Диссертация (1150342), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Обычновольтамперные характеристики (ВАХ) представляют в виде зависимостиплотности тока от приложенного напряжения.При освещении СФ ВАХ смещается относительно темновой ВАХ, при этомVxx – напряжение холостого хода соответствует напряжению при нулевомзначении плотности тока, Jкз – плотность тока короткого замыкания, котораясоответствует плотности тока, проходящей через СФ при нулевом напряжении(типичная ВАХ представлена на рисунке 1.1).12Рисунок 1.1.
Типичная ВАХ солнечного фотоэлемента при освещении. Vм, Jм –напряжение и плотность тока соответствующие максимальной выходноймощности Pм; Vхх, Jкз – напряжение холостого хода и плотности тока короткогозамыкания.Максимальная мощность, которую можно получить, при использовании СФвкачествеисточникатокаPмпропорциональнапроизведениюVм × Jм,располагается в четвертом квадранте ВАХ и зависит от формы вольтампернойхарактеристики.
Для характеристики учитывающей форму ВАХ вводят величинуFF, называемую фактором заполнения:FF =VМ J М.VХХ J КЗ(1.2)Откуда получаем выражение для максимальной выходной мощности:PМ = VХХ J КЗ FF .(1.3)В результате КПД солнечного фотоэлемента определяется выражением:η=VХХ J КЗ FF.P0(1.4)13Общая схема устройства солнечного фотоэлемента представлена нарисунке 1.2.
Основными составными компонентами СФ: подложка, на которойформируется устройство, в случае тонкопленочных солнечных элементовподложка обычно из прозрачного материала (натрий силикатное стекло илигибкие органические подложки), тыльный и лицевой контакты, между которымизаключается фотоактивный слой. Освещение СФ может происходить как черезпрозрачную подложку (в таком случае тыльный контакт формируется изпрозрачных, проводящих материалов), так и через верхний (лицевой) контакт,который наносится на активный слой в виде металлической сетки.Рисунок 1.2. Общая схема устройства солнечного фотоэлемента.Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую в СФописываетсяследующимиосновнымипроцессами.Генерациясвободныхносителей заряда (электроны и дырки) в фотоактивном слое СФ, разделениеносителей заряда, транспорт заряженных частиц к электродам, выполнениеработы на внешней нагрузке током, протекающим под действием разностипотенциалов электродов и рекомбинация электронов с дырками на аноде [3].Активный слой СФ может быть структурирован различными способами сприменением неорганических полупроводников, с использованием органическихматериалов (материалы электрон донорного и акцепторного типа), гибридных14структур содержащих как органические, так и неорганические материалы.Неорганические СФВ случае неорганических СФ наиболее простой вариант конструкцииактивного слоя представляет полупроводник, находящийся в контакте сметаллическойповерхностьюэлектрода.Разделениегенерируемыхвполупроводнике носителей заряда происходит благодаря образованию барьераШоттки на границе раздела металл-полупроводник, при этом второй электродобладает омическим контактом с поглощающим свет полупроводниковымматериалом.
Однако данный тип конструкции СФ не находит распространенногоприменения в связи с низким значением достигаемой разности потенциалов приразомкнутой цепи (напряжение холостого хода), что приводит к низкимзначениям КПД таких СФ. Наиболее распространенные конструкции включают всостав активного слоя p – n гетеропереход. В данном случае в активном слое всостоянииконтактанаходятсядваполупроводникасразнымитипамипроводимости (полупроводник p-типа обладает дырочной проводимостью, n-типаэлектронной проводимостью).Существенной модификацией структур с гетерогенным переходом являетсяприменение в активном фотопоглощающем слое комбинации материалов p-i-n,где между полупроводниками с разным типом проводимости расположен слой недопированногоматериала,чтоприводиткобразованиювнутреннегоэффективного поля разделяющего заряд, как и в случае с p – n переходом за счетразницы работы выхода в полупроводниках p- и n-типа, однако эффективноеэлектрическое поле формируется непосредственно в i-слое.
