ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Каскадные солнечные элементы

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n - переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна оптической ширине за­прещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереход­ного элемента ограничен частью солнечного спектра, с энергией превышаю­щей ширину запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используют­ся. Один из путей преодоления этого ограничения — применение многослойных структур из двух и более солнечных элементов с различной шириной запрещен­ной зоны. Такие элементы называются многопереход­ными или каскадными. Многопереходные элементы могут достичь большей эффективности фотоэлектри­ческого преобразования, поскольку используют значи­тельно большую часть солнечного спектра.

В типичном многопереходном солнечном элемен­те (рис. 7.6) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сна­чала попадает на элемент с наибольшей шириной за­прещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Не поглощенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны, где часть их поглощается и т. д. Про­веденные расчеты показали, что идеальный каскадный СЭ с бесконечным ко­личеством согласованных элементов может иметь КПД = 66 %.

Идея каскадных фотоэлементов, возникшая в 1960-е годы, вначале была реализована в механически стыкованных фотоэлементах [98]. Фотоэлементы с монолитной структурой впервые изготовили в США. Многослойные согла­сованные по периоду решетки структуры были выращены методом газофаз­ной эпитаксии с использованием металлорганичес­ких соединений на германиевой подложке. При этом p-n-переход верхнего фотоэлемента сформи­ровался в полупроводнике на основе твердого рас­твора ^^Ga^P, а нижнего — на основе GaAs. По­следовательное соединение фотоэлементов и обес­печение прохождения носителей между элемента­ми осуществлялось посредством туннельного p-n - перехода, специально сформированного между кас­кадами. Позднее сформировался и третий каскад с p-n-переходом в германиевой подложке. В настоя­щее время трехкаскадные фотоэлементы исполь­зуются для оснащения космических аппаратов.

На основе аморфных полупроводников также изготавливают каскадные солнечные элементы, при этом каждый отдельный каскад имеет p-i-n - структуру.

СЭ на основе аморфных материалов для формиро­вания i-слоев помимо a-Si:H могут использоваться широкозонные a-Sii-xCx:H, a-Sii-xNx:H и узкозонные a-Sii-xGex:H полупроводники по сравнению с a-Si:H.

На рис. 7.7 представлена конструкция трехкаскадного солнечного эле­мента с тремя p-i-n-структурами на основе a-Si:H и его сплавов.

Верхний слой, поглощающий коротковолновую (голубую) область сол­нечного спектра, формируется из сплава на основе a-Si:H с шириной оптиче­ской щели 1,8 эВ. В настоящее время принято считать, что широкозонный сплав a-Sii-xCx:H невозможно использовать в качестве i-слоя СЭ. Это связано с тем, что после длительного освещения светом в нем образуется очень высокая плотность дефектов. Применение же тонких слоев не позволяет эффективно поглощать свет. По этой причине для формирования широкозонного i-слоя в тройных СЭ используется a-Si:H с повышенным содержанием водорода, ко­торый осаждается при пониженных температурах 150-200 °С в условиях раз­бавления моносилана водородом.

Для серединного элемента в качестве слоя /-типа используется сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10—15 %. Ширина оптической щели данного слоя 1,6 эВ идеально подходит для поглощения зеленой области солнечного спектра.

Нижняя часть солнечного элемента впитывает длинноволновую часть спектра солнечного излучения (красная и инфракрасная), для этого ис­пользуется i-слой a-SiGe:H, где концентрация германия составляет от 40 до 50 % (ширина оптической щели ~1,4 эВ). Однако значительное увели­чение содержания Ge сопровождается ухудшением оптоэлектронных свойств полупроводника и приводит к уменьшению коэффициента формы и напряжения холостого хода. Эта проблема может быть решена за счет оптимизации процесса осаждения, нанесения a-SiGe:H при разбавлении рабочего газа водородом, а также формирования i-слоя с изменяющимся содержанием германия, а значит, и изменяющейся шириной щели под­вижности по толщине.

Следует отметить, что GeH4, используемый при получении a-SiGe:H, в несколько раз дороже моносилана и является токсичным веществом.

Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Использование прозрачного проводящего оксида в сочетании со слоем ме­талла увеличивает отражение от заднего электрода.

Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные р-«-переходы ме­жду соседними элементами. Электроны, генерируемые в верхнем элементе (см. рис. 7.7), движутся к р-«-переходу, где они рекомбинируют с дырками из нижележащего элемента. Когда скорость рекомбинации не сбалансирована с поступающим потоком носителей, происходит накопление объемного про­странственного заряда, который отрицательно влияет на электрическое поле прилегающего элемента с наибольшей скоростью генерации. Очень важно обеспечить низкое сопротивление этого р-«-перехода. Перспективным явля­ется использование слоев р - и «-типа на основе микрокристаллического кремния, поскольку он более эффективно легируется по сравнению с a-Si:H.

КПД каскадных солнечных фотоэлементов, изготовленных в различных лабораториях и фирмах, представлены в табл. 7.3 (начальный КПД — КПД СЭ сразу после изготовления, стабилизированный КПД — КПД СЭ после длительного освещения).

Деградация КПД каскадных СЭ составляет 10-20 %, в то время как у одинарных солнечных элементов — 20-40 % (см. табл. 7.3).

В каскадном солнечном фотоэлементе общий ток ограничивается ми­нимальным током, протекающим через один из элементов. В связи с этим необходимо согласовывать токи, протекающие через отдельные элементы, в точке максимальной мощности под освещением. Токи короткого замыкания каждого из элементов являются лишь первым приближением для такого со­гласования, так как необходимо учитывать соответствующие коэффициенты формы. В тройном солнечном элементе a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H наимень­ший коэффициент формы имеет нижний элемент на основе a-SiGe:H, а наи­больший — верхний на основе a-Si:H. Поэтому ток короткого замыкания нижнего элемента должен быть немного выше среднего, а среднего — не­много выше верхнего. В оптимизированных тройных солнечных фотоэле­ментах эта разница в обоих случаях составляет примерно 1 мА/см2. Такого согласования добиваются за счет подбора ширины оптической щели и толщины каждого из /-слоев. Рассогласование токов легко определятся по спектральному отклику каскадных СЭ. В случае хорошо согласованных то­ков спектральный отклик имеет плоский вид в широком спектральном диа­пазоне. Если один из элементов ограничивает общий ток, то спектральный отклик не имеет такого плоского вида и по существу является спектраль­ным откликом этого ограничивающего элемента.

В целом каскадные СЭ работают при больших напряжениях и мень­ших токах, чем одинарные солнечные элементы. Следствием меньших ра­бочих токов является уменьшение потерь на сопротивлениях.

Расчеты показывают, что максимальная величина КПД для одинарного СЭ на основе полупроводника с шириной оптической щели 1,7 эВ состав­ляет 22 %, для тандемного СЭ на основе полупроводников с шириной оп­тической щели 1,95 и 1,4 эВ — 29 %, для тройного СЭ на основе полупро­водников с шириной оптической щели 2,1, 1,7 и 1,25 эВ — 33 %.