Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Ясно, что люминофор должен обладать высоким коэффициентом поглощения в коротковолновой области спектра, высоким квантовым выходом люминесценции, большой величиной стоксова сдвига при низкой степени перекрывания спектров
Таблица 8.2. Оптическая эффективность покрытий из люминофоров (пластмассы и рубина)
Часть светового потока Параметр Оптическая эффективность, %
Пластмасса Рубин
Не поглощаемая лю- Потери на отражение 5 . . .10
минофором Общая эффективность 90 . . . 95
Поглощаемая люми- Потери на отражение 4 7,6
нофором Потери излучения, выходящего наружу через внешнюю поверхность 12,2 8,2
Потери вследствие перекрывания спектров 5 0
Квантовый выход люминесценции 70 ... 90 100
Общая эффективность 56 ... 72 85
Новые напр, в разработке солнечных элементов
381
поглощения и излучения и высокой оптической эффективностью.
Рассмотрим два вида люминофоров: пластмассу, активированную органическими красителями, и кристаллы рубина. При одинаковой оптической плотности пластин люминофора лучшие результаты получены для тонких пластин с повышенной концентрацией активатора, так как при уменьшении толщины пластины снижаются потери излучения, выходящего наружу через ее боковые поверхности. Пластмассы имеют небольшую величину стоксова сдвига и могут успешно применяться в сочетании с солнечными элементами на основе GaAlAs — GaAs, Cu2S — CdS и из аморфного кремния, имеющими резкий край чувствительности.
Солнечные элементы на ос-
Л,мкм
d
X
Рис. 8.6. Спектральные зависимости интенсивности люминесценции Н (1) и коэффициента поглощения а (2) рубрена, а также коэффициента собирания носителей Q в тыльно-барьерном солнечном элементе на основе Cu2S — CdS при отсутствии (3) и наличии (4) люминесцентного покрытия, активированного рубреном [17].
нове GaAlAs со слоем люминофора марки Roehm — Haas 2154 обладают повышенной спектральной чувствительностью в области высоких энергий фотонов, и их КПД возрастает с 14 до 15%, а в некоторых случаях—с 11,5 до 13,5% [17]. Применение покрытия Roehm — Haas 2154 в солнечных элементах из аморфного кремния с р — i — м-структурой приводит к значительному повышению чувствительности в области высоких энергий фотонов, однако максимальное значение спектральной чувствительности при этом снижается и КПД в условиях АМО существенно не изменяется. Спектральные зависимости чувствительности тыльнобарьерного солнечного элемента со структурой Cu2S — CdS на кварцевой подложке, покрытой слоем Cd2Sn04, при отсутствии и наличии люминесцентного покрытия, активированного рубреном, приведены на рис. 8.6. Люминесцентное покрытие значительно повышает чувствительность элементов при высоких энергиях фотонов, не оказывая отрицательного влияния на чувствительность в низкоэнергетической области. Хотя, как показано на рис. 8.6, для рубрена характерен стоксов сдвиг относительно небольшой величины, положение максимума излучательной способности почти точно совпадает с положением максимума спектральной чувствительности элемента, что приводит к увеличению КПД в условиях АМО с 3 до 3,5 %.
382
Глава 8
Спектральная зависимость чувствительности кремниевого солнечного элемента с покрытием из рубина (см. рис. 8.5) при энергии 2,2 эВ имеет локальный минимум, обусловленный полосой поглощения рубина. Снижение чувствительности при низких энергиях фотонов связано с потерями света на отражение вследствие того, что параметры слоев, входящих в данную структуру, не оптимальны. В высокоэнергетической области спектра чувствительность значительно повышается, а при согласовании показателей преломления системы рубиновое покрытие— солнечный элемент КПД в условиях АМО, по-видимому, увеличится на 1.. .2 %.
При использовании люминесцентного покрытия из рубина КПД солнечных элементов на основе GaAs с диффузионным переходом повышается с 9 до 9,3%. Устранение потерь излучения на отражение должно способствовать еще большему повышению КПД.
8.4 Каскадные солнечные элементы со сверхвысоким КПД
В обычных солнечных элементах на основе одного полупроводникового материала полезно используется только часть энергии падающего солнечного излучения. Кроме того, напряжение холостого хода таких элементов не может превысить ширину запрещенной зоны полупроводника (в случае гетероперехода — ширину запрещенной зоны узкозонного полупроводника). Эти два эффекта приводят к большим внутренним потерям энергии в обычных элементах, и их КПД при оптимальной ширине запрещенной зоны ограничен значением —25%. В каскадных солнечных элементах [18—35] предусматривается использование не менее двух элементов из различных полупроводниковых материалов с соответствующим образом подобранными значениями ширины запрещенной зоны, которые при последовательном соединении обеспечивают высокое напряжение холостого хода. Применение полупроводников с запрещенными зонами, значительно отличающимися по ширине, спосЬбствует более эффективному использованию солнечного излучения и уменьшению внутренних потерь энергии. При правильном выборе материалов каскадные солнечные элементы могут иметь очень высокий общий КПД (более 30 %).
