Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
см-3, их заполнение не приводит к существенным изменениям распределения
электрического поля в полупроводнике. Следующее условие, которое также
должно выполняться, состоит в том, чтобы плотность тока, ограниченного
пространственным зарядом, превышала 100 мА/см2, т. е. была существенно
выше
434
Глава 14
плотности тока короткого замыкания при солнечном освещении. Из этого
условия следует, что при толщине полупроводника 0,1 мкм допустима
концентрация ловушек также ~ 1017 см-3.
Электрическое поле должно быть настолько большим, чтобы время пролета
L!jxcf, за которое электроны и дырки уходят из полупроводника, было
меньше рекомбинационного времени жизни (ntvoyx, где а - сечение захвата -
10"14 см2 и v - тепловая скорость ~Л07 см/с. Это условие удовлетворяется,
если
|i > п-~1 ¦ = ntvaqL2/Eg са 1 см2/В-с. (49)
Выполнение соотношения (49) вполне реально.
Таким образом, из приведенного обсуждения следует, что высокоэффективные
солнечные элементы можно создавать из полупроводников с очень высокой
плотностью дефектов, если полупроводниковые пленки достаточно тонкие,
имеют высокий коэффициент поглощения вблизи края фундаментального
поглощения и в них достигаются требуемые значения подвижности.
14.5. КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ СВЕТА
Используя зеркала и линзы, можно фокусировать солнечный свет. Оптическое
концентрирование излучения представляет собой весьма привлекательный и
удобный способ снижения высокой стоимости солнечных элементов, поскольку
при этом большая часть площади солнечного элемента заменяется
поверхностью концентратора. Кроме того, имеются и другие достоинства: 1)
возрастает к. п. д. элемента (см. рис. 7); 2) появляется возможность
создания гибридных систем, которые одновременно вырабатывают
электрическую энергию и тепло; 3) ослабляется зависимость эффективности
работы элемента от температуры окружающей среды.
На рис. 37, а показана стандартная плоско-выпуклая линза, а на рис. 37, б
- эквивалентная ей линза Френеля. В концентрирующем модуле,
обеспечивающем 500-1000-кратную концентрацию солнечного света (рис. 37,
в), солнечный свет, отраженный первым зеркалом, попадает на второе
зеркало, которое фокусирует его на солнечном элементе, расположенном в
блоке с водяным охлаждением. Экспериментальные результаты, полученные с
помощью кремниевого солнечного элемента с вертикальными переходами (рис.
21), смонтированного в концентраторе (рис. 37, в), приведены на рис. 38
[26, 44]. Видно, что рабочие характеристики прибора улучшаются при
увеличении интенсивности излучения от эквивалентной 1 солнцу до
интенсивности, эквивалентной 1000 солнц. Ток короткого замыкания
возрастает линейно с увеличением концентрации излучения. Напряжение
холостого хода
Солнечные батареи
435
Рис. 37. Концентраторы солнечного света.
а обычная линза; б - линза Френеля; в - типичный концентрирующий модуль.
*.0,60 |1^ % ^
& 24
Фактор заполнения
Измеренное значение ij
*4
: -I
10s\
10* -ю1 ^
/
/о
wo woo
Концентрация излучение в единицах ЛМ1
Рис. 38. Зависимость к. п. д., УХх. JK3 и фактора заполнения от кратности
кон* центрации солнечного излучения при AMI в элементе с вертикальными
переходами [44].
436
Глава 14
возрастает на 0,1 В при увеличении интенсивности излучения в 10 раз, в то
время как фактор заполнения изменяется слабо. Коэффициент полезного
действия элемента, который является произведением трех указанных выше
величин, деленным на мощность излучения, падающего на концентратор,
возрастает на ~2 % при увеличении концентрации излучения в 10 раз.
Считается, что при использовании соответствующих просветляющих покрытий
к. п. д. может составлять -22 % при интенсивности излучения, равной
интенсивности 1000 солнц. Поэтому один элемент, освещаемый 1000-кратной
концентрацией солнечного излучения, обеспечивает выходную мощность,
равную мощности 1300 элементов, освещаемых светом одного солнца.
Следовательно, метод концентрации света обеспечивает возможность замены
дорогостоящих солнечных элементов сравнительно дешевыми материалами
концентратора, и его можно реализовать с помощью относительно простого
устройства, что позволяет минимизировать стоимость всей системы.
При сильном концентрировании излучения концентрация неравновесных
носителей становится сравнимой по порядку величины с концентрацией
легирующей примеси в подложке, и таким образом реализуется условие
высокого уровня инжекции. При этом плотность тока пропорциональна ехр
(qV/nkT) с п - 2. Напряжение холостого хода равняется
где Т - рабочая температура, Т0 = 300 К- Температурная зависимость Vxx
при различных уровнях концентрирования приведена на рис. 39 [26].
Температурный коэффициент изменения Vxx уменьшается по абсолютной
величине от -2,07 мВ/°С при солнечном излучении до -1,45 мВ/°С при 500-
кратной концентрации солнечного излучения. Таким образом, для кремниевых
солнечных элементов высокие уровни концентрирования солнечного излучения
снижают эффективность потерь, обусловленных работой элемента при
