НАПІВПРОВІДНИКОВА ЕЛЕКТРОНІКА Лекція 1 7 Сонячні елементи

національного університету імені Тараса Шевченка

для супутників і космічних кораблів при довготривалих польотах. Вони успішно

використовуються також на Землі. У зв’язку зі збільшенням споживання енергії в усьому світі запаси звичайних джерел енергії (різні виду палива, що добувається) мають вичерпатись в не дуже віддаленому майбутьньому. Тому необхідно розробляти і використовувати альтернативні джерела енергії, і особливо наше єдине практично невичерпне джерело енергії – Сонце. Вважається, що основним поставщиком сонячної енергії будуть сонячні батареї, оскільки вони перетворюють сонячне світло безпосередньо в електрику з високим коефіцієнтом перетворення, створюють майже постійну потужність при низьких експлуатаційних затратах і фактично не забруднюють оточуюче середовище. В даний час спостерігається розширення досліджень і розробок дешевих плоскопанельних, а також тонкоплівкових сонячних батарей, систем концентраторів і багато нових ідей. Слід очікувати, що в ближньому майбутньому вартість окремого сонячного елемента і комплектуючих на його основі сонячних батарей знизиться настільки, що виявиться економічно вигідним використання сонячної енергії у великих масштабах.

Джерелом енергії сонячного випромінювання служить термоядерна реакція. Кожну секунду приблизно 61011 кг H2 перетворюється в He. Дефект маси при цьому складає 4103 кг, що приводить у відповідності до рівняння Ейнштейна E=mc2 до виділення енергії, що рівна 41020 Дж. Основна частина цієї енергії випромінюється у виді електромагнітного випромінювання в діапазоні від ультрафіолетового до інфрачервоного (0,2-3 мкм).

що повинно забезпечити його досить стабільне існування приблизно з постійним

виділенням енергії протягом понад 10 млрд (1010) років.

Інтенсивність сонячного випромінювання у вільному просторі на відстані рівній середній відстані між землею і Сонцем називається сонячною постійною. ЇЇ величина рівна 1353 Вт/м2. При проходженні черех атмосферу сонячне світло ослаблюється в основному завдяки поглинанню інфрачервоного випромінювання парами води, поглинанню ультрафіолетового випромінювання озоном і розсіювання випромінювання частинками пилу і аерозолями, що знаходяться у повітрі. Показник атмосферного впливу на інтенсивність сонячного випромінювання, що доходить до земної поверхні, визначається «повітряною масою» (АМ) Величина останьої рівна секансу кута між Сонцем і зенітом (sec).

АМ0 =1353 Вт/м2 – нульова повітряна маса (за межами земної атмосфери;
АМ1 = 925 Вт/м2 – розподіл інтенсивності сонячного випромінювання на поверхні Землі, коли Сонце стоїть в зеніті;
АМ1,5 = 844 Вт/м2 – реалізується при куті =450.
АМ2 = 691 Вт/м2 – реалізується при куті =600.

Середня інтенсивність випромінювання на Землі приблизно співпадає з інтенсивністю випромінювання, що пройшло через повітряну масу рівну 1,5.

розподіл потоку фотонів, що поступають від Сонця в умовах АМ0

і АМ1,5.

Для переводу довжини хвилі (мкм) в енергію фотона (еВ) використовується співвідношення

через області рівного опроміненняю Цифрами позначено річна кількість в сотнях

світлових годин.

при сонячному освітленні (а) і ідеалізована еквівалентна схема сонячного елемента

(б).

Звичайний сонячний елемент (наприклад, p-n перехід) має лише одну характерну енергію – ширину забороненої зони Eg. Коли на елемент падає сонячне світло, фотони з енергією меншою Eg, не дають вкладу у вихідну потужністьелемента (при нехтуванні поглинання світла, що супроводжується збудженням фононів). Кожний фонон з енергією більшою Eg дає вклад рівний Eg у вихідну потужність, а решта енергії фотона переходить у тепло. Для того, щоб визначити ефективність (або ідеальний ККД) перетворення, розглянемо діаграму енергетичних зон p-n переходу, який освітлюється. Допускаємо,що сонячний елемент має ідеальну вольт-амперну характеристику.

IL- джерело постійного струму, що описує збудження нерівноважних носіїв сонячним випромінюванням; Is- струм насичення діода; RL -нагрузочний опір.

А – площа приладу.
Параметри: IL=100 мА, Is=1 нА, А=4 см2,

T=300 К.

Оскільки вольт-амперна характеристика проходить черех четвертий квадрант, це значить, що прилад служить джерелом енергії. При відповідному підборі нагрузочного опору енергія, що випробляється може досягати 80% добутку IкзVхх (Iкз- струм короткого замикання, Vхх- напруга холостого ходу елементів).
Im і Vm - значення струму і напруги, при яких реалізується максимальна вихідна потужність Pm (Pm=ImVm).

