Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Новые напр, в разработке солнечных элементов
391
;р.-. : -у p-AlxGai_x As (ю1В)
I
1,59эВ I
п Al0t146a.0(S6 As (lO17)
.1о,954эВ
I р-6а0<Б12^по,зв8 Оо )
Г
Р+ ^0,141 ^a0, В59 М
0,954эЕ
п-
Ступенчатое
LL3MBH0HLLB
Пойлотко. из n- GaAs
I ri-ULLfAi
ix__________
Рис. 8.12. Энергетическая зонная диаграмма идеализированного двухпереходного интегрального каскадного солнечного элемента на основе AlGaAs— GalnAs, оптимизированного для работы в условиях АМО [32]; около химических формул в скобках указаны значения концентрации носителей заряда
тегральные каскадные преобразователи, в состав которых вхо-дит более трех единичных элементов, окажутся эффективными с экономической точки зрения.
Проводятся теоретические и экспериментальные исследования возможности использования в каскадных солнечных эле* .ментах арсенида галлия и сплавов на его основе. Фрааз и Кнехтли [31] рассмотрели монолитную каскадную систему AlGaAs — GaAs — Ge с двумя переходами, расчетный КПД которой в условиях АМО составляет 25,6%. Фототоки, вырабатываемые в обоих элементах, в условиях АМО почти равны. Каскадная система с тремя переходами на основе материалов Ge — Gai_xInxAs — Ga!_xInxP — Cdi_xZn*S — ITO со значениями ширины запрещенной зоны, соответственно равными 0,66; 1,25; 1,77; 2,8 и 3,1 эВ, имеет в условиях AM 1,5 теоретический КПД 33%. При 300-кратной интенсивности излучения в условиях АМ1,5 КПД этой системы, согласно расчетам, равен 40 %.
Ламорт и Аббот [23, 32] провели теоретическую оптимизацию конструкции двухпереходного каскадного солнечного элемента на основе AlGaAs — GalnAs, предназначенного для работы в условиях АМО и АМ1,5 при температуре 290 К. На рис. 8.12 приведена энергетическая зонная диаграмма этого
(см~3).
392
Глава 8
элемента. Он состоит из широкозонного (AlGaAs) и узкозонного (GalnAs) материалов, соединенных туннельным диодом п+ — р+-типа, представляющим собой часть монолитной структуры. В условиях АМО КПД солнечного элемента превышает 30%. Характеристики каскадного солнечного элемента такой структуры изучались в диапазоне спектров солнечного излучения от АМО до АМ5 при коэффициенте концентрации 103 и температуре, изменяющейся в пределах 290.. .600 К. Результаты этих исследований показывают, что оптимальные значения параметров широкозонного элемента в условиях АМО и АМ1,5 несколько отличаются друг от друга, в то время как оптимальные параметры узкозонного элемента одинаковы. Установлено, что теоретический КПД каскадного солнечного элемента повышается с ростом интенсивности излучения и при коэффициенте концентрации, равном 103, достигает 40%.
Экспериментальные исследования интегральных каскадных солнечных элементов были проведены для системы AlGaAs — GaAs с двумя переходами, изготовленной методом жидкофазной эпитаксии на подложке из GaAs [33]. Два элемента соединены внутри структуры последовательно с помощью р+ — п+-перехода, обладающего низким сопротивлением. При однократной интенсивности излучения Voc~ 2,0 В. КПД лучших элементов приближается к 9% при 7SC~ 7 мА/см2 и FF = 0,7.. .0,8. Причиной малых значений плотности тока короткого замыкания и КПД являются неоптимальные значения ширины запрещенной зоны и толщины слоев, а также отсутствие слоя оптического окна на верхнем элементе.
Каскадный солнечный элемент усовершенствованной конструкции, на основе AlGaAs — GaAs [34] имеет значения Jsc в интервале 10. ..13 мА/см2 (без просветляющего покрытия), при этом V0c=l,5...2,15 В и FF = 0,72.. .0,84, что обеспечивает КПД 10. ..15% и 12. ..16% в условиях АМО и АМ1,5 соответственно. Высокое сопротивление контактной сетки, расположенной на лицевой поверхности широкозонного оптического окна из AlGaAs, приводит к малым значениям коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики. В результате усовершенствования лицевого контакта путем введения тонкого слоя p+-GaAs между металлом и слоем окна величина, равная произведению последовательного сопротивления элемента на его площадь, R^A, уменьшилась с 0,2 Ом-см2 примерно до 5‘10_3 Ом* см2. Осаждение методом электронно-лучевого испарения многослойной контактной структуры Mg — Ti — Pd — Ag — А1 непосредственно на поверхность AlGaAs, проведенное после серии операций травления и окисления, позволило уменьшить RSA до значений —1-10-2 Ом • см2. При нанесении двухслойного просветляющего покрытия, состоящего из пленки Та2Ок толщиной 56 нм и пленки Si02 толщиной 80. ..100' нм,
Новые напр, в разработке солнечных элементов
393
Рис. 8.13. Спектральные зависимости чувствительности — отношения генерируемого тока / (А) к мощности падающего излучения Р (Вт) — интегрального каскадного солнечного элемента со структурой GaAlAs—GaAs [34]. Кривые 1 и 2 характеризуют чувствительность единичных элементов, изготовленных соответственно из GaAlAs и GaAs при наличии просветляющего покрытия, состоящего из пленок Та205 толщиной 56 нм и Si02 толщи» ной 120 нм; кривые Г и 2' — аналогичные зависимости до нанесения просветляющего покрытия.
обычно наблюдалось увеличение 7SC каскадного солнечного элемента на 30%, при этом отдельные элементы имели согласованные токи. Спектральные зависимости чувствительности интегрального каскадного солнечного элемента на основе GaAlAs — GaAs при наличии и отсутствии просветляющего покрытия показаны на рис. 8.13.
