной технологии изготовления солнечных элементов. Если к тому же учесть, что кремний относится к наиболее распространенным в природе химическим элементам, а монокристаллические кремниевые солнечные элементы обладают высокой эффективностью (КПД многих образцов достигает сейчас 18–19 %), то кремний можно считать во всех отношениях перспективным материалом для создания наземных фотогенераторов – фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.

Монокристаллический кремний в виде массивных образцов относится к наиболее подробно и глубоко исследованным полупроводниковым материалам. Технология получения и обработки кремния, а также изготовления электронных схем и приборов на его основе до сих пор остается базовой технологией в электронной промышленности благодаря высокому уровню развития и быстрому совершенствованию. При этом кремний занимает ведущее положение во всех областях электроники. Кроме того, кремний используется в оптоэлектронике, интегральной оптике и вычислительной технике.

Развитие высокоэффективных кремниевых солнечных элементов с обычным p-n-переходом в гомогенном материале в основном происходит путем снижения глубины залегания p-n-перехода. Она была уменьшена почти на два порядка величины – от 7–10 мкм у первых образцов до 0,1–0,015 мкм у современных солнечных элементов. Рост, например, спектральной чувствительности кремниевых элементов при уменьшении глубины залегания р-n-перехода наглядно виден из данных рис. 4.1. Результаты измерений, приводимых на этом рисунке, получены при модулировании спектрального светового луча и при солнечной подсветке по методике, описанной в гл. 2.

Pис. 4.1. Абсолютная спектральная чувствительность кремниевых солнечных элементов, непросветленных с глубоким p-n-переходом (толщина легированного слоя l ≥ 1,2 мкм) (1–3) и просветленных с мелкозалегающим p-n-переходом (I ≤ 0,3 мкм) (4–6)

1. 4 – измерения на монохроматоре в условиях низких засветок с градуировкой по калиброванному термоэлементу; 2, 6 – измерения 1, 4 на модулированном потоке с подсветкой имитированным солнечным излучением; 3, 5 – измерения 1, 4 с пересчетом с помощью масштабного множителя, определенного по эталонной светоизмерительной лампе в условиях высоких засветок

Рис. 4.2. Солнечные элементы из кремния с текстурированной поверхностью (а), с рельефной поверхностью и p-n-переходом, расположенным как на горизонтальных, так и на вертикальных участках рельефа (б)

Стремление приблизить р-n-переход к поверхности вполне понятно, если учесть, сколь большая часть солнечного света поглощается на малой глубине (см. рис. 2.7 и 2.15) и насколько велики потери носителей заряда из-за их рекомбинации в переднем легированном слое элементов. Логическим пределом движения в этом направлении являются поверхностно-барьерные солнечные элементы разных типов, вовсе не содержащие легированного слоя, так что поле объемного заряда подходит вплотную к поверхности.

Разработка солнечных элементов с p-n-переходом, расположенным на глубине менее 0,2 мкм, в значительной мере решила проблему пространственного разделения носителей заряда, генерированных коротковолновым излучением. Действительно, коэффициент собирания у подобных солнечных элементов даже при λ=0,4 мкм достигает ~0,9, тогда как при глубине залегания ≥0,4 мкм коэффициент собирания в этой области спектра равен 0,5–0,6.

В силу высокой чувствительности в фиолетово-голубой части спектра описываемые солнечные элементы получили название фиолетовых. Плотность тока короткого замыкания таких солнечных элементов удалось довести до 40–42 мА/см². Спектральная зависимость токовых потерь фиолетовых солнечных элементов, рассчитанная с учетом спектрального распределения внеатмосферного солнечного излучения, показывает, что их коэффициент собирания близок к 1,0 почти во всей области чувствительности. Потери в коротковолновой области спектра относительно невелики, и дальнейшее улучшение использования солнечного излучения возможно не за счет совершенствования внутренней структуры солнечных элементов (ибо p-n-переход разделяет практически каждую рожденную светом пару электрон-дырка), а путем улучшения оптических параметров солнечных элементов – снижения отражения и затенения поверхности контактами.

Уменьшение толщины верхнего легированного слоя важно не только для повышения фоточувствительности, но и для улучшения диодных характеристик солнечных элементов. Согласно расчетным и экспериментальным данным, параметры легированного слоя определяющим образом влияют на величину тока насыщения и, следовательно, фото-ЭДС. Подобная роль обусловлена, во-первых, эффектами, связанными с высоким уровнем легирования – сужением запрещенной зоны и уменьшением эффективной концентрации основных носителей, появлением обратного градиента поля, и, во-вторых, чрезвычайно низким временем жизни носителей заряда, вероятно не превышающим 1 нс. Для снижения тока насыщения рекомендуется уменьшить толщину верхнего слоя и обеспечить оптимальный уровень легирования 2-10¹⁹ см^-3 (ранее при создании элементов разработчики стремились к получению в верхнем легированном слое концентрации примеси и свободных носителей заряда на уровне 10²¹ см^-3, близком к пределу растворимости фосфора в кремнии). Влияние возросшего слоевого сопротивления должно быть скомпенсировано соответствующей структурой контактной сетки.