Такая структураактивного слоя СФ применяется для увеличения КПД обусловленномууменьшением рекомбинации генерируемых под действием света носителейзаряда, которые разделяются в тонком недопированном слое полупроводника.Активный слой может состоять из нескольких p – n переходов, соединенныхпоследовательно, при этом возможны комбинации различных материалов, чтообеспечивает эффективное преобразование различных спектральных диапазоновсолнечного света.15Органические СФСпектр энергетических состояний электронов молекулярных орбиталей πтипа в органических полупроводниках имеет структуру схожую с зоннойструктурой неорганических полупроводников.
При поглощении фотонов светапроисходит переход электронов с ВЗМО на НСМО с образованием экситона(пары электрон дырка) с энергией связи порядка 0.05 эВ [4] при этом транспортносителей заряда осуществляется между делокализованными состояниямисоседних молекул [5].Среди органических солнечных элементов можно выделить два основныхтипаорганизациифотоактивногослоя.Первыйвариантпредставляетдвухслойную структуру с последовательно нанесенными слоями веществавыступающего донором электронов (материал с p-типом проводимости) и слояакцептора (n-тип проводимости). Диссоциация экситонов, генерируемых поддействием света, протекает на границе раздела донор - акцептор.
Электроны,генерируемые в материале донорного типа, переходят с НСМО донора на НСМОакцептора, который обладает большим сродством к электрону (рисунок 1.3).Аналогичный процесс происходит в слое материала акцептора, где экситоны,генерируемые под действием света, достигают границы раздела донор - акцептор,при этом дырка на ВЗМО акцептора переходит на ВЗМО донора. Разделениезарядов происходит за счет электрического поля, обусловленного разной работойвыхода катода и анода.16Рисунок 1.3. Схема генерации и транспорта заряженных частиц в двуслойныхорганических СФ.Недостатком двухслойного типа структуры фотоактивного слоя являетсямалаяобластьэффективноиспользуемогопоглощающегоматериала,находящегося вблизи границы раздела.
Длина диффузии экситона в органическихполупроводниках составляет примерно 5 – 10 нм [6], следовательно, вклад вфототок дают только экситоны, генерируемые в непосредственной близостиграницы раздела донор - акцептор.Второйспособорганизациифотоактивногослоязаключаетсявформировании объемного гетероперехода (рисунок 1.4). Принцип генерации иразделения заряженных частиц аналогичен двуслойной структуре, однако вданном случае формируется смесь донора и акцептора в одном слое, которыеобразуют раздельные, структурированные микрофазы в активном слое с сетьюнепрерывных каналов проводимости.
Преимуществом такой структуры являетсязначительно увеличенная площадь границы раздела, донор - акцептор, однако дляэффективного транспорта электронов и дырок должны существовать сплошныеканалы проводимости как донорной, так и акцепторной фазы до электродов, чтотребует подбора подходящих материалов и условий формирования активного17слоя.Рисунок 1.4. Схема устройства органического СФ с объемным гетеропереходом.Органо-неорганические СФМожно выделить два основных типа структуры активных слоев органонеорганических СФ - объемный гетеропереход и ячейки Грецеля. Основныепринципы устройства фотоактивного слоя в органо-неорганических СФ собъемнымгетеропереходом,генерацияиразделениеносителейзарядааналогичны органическим СФ.
Наночастицы неорганических полупроводниковприменяютсявкачествеэлектронакцепторногоматериала.Основнымипредпосылками для применения неорганических наночастиц является высокийкоэффициент поглощения и возможность увеличения напряжения холостого ходаза счет оптимизации разницы между ВЗМО донора и валентной зоной акцептора.Активный слой ячейки Грецеля представляет следующую структуру:неорганический акцептор (мезопористый материал, обычно TiO2) покрываетсяслоем органического донора (краситель) за красителем находится слойэлектролита.