при заданому струмі IL напруга холостого ходу логарифмічно зростає при

зменшенні струму насичення.
Вихідна потужність рівна

Умову максимума потужності отримаємо, припустивши dP/dV=0, звідки маємо

де =q/kT. Максимальна вихідна потужність визначається виразом

Величина Em відповідає тій максимальній енергії, яка виділяється на нагрузці при поглинанні одного фотона і при оптимальному узгодженні елемента з зовнішньою ланкою.

А/см2. Густину струму короткого замикання Jкз рівну JL можна отримати

з виразу

Якщо значення Js і JL відомі, величину Em можна отримати за допомогою чисельного рішення трансцендентних рівнянь. Оскільки величина Em залежить від Js, вона залежить також від параметрів матеріалу (таких, як , D і рівнів легування). Ідеальна ефективність перетворення реалізується при оптимальному виборі параметрів матеріалу, коли величина Js мінімальна.
Ідеальна ефективність перетворення дорівнює відношенню максимальної вихідної потужності до зовнішньої потужності (потужності падаючого випромінювання)

Максимальна ефективність виявляється рівною 31 % і досягається при Eg=1,35 еВ, якщо використовувати параметри матеріалу, характерного для напівпровідників типу А3В5.

і при 1000-кратній концентрації сонячного випромінювання (Е=300 К).
Всі напівпровідники, які

мають ширину забороненої зони від 1 до 2 еВ, відносяться до матеріалів, які придатні для створення сонячних елементів.

Максимум ідеальної ефективності перетворення зростає з 31 % (при С=1) до 37% (при С=1000). Це зростання пов’язано в основному зі збільшенням Vxx, яке приводить до збільшення Em.

сонячного випромінювання і графічний метод визначення ККД в каскадних сонячних

елементах з послідовно з’єднаними p-n - переходами.

Для двох послідовних p-n переходів максимально можливий ККД досягає 50% і реалізується при Eg1=1,56 еВ і Eg2=0,94 еВ. Для трьох переходів ККД досягає 56% при Eg1=1,75 еВ, Eg2=1,18 еВ і Eg3=0,75 еВ. При подальшому збільшенні кількості переходів ККД росте дуже повільно: так, при 36 переходах максимум ККД дорівнює 72%.

В наземних умовах можна застосовувати як плоскі сонячні батареї, так і системи сонячних батарей з концентраторами. При цьому поряд з проблемами підвищення ефективності перетворення і надійності елемента на першому плані виникає проблема зниження його вартості, оскільки необхідно, щоб наземні сонячні системи виявились в решті-решт конкурентноспроможними з іншими джерелами енергії.

з p-n - переходом. а- вид зверху; б- вид збоку.
Залежність

швидкості генерації електронно-діркових пар від відстані від поверхні для довгохвильового і короткохвильового світла (а), розміри сонячного елемента і характерні довжини дифузії неосновних носіїв (б), а також профіль легування сонячного елемента, який допускається (в).

В цій області електричне поле настільки велике, що електрони і

дірки, які зявились під дією світла, виносяться зі збідненого шару ще до того, як встигають рекомбінувати між собою. Тому фотострум збідненого шару в одиничному спектральному інтервалі дорівнює кількості фотонів, що поглинулись в цьому шарі за одиницю часу:

Загальний струм, що виникає при поглинанні світла з заданою довжиною хвилі дорівнює сумі складових:

Спектральний відгук SR дорівнює величині цієї суми поділеної на qF, якщо мова йде про спостерігаємий (зовнішній) відгук, або поділений на величину qF(1-R), якщо мова йде про внутрішній спектральний відгук:

Ідеальний внутрішній спектральний відгук для напівпровідника з шириною забороненої зони Eg є сходинка: він дорівнює 0 при h

базою (а) (окремо наведені вклади кожної з трьох областей) і

той же розрахований відгук з p - базою при різних швидкостях поверхневої рекомбінації (б).

При поглинання світла з низькими енергіями основна доля носіїв генерується в базовій області, оскільки коефіцієнт поглинання в Si при цьому малий. Якщо енергія фотонів перевищує 2,5 еВ, основний вклад в фотострум вносить лицевий шар. При енергіях фотонів більше 3,5 еВ коефіцієнт поглинання перевищує 106 см-1, і спектральний відгук повністю визначається лицевим шаром Оскільки величина Sp допускається достатньо великою, поверхнева рекомбінація на лицевій стороні елементу приводить до значного зменшення спектрального відгуку в порівнянні з ідеальним значенням. Швидкість поверхневої рекомбінації Sp сильно впливає на спектральний відгук, особливо при високих енергіях фотонів.

