ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Основные параметры солнечного элемента

Спектральная чувствительность солнечного элемента определяет диа­пазон значений длин волн оптического излучения, в котором практически возможно использовать данный фотоэлемент.

Ток короткого замыкания 1к з (см. рис. 2.8) соответствует максималь­ному току, который может протекать через фотоэлемент под освещением, когда он замкнут сам на себя (R = 0). Если принять U = 0, то из выражения (2.18) определяем величину тока короткого замыкания

Ік. з = - 1ф. (2.20)

Таким образом, ток короткого замыкания равен фотогенерируемому солнечным элементом току.

Напряжение холостого хода солнечного элемента Ux. х (см. рис. 2.8) соответствует напряжению на разомкнутых клеммах фотоэлемента (R = да). Оно может быть получено, если принять в уравнении (2.18) I = 0

ТТ kT.

Uх. х = ln

e

Из выражения (2.21) следует, что их х может быть повышено за счет увеличения отношения Іф/І5 Этого можно добиться, снижая темновой ток либо в результате увеличения уровня легирования подложки (см. уравне­ние (2.17)), либо увеличения времени жизни неосновных носителей. Уве­личение тока короткого замыкания (см. уравнение (2.20)) также может при­вести к повышению напряжения холостого хода, однако эффект не так за­метен, как в случае уменьшения темнового тока. На практике увеличения их. х добиваются за счет создания поля на обратной стороне пластины в ре­зультате введения р+-слоя и формирования структуры p-p+. Подобная структура не только обеспечивает отражение неосновных носителей назад в область p-n-перехода, но также уменьшает контактное сопротивление тыльного электрода. В результате все основные параметры солнечного
элемента — 1к. з, Ux. х, фактор формы, КПД улучшаются. Напряжение хо­лостого хода для кремниевых солнечных батарей с ^-«-переходом находит­ся в диапазоне от 0,5 до 0,7 В в зависимости от конструкции солнечного элемента, уровня легирования и т. д.

С учетом выражения (2.19) получаем

При большом уровне освещения, когда 1ф/^ >> 1, имеем

При малом уровне освещения, когда Іф/Is << 1, используем разложение в ряд Тейлора

Pysi и

hvL

Таким образом, при малом уровне возбуждения напряжение холостого хода пропорционально интенсивности света.

Максимальная вырабатываемая солнечным элементом выходная мощ­ность обозначена на рис. 2.8 точкой Pm (Pm = ImUm, где Im, Um — соответствую­щие максимальной вырабатываемой мощности значения тока и напряжения).

Выходная мощность равна

P = IU = IsU(e4U/kT - 1) - ^U.

Условие максимума выходной мощности можно найти, при dP/dU = 0. Отсюда получаем

где

Em — e

Величина Em соответствует максимальной энергии, выделяемой в на­грузке при поглощении одного фотона с условием оптимального согласова­ния фотоэлемента с внешней цепью. Поскольку величина Em зависит от Is,

она зависит от параметров материала (например т, D, уровень легирования). Идеальная эффективность преобразования реализуется при оптимальном выборе параметров материала, когда величина Is минимальна.

Важным параметром, характеризующим качество солнечных элемен­тов, является коэффициент формы, или коэффициент заполнения вольт­амперной характеристики k:

UmIm их. хІк. з

Отсюда

Pm = U хІк. з.

Из уравнения (2.23) следует, что коэффициент формы указывает, насколь­ко реальная ВАХ солнечного фотоэлемента отличается от идеальной, которая представляет собой прямоугольную ступеньку с напряжением их х и током Ік з.

Коэффициент формы для кремниевых солнечных батарей с p-n-пере- ходом находится в диапазоне 0,75...0,85, для СБ на основе GaAs — в диапа­зоне 0,79...0,87.

В СЭ электронно-дырочные пары могут быть генерированы солнеч­ным излучением как в n-, так и в p-области, в зависимости от того, на какой глубине произошло поглощение фотонов с данной энергией. Электриче­ское поле вблизи p-n-перехода осуществляет разделение носителей заряда и сбор электронов в n-области, а дырок — в p-области. Однако часть неос­новных носителей тока может быть потеряна в результате рекомбинации. Эффективность процесса собирания фотогенерированных носителей оце­нивается с помощью коэффициента собирания носителей заряда Q. Коэф­фициент собирания носителей заряда равен отношению количества элек­тронно-дырочных пар, разделенных полем p-n-перехода, к общему количе­ству генерированных светом электронно-дырочных пар

Q j

ЧФ0

23

где Фо — плотность потока фотонов, падающих на поверхность элемента.

Величина Q сильно зависит от коэффициента поглощения, т. е. от длины волны излучения [17].

Идеальная спектральная зависимость коэффициента собирания носите­лей заряда для полупроводника с шириной запрещенной зоны Eg представ­ляет собой ступеньку: он равен 0 при hv < Eg и равен 1 при hv > Eg (рис. 2.18). Реальная спектральная характеристика имеет вид кривой с максимумом. Мак­симальное значение Q для обычных преобразователей близко к единице и для кремния соответствует области X — 0,8-0,9 мкм, а для GaAs X — 0,7-0,8 мкм. При достаточно больших длинах волн коэффициент поглощения уменьша­ется и при а^-0 величина Q также стремится к нулю, поскольку Q ~ а. На границе собственного поглощения спектральная чувствительность и ко­эффициент собирания обращаются в нуль. Для кремния край собственного поглощения находится при X = 1,1 мкм, для GaAs — при X = 0,9 мкм [18].

Наконец, эффективность преобразования солнечного элемента (или КПД) равна отношению максимальной выходной мощности к мощности па­дающего излучения Ризл: