1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Помимо этого прн сильной освещенности КПД преобразования энергии снижается под влиянием эффектов, наблюдающихся при высоком уровне инжекции носителей и высокой температуре. Решение указанных проблем потребовало разработки новых конструкций солнечных элементов, со- 369 Новые нвпр.
в рвврвботке солнечных впементов храняющих высокий КПД при больших значениях коэффициента концентрации излучения и повышенных температурах. Предельный КПД преобразования энергии солнечного излучения в полезную работу, определяемый законами термодинамики, равен 93 916. В последние годы появились солнечные элементы принципиально нового типа, в том числе многопереходные элементы на основе нескольких полупроводниковых материалов, образующих каскадную систему, КПД которых достигает 40 '1,, что значительно выше предельного теоретического КПД обычных солнечных элементов с гомогенным или гетерогенным переходом и барьером Шоттки, имеющих фото- активный слой из полупроводникового материала одного вида или единственный переход.
Вопросы, рассматриваемые в данной главе, разбиты на три группы. В равд. 8.2 перечислены эффекты, влияюшие на работу солнечных элементов при высокой интенсивности излучения. В разд. 8.3 рассмотрены новые конструкции обычных солнечных элементов с фотоактивным слоем из материала одного вида, характеристики которых приближаются к предельным теоретическим. Наконец, в разд.
8.4 обсуждаются каскадные солнечные элементы, обладающие сверхвысоким КПД. 8,2. Эффекты, вызываемые высоким уровнем интенсивности излучения В солнечном элементе с идеальной диодной характеристикой, у которого ток насыщения 1, значительно меньше фото- тока 16, последовательное сопротивление пренебрежимо мало и шунтирующее сопротивление стремится к бесконечности, ток короткого замыкания 1„-Н, а напряжение холостого хода Р,т-1пН, где Н вЂ” интенсивность падающего излучения.
Если предположить, что при увеличении Н коэффициент заполнения ГЕ вольт-амперной характернстики остается постоянным, то в идеальном случае повышение КПД при возрастании интенсивности излучения прямо пропорционально увеличению фото-э. д, с, Однако известно, что в условиях низкого уровня инжекции фото-э.д. сч насыщаясь, приближается кзначениюдиффузионного потенциала Ур 11]. Следовательно, КПД не может увеличиваться неограниченно. Кроме того, поскольку удельное сопротивление базовой области большинства солнечных элементов выше удельного сопротивления легированного слоя, условия высокого уровня инжекции будут благоприятны для собирания носителей в базе до тех пор, пока К„ не достигнет значения к'р. Из условия сохранения электрической нейтральности базовой области следует, что более высокой концентрации основных носителей должно соответствовать новое зна- 370 Глава 8 Рис.
8.1. Расчетные зависимости коэффициента заполнения РР вольтамперной характеристики кремниевого элемента от коэффициента концентрации К солнечного излучения при различных значениях последовательнога сопротивления [41. !— 0 Ом, 2 — 0,0! Ом, 3 — 0,05 Ом, 4 — 0,1 Ом, 5 — 1,0 Ом; диадный коэффициент и= — 1,5, плотность темнового тона насыщения /, ==- 3,3 гс Х 10 — "- А смх, Т = — 300 К, площадь элемента — 1 смх; фототок пропорционален коэффициенту концентрации излучения.
чсние концентрации неосновных носителей. Это приводнг к изгибу квазиуровней Ферми в базе н падению напряжения в этой области даже в режиме холостого хода, в результате чего значение фото-э.д.с. не достигает )го [2). Далее, при выч 3 соком уровне инжекции уравнение вольт-амперной характеристики принимает вид в щ' щ' х 1=1,ехр(г)Ъ)2мТ) В этом случае темновой ток насыщения выше, чем в условиях низкого уровня инжекцин [3[.
Следствием увеличения !, является уменьшение ГГ. В реальных солнечных элементах наличие конечного последовательного сопротивления приводит к снижению КПД (в силу уменьшения ГГ) даже при такой интенсивности излучения, когда условия высокого уровня инжекции еще не выполняются. Последовательное сопротивление оказывает отрицательное влияние на характеристики солнечных элементов и при обычной интенсивности излучения, а при использовании концентрированного света это влияние становится чрезвычайно сильным. Палфри [4[ рассчитал зависимость ГГ от коэффициента концентрации излучения для кремниевых солнечных элементов при различных значениях последовательного сопротивления (см.
рис. 8.1) и показал, что при 100-кратной интенсивности излучения характеристики элементов будут удовлетворительными, если пх последовательное сопротивление не превышает нескольких сотых долей ома. У солнечных элементов, генерирующих небольшой фототок, например элементов из СгаАз, допустимым является несколькгь более высокое последовательное сопротивление. Обычно считают, что при повышении интенсивности падающего излучения фототок возрастает по линейному закону.
Даривал и др. [5[ высказали предположение, что при сильной освещенности фототок насыщается на уровне значения )'о))х., где )хх — последовательное сопротивление. Хотя этот эффект в некоторой степени может компенсировать снижени -. ГГ, КПД преобразования энергии не будет повышаться вслед ствии уменьшения фототока. Кроме того, увеличение концепт. Новые напр, в раэработне солнечных элементов зу! рации основных носителей в условиях высокого уровня пнжекции приведет к модуляции удельного сопротивления полупроводника.
В результате при возрастании мощности падающего излучения последовательное сопротивление элемента будет уменьшаться, что также снизит потери ГГ. Однако вследствие роста темнового тока понизится )'„и КПД не увеличится, хотя его снижение при повышении интенсивности излучения будет менее быстрым, чем в условиях низкого уровня инжекцни. Кроме того, при низком уровне пнжекции солнечные элементы, вероятно, будут обладать более высоким начальным значением КПД. Для того чтобы усилить положительное влияние модуляции проводимости и высокого начального значения )'„, Фоссум и Бургес Щ предложили создавать в некоторых видах элементов изотипный тыльный барьер. Следует замстить, что малая диффузионная длина неосновных носителей не позволяет использовать тыльный барьер в солнечных элементах иа основе арсенида галлия. Однако, поскольку концентрация легирующих примесей в солнечных элементах из ОаАз выше, чем в кремниевых элементах, эффекты, связанные с высоким уровнем инжекции, проявлятотся в ОаАз только при очень сильной концентрации излучения.
Максимальный КПД любого солнечного элемента с одним переходом составляет около 25%. Отсюда следует, что при высоких коэффициентах концентрации излучения в солнечных элементах выделяется большое количество тепловой энергии, и если охлаждение элементов не предусмотрено, то их рабочая температура возрастает. Значительное повышение температуры влияет на свойства неосновных носителей и собственную концентрацию носителей в элементе, а также, хотя и в меньшей степени, на процесс поглощения фотонов вследствие изменения ширины запрещенной зоны.
При повышении температуры подвижность неосновных носителей в Я несколько уменьшается, а в ОаАз (при типичных уровнях легирования) меняется очень слабо, поэтому коэффициент диффузии неосновных носителей в Я почти не зависит от температуры, а в ОаАз монотонно растет при повышении температуры. В результате диффузионная длина неосновных носителей увеличивается при возрастании температуры (особенно ярко это проявляется в СтаАз), так как вследствие повышения тепловой скорости носителей увеличивается их время жизни. Таким образом, возрастание тока короткого замыкания прп повышении температуры является следствием увеличения диффузионной длины неосновных носителей. Что касается напряжения холостого хода, которое, как полагают, должно повышаться при увеличении тока короткого замыкания, то оно сильно зависит от собственной концентрации носителей пь изменяющейся экспоненциально при вариациях температуры. 372 Глава 8 Таблица 8.7.
Расчетные характеристики солнечных элементов л' — р- н л' — р — р'-тнпов на основе 51 с удельным сопротивлением 10 Ом см прн коэффнцнегпах концентрации нэлучення К =- 1 н 40 (условня Дл10) н температурах 27 'С н 100 'С 14] Наличие ! иаотипиого тыльного аа ил си' г, -с ке кпд. барьера 0,541 ~ 0,808 0,606 0,809 0,605 0,7!5 0,721 0,755 0,350 0,702 0,438 ! 0,717 16,1 18,8 17,0 21,4 9,2 12,2 10,5 16,1 27 27 27 27 !00 !00 100 100 1 1 40 40 1 1 40 40 Нет Есть Нет Есть Нет Есть Нет Есть 49,9 52,0 2130,0 2130,0 50,4 52,6 2110,0 2!10,0 0,432 0,625 0,580 0,7!4 Токи насыщения пропорциональны и!т и пь если механизмы нх протекания обусловлены соответственно диффузионным н генерационно-рекомби~ацнонным процессамн.
Следовательно, в случае реализации этих процессов уг„и ГР будут понижаться при возрастании температуры. Далее, небольшое сужение запретцеиной зоны при повышении температуры также должно вызвать увеличение темпового тока насыщения и тем самым свести к минимуму положительный эффект увеличения коэффициента поглощения света в длинноволновой области спектра. В итоге КПД преобразования уменьшается, если рабочая температура элементов значительно превышает комнатную.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