хвиль, що використовується, слід зменшувати Sn і Sp і збільшувати

Ln і Lp.

Якщо спектральний відгук відомий, повна густина фотоструму, що протікає при опроміненні сонячного елемента світлом зі мпектральним розподілом F() , рівна

де m – червона границя поглинання, яка визначається шириною забороненої зони напівпровідника. Для отримання максимального значення JL слід зменшити R() і збільшити SR в усьому діапазоні довжин хвиль 0<<m.

і паралельного опорів. На вставці показана еквівалентна схема.
Вольт-амперна характеристика реального

сонячного елемента задовільняє рівнянню:

Струм в зовнішній ланці і вихідна потужність визначається виразами

0,15 при Rs, що дорівнює 0; 1; 2; 5; і

10 Ом.

Послідовний опір сонячного елемента залежитьвід глибини залягання перехода, концентрації домішок в n і p–областях і від конструкції лицевого омічного контакта. Для типового кремнієвого сонячного елемента послідовний опір становить 0,7 Ом для елементів з p–базою і 0,4 Ом для елементів з n- базою. Ця різниця в величинах опору обумовлено в основному відносно низьким опором підкладок n -типу.

Можна визначити фактор заповнення FF:

Ефективність перетворення (ККД) елемента рівна

Для отримання максимального ККД слід максимізувати всі три співмножники в чисельнику в правій частині виразу.

сонячний елемент площею 2 см2 має напругу холостого ходу лише

0,5-0,6 В і струм короткого замикання від 30 до 60 мА, послідовно-паралельне з’єднання таких елементів у велику батарею дозволяє підвести до нагрузки значно більші напруги і струми.

p-n - переходами на Si і GaAs при ідеальному (суцільні

лінії) і рекомбінаційному (штрихові лінії) струмах переходу.

При збільшенні температури дифузійні довжини в Si і GaAs зростають, оскільки коефіцієнт дифузії не змінюється або росте, а час життя неосновних носіїв зростає при підвищенні температури. Збільшення дифузійної довжини неосновних носіїв приводить до збільшення JL. Однак величина Vxx при цьому зменшується швидше за рахунок експоненційної залежності струму насичення від температури. Крім того, більш плавна форма вольт-амперної характеристики при підвищених температурах приводить до зменшення фактору заповнення. Тому в цілому підвищення температури приводить до зменшення ефективності перетворення.

життя надлишкових неосновних носіїв при опроміненні напівпровідника частинками високих енергій

змінюється за законом

де 0 - вихідний час життя, K’ - постійна,  - доза радіації. З цього виразу слідує, що швидкість рекомбінації неосновних носіїв пропорційна вихідній концентрації рекомбінаційних центрів і їх концентрації, що вводиться в напівпровідник в процесі опромінення, причому остання концентрація пропорційна дозі частинок, що падають на напівпровідник. Оскільки довжина дифузії рівна D , а D слабо залежить від опромінення (або від рівня легування), можна записати

де L0 - вихідна дифузійна довжина і K=K’/D.

Залежність дифузійної довжини неосновних носіїв від дози опромінення електронами з енергією 1 МеВ.

елементів з n - базою.
Для підвищення радіаційної стійкості в сонячні

елементи вводиться літій, який легко дифундує і утворює комплекси з радіаційними точковими дефектами. Вочевидь Li нейтралізує дефекти і перешкоджає деградації часу життя. Для зниження кількості частинок високих енергій, що досягають елемента в космічному просторі, перед лицевою поверхнею елемента завжди повинне розміщуватись захисне покриття (наприклад, надтонка бумага, що містить церій).

тилової поверхні.
Сонячний елемент з бар’єром поблизу тилової поверхні (БТП) має

суттєво більшу вихідну напругу, ніж звичайні елементи. Елемент з БТП еквівалентний звичайному елементу з товщиною напівпровідника xj+W+Wp і дуже малою швидкістю поверхневої рекомбінації поблизу тилової поверхні (Sn<100 см/с). Зменшення Sn приводить до збільшення спектрального відгуку для фотонів з малими енергіями, а відповідно, і до зростання густини струму короткого замикання.

В фіолетовій ділянці спектру відгук «фіолетового» елемента значно перевищує відгук

звичайного елемента.

Для створення «фіолетових» елементів використовують понижену концентрацію легуючої домішки поблизу лицевої поверхні і меншу глибину залягання переходу. При цьому завдяки підвищенню часу життя неосновних носіїв поблизу лицевої поверхні і відносно вузькому лицевому легуваному шару спектральний відгук для високоенергетичних фотонів сильно зростає.