Солнечные элементы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Еще много непредвиденных трудностей, возникающих в ходе создания, усовершенствования и испытаний новых типов солнечных элементов в космосе и на Земле, предстоит преодолеть разработчикам.

Выяснилось, например, что атомарный кислород, существующий в околоземном космическом пространстве, активно разрушает каптоновую полимерную пленку, на которой укрепляются солнечные батареи большинства американских космических аппаратов, а электрические разряды, возникающие вследствие значительной разности потенциалов между накапливающими поверхностный заряд диэлектрическими покрытиями верхней и тыльной сторон элементов, могут привести к выходу из строя части батарей.

Правда, пути решения этих проблем уже намечены: следует, вероятно, заменить полимерную основу несущих панелей на стеклоткань; поверхностные же заряды с диэлектрических покрытий будут удаляться, если в состав полимеров или стекла ввести компоненты, несколько увеличивающие объемную проводимость, а на их внутреннюю и внешнюю стороны предварительно нанести прозрачные проводящие слои оксидов индия, олова или их смеси, причем эти слои должны быть электрически соединены между собой и с корпусом аппарата.

Прозрачные проводящие оксиды индия и олова представляют собой широкозонные полупроводниковые соединения, весьма подходящие для создания фотоактивных оптических окон в солнечных элементах на основе гетероструктур, и их применение в новых конструкциях солнечных элементов из кремния, фосфида индия, аморфного кремния становится все более распространенным. КПД солнечных элементов на основе гетероструктуры, образованной слоем из смеси оксидов олова и индия и монокристаллом фосфида индия, уже сейчас превысил 16 %, причем эти элементы отличает высокая стойкость к радиации и сравнительная простота в изготовлении.

На научных совещаниях советских специалистов, на встрече ученых стран СЭВ в Ашхабаде в сентябре 1986 г. на 17-й и 18-й конференциях по фотоэлектрическому методу преобразования солнечной энергии в США, в статьях, опубликованных в 1985–1987 гг., показано, что в этой новой, активно развивающейся области науки и техники получены значительные теоретические и практические результаты.

Предложены, в частности, солнечные элементы со сверхрешетками, образованные тончайшими чередующимися эпитаксиальными слоями на основе арсенида галлия и твердых растворов алюминий — галлий-мышьяк, галлий — индий — мышьяк и галлий — сурьма — мышьяк. Кроме высокого КПД, предложенные элементы отличает исключительная стойкость к радиации, ибо практически полное собирание неосновных носителей заряда происходит в них, даже если диффузионная длина носителей заряда после воздействия радиации составляет всего 300–500 А.

Получены дешевые солнечные элементы из ленточного кремния и кремния, изготовленного методом литья, с диффузионным переходом и тыльным барьером, созданными путем впекания печатных паст и легирования из растворных композиций. КПД таких элементов достиг 16–17 %.

Разработаны и испытаны самые различные каскадные элементы, в том числе полученные из многослойных тонкопленочных структур на основе аморфного кремния, для которых намечено получить в 1988 г. КПД, равный 18 %.

На практике достигнут КПД 11 %, для тонкопленочных элементов из халькогенидов меди и кадмия. Подобные элементы изготавливаются на основе тонкопленочной структуры CdZnS-GuInSe₂, что позволяет использовать для эффективного собирания носителей заряда переменную по глубине ширину запрещенной зоны в первом из этих материалов.

Наиболее интересными результатами научных разработок последних лет несомненно являются новые конструкции солнечных элементов из монокристаллического кремния, ветерана солнечной фотоэнергетики. КПД кремниевых элементов новой конструкции (при измерении в условиях наземного солнечного спектра AM1,5 с плотностью однократного потока 1000 Вт/м² и при высоких степенях концентрации солнечного потока вплоть до 500) превысил в эксперименте 19 %, а для одной из этих конструкций достиг 22,4 %!

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.