При разработке фиолетовых солнечных элементов эти требования были реализованы за счет ряда технологических и конструктивных новшеств. Основные из них: низкотемпературная (770–800^oC) диффузия в потоке газа носителя, относительно малая поверхностная концентрация легирующей примеси (10¹⁹ см^-3) и густая контактная сетка (8—10 полос/см) при ширине полоски ~50 мкм.

Для уменьшения потерь на отражение света был разработан метод обработки поверхности кремния, позволивший создать «неотражающий», или «черный», солнечный элемент из кремния с высоким КПД. Отличие такого солнечного элемента – особый пирамидообразный, текстурированный (рис. 4.2, а) рельеф верхней поверхности, при котором луч, однажды отраженный от одной грани выступа-пирамиды, вторично попадает на поверхность соседнего выступа, благодаря чему теряется лишь ничтожная часть света. В результате даже при отсутствии просветляющей пленки на поверхности кремния, имеющей исходный коэффициент отражения выше 30–40 %, подобный рельеф снижает потери солнечного света на отражение до ~10 %. Нанесение же просветляющей пленки (например, Ta₂O₅) сводит их к 2–3 % интегрально – по всему солнечному спектру.

Дополнительный эффект текстурирования поверхности – уменьшение глубины поглощения света. Происходящее в результате этого возрастание эффективного коэффициента поглощения а приводит к увеличению коэффициента собирания и плотности фототока.

Помимо традиционной плоской, планарной, конструкции в последние годы широко исследуются солнечные элементы со сложной конфигурацией p-n-переходов, в частности с p-n-переходами, расположенными по нормали к освещаемой поверхности. Они могут изготавливаться либо на общей подложке, либо набираться из отдельных микроэлементов, объединенных материалом контакта (слоем припоя или алюминия).

Вертикальное расположение p-n-переходов открывает дополнительные эксплуатационные возможности солнечных элементов. При последовательном соединении p-n-переходов солнечные элементы генерируют высокие напряжения, вплоть до десятков В/см, и эффективно работают в условиях высокой освещенности, что было убедительно показано советскими учеными, впервые получившими такие высоковольтные элементы. Параллельное включение p-n-переходов создает предпосылки для повышения фототока и, следовательно, КПД солнечных элементов.

Наиболее удачно последняя конструкция реализована в солнечных элементах с рельефной структурой поверхности, схематически изображенной на рис. 4.2, б. Рельеф в данном случае создается, так же как при текстурировании, методом избирательного травления (например, в щелочи) пластины кремния с ориентацией (110). Легированный n⁺-слой^[6] повторяет профиль поверхности. Геометрические размеры элементов рельефа могут задаваться в широких диапазонах значений. В образцах, изготовленных американскими специалистами, разработчиками этой рельефной конструкции солнечных элементов высота. H=100÷150 мкм, шаг w⋍c⋍7–8 мкм. Рельефная фотоприемная поверхность обладает весьма высоким коэффициентом оптического поглощения, характерным для текстурированной поверхности, благодаря чему потери на отражение у рассматриваемого солнечного элемента минимальны.

Другое очевидное достоинство такого солнечного элемента – высокая объемная фоточувствительность, достигаемая за счет близкого расположения вертикальных участков p-n-перехода. Если w≪L, то практически все рожденные светом в базе пары носителей оказываются разделенными. КПД лучших образцов с рельефной структурой превышает во внеатмосферных условиях 13 %.

Улучшение оптических и фотоэлектрических характеристик солнечных элементов достигается также созданием в легированном и базовом слоях фотоэлемента тянущих электростатических полей (за счет, например, направленного изменения распределения примесей или градиента ширины запрещенной зоны по глубине элемента).

Влияние внутренних электрических полей на эффективность собирания и КПД полупроводниковых солнечных элементов исследовано достаточно хорошо. Первые работы были связаны с рассмотрением однородного поля с постоянными значениями подвижности и времени жизни носителей, не зависящими от концентрации примесей. Дальнейшее усложнение моделей солнечных элементов с встроенным полем привело к изучению неоднородных электрических полей и параметров диффузии, зависящих от пространственных координат. Однако проведенные исследования носили сугубо теоретический характер, а предлагаемые распределения примесей были трудно воспроизводимы.

Солнечные элементы практически всегда имеют внутренние электрические поля, возникающие в местах значительного перепада концентрации примеси по глубине кристалла или слоя, однако обычно эти поля носят случайный характер и являются следствием используемой технологии. В связи с этим возникает задача нахождения профилей концентрации примесей, значительно повышающих эффективность собирания носителей из легированного слоя и в то же время получаемых с помощью хорошо отработанных технологических методов.