Поглощение света происходит в органическом красителе, электронинжектируется в слой неорганического акцептора, затем исходное состояниекрасителя восстанавливается в результате переноса от электролита [7].181.2. Современные материалы для формированияфотопреобразователейЭффективность преобразования солнечной энергии в электрическую в СФзависит от множества факторов: температура, интенсивность света, структура исостав активного слоя, свойства электродов, эффективность анти-рефлекторныхпокрытий.При выборе материалов для формирования активного слоя СФ основнымикритериями являются высокий коэффициент поглощения, значение ширинызапрещенной зоны, работа выхода, подвижность носителей заряда возможностьформирования тонкопленочных структур разработанными физико-химическимиметодами.
Следует отметить, что свойства материалов в значительной степенизависят от метода получения и нанесения в виде тонких пленок, поскольку втаком состоянии существенный вклад в КПД СФ могут вносить морфологияповерхности, качество микро и наноструктурированных элементов, наличиеразличных видов дефектов, как поверхностных, так и объемных.Наиболеешироко распространены ивнедреныв промышленностькремниевые солнечные батареи. Кристаллический кремний обладает ширинойзапрещенной зоны 1.1 эВ, что обеспечивает возможности утилизации большейчастиспектрасолнечногосвета,однакообладаетдостаточнонизкимкоэффициентом поглощения. Применение именно этого материала, и развитиеСФ на основе кремниевых полупроводников обусловлено значительнымидостижениями в области микроэлектроники. В 1941 году был впервые описанфотовольтаический эффект кристаллического кремния (c-Si) и описаны основныепринципы устройства фотопреобразователей на основе кремния [8].
Основой длясоздания кремниевых СФ являются n- или p-типа допированные подложкикристаллического кремния (с-Si(n) и c-Si(p) соответственно). Для пассивацииповерхностного слоя, а также для создания гетероперехода применяют тонкиеслоигидрогенизированногоаморфногокремнияa-Si:H[9].Благодарямногочисленным исследованиям и модификациям КПД устройств на основе19гетероперехода a-Si:H(p)/a-Si:H(i)/c-Si(n) (p-i-n тип гетероперехода и аналогичныйn-i-p тип перехода на основе c-Si(p)). достигает от 20 до 24 % [10, 11] Длядостижения высоких значений КПД также используются анти-рефлекторнаяформа поверхности c-Si, прозрачные проводящие оксиды, пассивация лицевой иобратной поверхностей с-Si.Следуетотметить,чтоустройствасвысокойэффективностьюпреобразования на основе c-Si подложек a-Si обладают достаточно сложнойструктурой, требующей включение сложных многостадийных технологическихпроцессов, а также требуют высокой чистоты материалов и значительный расходмаиериалов, что обуславливает высокую стоимость производства СФ.Арсенид галлия (GaAs) является перспективным материалом для созданиявысокоэффективных СФ.
Ширина запрещенной зоны GaAs составляет 1.43 эВ,что является значением близким к оптимальному для солнечных фотоэлементов содним гетеропереходом. Высокий коэффициент поглощения в оптическомдиапазоне позволяет использовать тонкопленочную структуру с толщинойпорядка 2 мкм. Высокая радиоционная стойкость и термическая устойчивостьпозволяет применять данный материал для СФ для космических аппаратов.Сплавы GaAs с мышьяком, алюминием, фосфором или индием позволяютоптимизировать фотопоглощающий слой для применения в тандемных СФ.Недостатком СФ на основе GaAs является высокая стоимость материалаподложки. Для решения этой проблемы могут использоваться многократноприменяемыеподложкииливозможноболеедешевыеальтернативныеподложки [12].Тонкие поликристаллические пленки на основе соединений со структуройхалькопирита также являются перспективным материалом для формирования СФ.Высоким коэффициентом поглощения обладаю пленки составов CuInSe2, CuIn3Se5и CuIn5Se8 (а также их твердые растворы с элементным составом Cu-In-Ga-Se-S,где часть атомов индия и селена замещена на галлий и серу соответственно).Порядка 99 процентов падающего света поглощается в 1 мкм вещества.Соединения CuInxGa1-xSe2 при мольном соотношении Cu: (In+Ga): Se = 1:1:220обладают p-типом проводимости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
