p3 / НЕ 1.7. Лекця 7а. Конструкця сонячних елементв батарей

НЕ 1. . Лекція 7.

Тема лекційного матеріалу:

Конструкція сонячних елементів і батарей та оптимальний матеріал для сонячних елементів

План лекційного матеріалу:

1. Залежність процесів в сонячному елементі, при перетворенні оптичного випромінювання у електроенергію, від властивостей матеріалу та характеристик р-п-переходу

2. Планарна конструкція сонячного елемента

3. Конструкція зовнішньої та базової області напівпровідникового матеріалу

4. Вплив термообробки на дифузійну довжину неосновних носіїв заряду

5. Оптимальний напівпровідниковий матеріал для виготовлення СЕ

Із розгляду основних процесів, що відбуваються всередині сонячного елементу, при перетворенні оптичного випромінювання у електроенергію, стає зрозумілим, що ефективність кожного із них залежить від оптичних та електрофізичних властивостей напівпровідникового матеріалу (відбивання від поверхні, квантовий вихід фотоіонізації, дифузійна довжина неосновних носіїв струму, спектральне положення основної полоси поглинання), від характеристик р-п-переходу (механізму протікання зворотного струму в ньому, висоти потенціального бар’єру, ширини області об’ємного заряду) , від так званого геометричного фактору ( співвідношення між дифузійною довжиною носіїв заряду та глибиною залягання р-п-переходу), а також від ступеня легування областей напівпровідника з обох сторін р-п-переходу.

Крім того, як було вже показано, великий вплив на форму ВАХ і вихідну потужність СЕ має послідовний опір елемента, що залежить, у свою чергу, від опору, товщини і ступеня легування обох областей напівпровідника, а також від форми і місця розміщення струмовідвідних контактів.

Бажання узгодити інколи взаємовиключні вимоги та знайти оптимальне компромісне технічне рішення привело розробників до вибору планарної конструкції сонячного елемента як основної. Доповнена деякими нововведеннями (введення тягнучих полів, ізотипного бар’єру з тилового боку, заміна суцільного тилового контакту на сітковий, текстурування поверхні напівпровідника і використання покриттів, нанесення відбиваючого шару на тиловий контакт) ця конструкція залишається вже багато років без змін, у всякому випадку для СЕ на монокристалічному кремнію з гомогенним р-п-переходом, що займають головну роль у використанні як при космічних, так і у наземних умовах.

Використання радіаційно-захисних, теплорегулюючих і просвітлюючи покриттів, нанесених на світлосприймаючу поверхню сонячних елементів дозволило збільшити кількість світла, що проходить вглиб напівпровідника, зменшити шляхом випромінення надлишкового тепла, яке виникає в сонячному елементі при його роботі та захистити елементи від впливу корпускулярної радіації в космосі і від несприятливих кліматичних факторів на Землі.

Зовнішню напівпровідникову область кремнієвого сонячного елемента, повернуту до падаючого оптичного випромінювання, виконують дуже тонкою та сильно легованою (до 10²⁰- 10²¹ см^-3 атомів домішки), наприклад, атомами фосфору, які створюють п-тип провідності. Базову область наівпровідникового матеріалу р-типу, як правило, легують порівняно слабо – до концентрації атомів домішки 10¹⁶- 10¹⁷ см^-3, наприклад бором. Зовнішню поверхню СЕ покривають сіткою із струмовідвідних смужок(стрічок) різноманітної конфігурації, які займають 5-7% від площі елемента. На тиловій стороні створюють суцільний або сітковий контакт.

Розділені полем р-п-переходу неосновні носії заряду повинні попасти до зовнішнього кола(до навантаження). У верхній п-області напівпровідника, що повернута до світла, надлишкові неосновні носії заряду переміщуються вздовж шару, а у базовій області р-типу – поперек шару.(рис.2.6,а). Дифузійна довжина неосновних носіїв у сильнолегованому верхньому шарі п-типу досягає 0,2-0,6 мкм, а в базовому шарі -- 100-200 мкм, що залежить від від концентрації домішки і режиму термообробки (число термоциклів, швидкість нагріву та охолодження, максимальна температура ) при одержанні вихідного матеріалу і виготовлення на ньому у подальшому СЕ(наприклад, при термодифузії легуючих домішок та операціях нанесення і зміцнення протсвіляючих покриттів). Вплив термообробки на дифузійну довжину неосновних носіїв заряду напівпровідникових матеріалів, що використовуються для СЕ, достатньо обширно у науковому співтоваристві. Тому лише відмітимо, що внаслідок багато численних термообробок, яким піддаються шари напівпровідника на різних технологічних етапах виготовлення СЕ, і введення при цьому небажаних домішок і центрів рекомбінації багато оптичних і електрофізичних параметрів матеріалу починають змінюватися і відхиляються від вихідних значень. Враховуючи це параметри напівпровідників краще всього визначати у кінці технологічного циклу. Зазвичай це роблять через розрахунок на основі вихідних характеристик сонячних елементів – таких, як ВАХ або спектральна чутливість, а також за іншими, більш специфічними характеристиками, наприклад, за вольт-ємнісною або люкс-амперною. Такі характеристики, здебільшого, знімаються у тому випадку, якщо СЕ використовуються у системах автоматики та оптоелектронних пристроях, де важливу роль відіграє швидкодія та лінійність характеристик при різних рівнях освітленості.