Расчет и эксперимент, выполненные в одной из отечественных работ, показали, что пористая оксидная пленка, предварительно образованная на поверхности кремния методом анодного окисления, дает возможность даже при однократной термодиффузии получить двуслойную структуру легированной области. Часть диффузанта, например фосфора, проходя через поры, образует область низких концентраций примеси в зоне, близкой к p-n-переходу, другая часть, основная, диффундируя сквозь вещество пленки, создает область большой концентрации фосфора у поверхности элемента. Регулируя время и температуру диффузии, а также изменяя пористость пленки, можно достаточно плавно и точно управлять профилем распределения примесей в легированной области.

Оптимальный режим однократной диффузии через предварительно созданную оксидную пленку определенной пористости дает возможность получать p-n-переходы с разной глубиной залегания легированного слоя (0,3–1,3 мкм). При этом распределение примесей соответствует четко обозначенным двум областям высокой и низкой концентрации.

Другой технологический прием создания сложного распределения примесей – двойное легирование. Диффузионный слой, образованный в процессе первой термической диффузии, стравливается до глубины 0,5–0,6 мкм, затем осуществляется вторичное легирование по режиму однократной термодиффузии. Полученные p-n-переходы находятся на глубине 1,0–1,2 мкм от поверхности, при этом на глубине 0,3–0,7 мкм наблюдается резкий перепад концентрации примесей на два порядка. Профиль концентраций примесей строится на основе результатов измерений проводимости четырехзондовым методом при послойном анодном стравливании, глубина p-n-перехода определяется с помощью сферического шлифа.

Была обнаружена повышенная чувствительность экспериментальных солнечных элементов в коротковолновой области спектра, что объясняется преобладающим (над эффектом ухудшения параметров диффузии неосновных носителей в области повышенной концентрации) влиянием введенного тянущего поля сложной конфигурации.

Вольт-амперные характеристики солнечных элементов с двуслойной структурой легированной области также значительно лучше, чем у обычных. Плотность нагрузочного тока с единицы полезной площади таких солнечных элементов при глубине залегания p-n-перехода 1,0–1,2 мкм на 9–17 % выше, чем у элементов с экспоненциальным распределением примесей в легированном слое такой же глубины.

Таким образом, обоснованное теоретически и воспроизведенное экспериментально двухступенчатое распределение примесей приводит к значительному улучшению вольт-амперных и спектральных характеристик солнечных элементов даже при сравнительно большой глубине залегания p-n-перехода (l_л—1,2 мкм), что позволяет не только увеличить КПД элементов, но и использовать для токосъема с легированного слоя простые, дешевые и надежные электрические контакты, получаемые, например, химическим осаждением никеля. Проблема создания надежных омических контактов, удешевления и автоматизации их нанесения – одна из наиболее сложных в современной технологии изготовления солнечных элементов.

Резко увеличить коротковолновую спектральную чувствительность кремниевых солнечных элементов можно также, используя пассивирующую пленку, например, диоксида или нитрида кремния. Пленка содержит встроенный электрический заряд и вместе с тонким легированным слоем кремния, как и у солнечных элементов с тянущим полем в легированной области, будет образовывать двуслойную структуру п – п⁺ или р⁺ – р, позволяющую приблизить тянущее электростатическое поле к поверхности, уменьшить эффективную скорость поверхностной рекомбинации и улучшить собирание избыточных носителей заряда, созданных коротковолновым излучением, поглощенным вблизи поверхности солнечного элемента.

В одной из работ, например, подобная структура п⁺– n-типа была осуществлена на низкоомных кремниевых монокристаллических подложках с удельным сопротивлением 0,1–0,3 Ом×см путем бомбардировки ионами фосфора с энергией 10 кэВ и плотностью пучка ионов от 2,5×10¹² до 2,5×10¹⁵ см^-2. После бомбардировки проводился термический отжиг пластин в течение 30 мин при 850^o G в атмосфере водяного пара и кислорода для электрической активации внедренной примеси фосфора. Одновременно на поверхности вырастала пленка диоксида кремния толщиной 2000 А и производилось ее легирование фосфором и бором из подложки. Для уплотнения пленки диоксида кремния осуществлялся еще один термический отжиг в сухом кислороде в течение 1 ч при 700^o C (показатель преломления пленки при этом повышался до 1,48). Чтобы восстановить время жизни неосновных носителей в базовых слоях (подложках) после двух высокотемпературных отжигов образцы выдерживались при 550^o G в течение 2 ч. Медленным травлением толщина плёнки диоксида кремния доводилась до значения 1000 А, оптимального для просветления поверхности. Методом фотолитографии в пленке вытравливались окна для контактных полос из обычной трехслойной композиции: титан – палладий – серебро.

Распределение примесей фосфора и бора в легированной пленке SiO₂ и в верхнем слое кремния было получено с помощью метода спектроскопии вторичных ионов. Мелкозалегающий p-n-переход располагался на глубине 0,35 мкм.

Распределение примеси, как и при контролируемой диффузии через анодную окисную пленку, имеет двухступенчатый профиль (с небольшим скачком концентрации примеси на границе раздела SiO₂—Si). Следовательно, в этом случае также образуется тянущее электростатическое поле повышенной эффективности, что подтверждается высоким коэффициентом собирания в коротковолновой области солнечного спектра у полученных элементов. Для них также характерно необычайно большое значение U_x._x, равное 0,645 В, что объясняется высоким барьером на p-n-переходе, обусловленным не только выбором низкоомных подложек для базового слоя, но и влиянием легированной поверхности пленки. Это было подтверждено прямым экспериментом: после удаления пленки травлением U_x._x уменьшилось до обычных значений (менее 0,6 В).

Влияние поверхностной пассивирующей пленки на коэффициент собирания в коротковолновой области спектра и U_x.x солнечных элементов было продемонстрировано еще в одном эксперименте: после образования пассивирующей пленки обе эти величины возрастали. Глубина залегания p-n-перехода под пассивирующей пленкой составляла 0,3 мкм при слоевом сопротивлении 60 Om∕□ (p-n-переход получен диффузией бора в легированные подложки n-кремния толщиной 300 мкм). Поверх тонкой пассивирующей пленки SiO₂ наносилось просветляющее покрытие из нитрида кремния SiN_x. При 25-кратной интенсивности наземного солнечного излучения КПД полученных элементов со структурой р⁺—р на освещаемой поверхности составил 18 %. При обычной однократной освещенности I_κ._з 33 мА/см², U_x._x=0,62 В.

Если базовый слой обычных элементов, например р-типа, легирован неравномерно и концентрация акцепторов у p-n-перехода ниже, чем в глубине слоя, то в нем, так же как в легированном слое, возникает электростатическое поле, помогающее собиранию созданных светом в базовом слое избыточных носителей заряда (в этом случае действует не только диффузионный, но и дрейфовый механизм собирания). Это, с одной стороны, уменьшает напряжение холостого хода из-за роста обратного тока насыщения при уменьшении потенциального барьера (при снижении степени легирования базы у p-n-перехода), а с другой – приводит к значительному ухудшению диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей заряда (при увеличении степени легирования отдаленных от p-n-перехода областей базового слоя). Оба отмеченных явления могут в значительной степени снизить эффект улучшения коэффициента собирания, обусловленный введением тянущего поля в базовый слой (обычно равномерно легированный) за счет его неоднородного легирования. При сравнительно небольших перепадах концентраций в базовом слое (10¹⁷ у p-n-перехода, 10¹⁸-10¹⁹ см^-3 в глубине базы) можно увеличить КПД и длинноволновую спектральную чувствительность кремниевых элементов путем введения тянущего поля, сохранив на достаточно высоком уровне диодные параметры p-n-перехода и время жизни неосновных носителей заряда в базовом слое.

Модели солнечных элементов с тянущим полем значительной протяженности в базе вскоре были вытеснены моделью с резким изотипным переходом^[7] р – р⁺ или п – n⁺-переход у тыльного металлического контакта.

Для создания высокоэффективных солнечных элементов можно было бы использовать почти собственный кремний, продиффундировав примеси n- и p-типа с обеих сторон кремниевой пластины таким образом, чтобы получить на необходимом расстоянии от поверхности p-n-переход и одновременно оптимальный градиент примеси с другой стороны пластины.

При получении солнечных элементов n⁺ – р – р⁺-или р⁺ – п – n+-структур оказалось, что создать очень тонкий изотипный р – р⁺- или п – п⁺-переход у тыльного металлического контакта технологически намного проще, чем тянущее поле значительной протяженности, а практически столь же полезно для увеличения собирания избыточных неосновных носителей из базового слоя. Потенциальный барьер на изотипном переходе, полученный подлегированием базового перехода с тыла, отражает неосновные носители от тыльного контакта, увеличивая их эффективную диффузионную длину, и фактически сводит к нулю скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела базовый слой – тыльный металлический контакт. Несколько уменьшается также обратный ток насыщения элементов. Тыльный подлегированный слой создается термодиффузией, ионной бомбардировкой или впеканием алюминия (в случае p-слоя) с последующей термообработкой. Глубина подлегированного слоя обычно колеблется от 0,2 до 0,5 мкм, а распределение примесей практически повторяет аналогичное распределение в верхнем легированном слое солнечных элементов.