Мала дифузійна довжина в легованому шарі вимагає необхідність мілкого залягання р-п-переходу ( у сучасних серійних СЕ- 0,3-0,6 мкм). При цьому, щоб забезпечити поглинання всіх падаючих фотонів сонячного випромінювання з енергією hν >Eg , товщина базової області повинна бути не меншою за 200 мкм. Опір базової області невеликий – струм протікає поперек шару достатньо великого перерізу до вплавленого в кремній у інертній атмосфері при температурі 750-800⁰С суцільного або сіткового базового контакту, перший шар якого(для зменшення перехідного опору метал-кремній р-типу) часто виконують із алюмінію, який є домішкою р-типу. В подальшому шар алюмінію перекривається плівками титану, паладію, срібла або нікелю і шаром припою з олова і свинцю.

Високий шаровий опір верхнього легованого шару кремнію п-типу, що складає, як правило, від 50 до 100 Ом/□ долається створенням на зовнішній поверхні густої металізованої сітки струмовідвідних контактів із тих же матеріалів, що і тиловий контакт. Конфігурацію такої контактної сітки можна розрахувати за відповідними співвідношеннями. При цьому дуже важливим є забезпечення хорошого омічного контакту, який б не пробивав надзвичайно тонкий легований шар. Для цього розроблені спеціальні технологічні прийоми та пристрої.

На даний час запропоновані ряд нових матеріалів для створення контактів до легованих шарів малої товщини, зокрема із нітридів титану, які у сполученні з кремнієм володіють надзвичайно малим перехідним опором.

Оптимальний напівпровідниковий матеріал для виготовлення СЕ

Сонячним елементом з р-п-переходом в гомогенному напівпровіднику називають елемент із однорідного напівпровідникового матеріалу, основні оптичні і електричні властивості якого однакові для всього об’єму( наприклад, ширина забороненої зони).

Структури і сонячні елементи на їх основі називаються варі зонними якщо ширина забороненої зони змінюється, наприклад, спадає від поверхні в глиб кристалу за рахунок плавної зміни хімічного складу матеріалу і на деякій глибині розташований р-п-перехід. При чому він може знаходитися на межі двох шарів із напівпровідників з різною шириною забороненої зони( так званим гетеропереходом), або у одному з них, здебільшого у нижньому шарі із напівпровідника з меншою шириною забороненої зони. В цьому випадку верхній шар широкозонного матеріалу виконує лише роль оптичного вікна, що пропускає світло до р-п-переходу. А межа між вузькозонним і широкозонним матеріалом, за умови наближеної рівності їх параметрів решіток, володіє низькою швидкістю рекомбінації носіїв заряду.

Оскільки у сонячних елементах з р-п-переходом в гетероструктурах рекомбінація на верхній межі виявляється різко зменшеною, то ефективність збирання носіїв( особливо у короткохвильовій області спектру) зростає і ККД таких елементів досягає достатньо високих значень.

Як показали дослідження для створення СЕ необхідно вибирати напівпровідник із шириною забороненої зони, яка б була меншою за енергію фотонів, що відповідають максимуму сонячного спектру, тобто 2 еВ, що приводить до збільшення числа фото активних квантів сонячного спектру і зростання І_к.з. елементів, однак генерована ними фотоерс при цьому дещо знижується через зменшення висоти потенціального бар’єру.

Детальний аналіз ВАХ і спектральної чутливості для різних матеріалів дозволив встановити деякі закономірності для залежності ККД від Е_g намітити шляхи розвитку розробок СЕ на інших напівпровідникових матеріалах, а не лише на кремнію. Найбільш підходящими для отримання максимального ККД виявилися напівпровідники із Е_g в інтервалі 1.1- 1.6 еВ.