1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 84
Текст из файла (страница 84)
С помощью уравнений (8.10) — (8.14) можно рассчитать предельный теоретический КПД интегрального каскадного солнечного элемента, состоящего из элементов с гомогенными р— и-переходами. Однако при расчетах необходимо провести коррекцию значений Увв и У,ь исходя пз известных параметров материалов, а также учесть влияние переходного сопротивления и сопротивления утечки. Используя расчетные характеристики нескольких гомогенных р — и-переходов, Веки (30] определил рабочие характеристики ряда интегральных каскадных солнечных элементов, в состав которых входят два или три элемента, и сопоставил их с характеристиками соответствующих каскадных систем с независимыми элементами (не имеющими внутреннего электрического соединения).
Автором показано, что сбалансированные интегральные каскадные солнечные элементы имеют такие же значения КПД, как и у соответствующих каскадных преобразователей с независимыми элементами. Несбалансированные интегральные каскадные элементы Глава 8 18 и х 8 а 8,8 Хв 2Л 8,2 ч,в Рис. 8.11. Расчетные вольт-ампериые характеристики сбалансированного (1) и несбалансированного (2) интегральных каскадных преобразователей, состоящих из трех элементов 130). 1 — Еа,—— 1,!О эВ, Еа, — — 1,46 эВ, Ела = = 1,97 эВ; 2 — Еа, = 1,1О эВ, Еа, = 1,бб эВ, Еаз — — 2,40 эВ; )2», и,/»г— напряжение и плотность тока, соответствующие максимальной мощности. обладают значительно более низким КПД, чем у каскадных преобразователей с независимыми элементами, а в некоторых случаях — более низким КПД даже по сравнению с КПД единичных солнечных элементов.
Интегральный каскадный солне гный элемент на основе двух элементов с Ею=1,10 эВ и Еа,=!,68 эВ представляет собой сбалансированную систему и в условиях АМ) имеет КПД, равный 33% — такой же, как и у каскадной системы на основе двух независимых элементов со значениями ширины запрещенной зоны 1,10 и 1,68 эВ. Однако в случае сбалансированного интегрального каскадного солнечного элемента с Еа,=1,10 эВ и Еаа — — 2,00 эВ КПД составляет лишь 26,6% в отличие от значения 33,2%, характерного для соответствующей каскадной системы с независимыми элементами. Вольт-амперная характеристика трехэлементного сбалансированного интегрального каскадного солнечного элемент с Ею=1,10 эВ, Еи,—— 1,46 эВ и Еаз=),97 эВ изображена на рис. 8.11.
КПД этого преобразователя совпадает с КПД соответствуюшей каскадной системы с независимыми элементами, н его значение составляет 37,6%. На этом же рисунке приведена вольт-амперная характеристика трехэлементного несбалансированного интегрального каскадного солнечного элемента (Е„=1,10 эВ, Е„=1,55 эВ и Еаз=2,40 эВ), имеющего КПД лишь 20,4 %, в то время как КПД соответствующей системы с независимыми элементами равен 37,4%. Таким образом, первостепенное значение имеет правильный выбор ширины запрещенной зоны материалов, обусловливающий сбалансированное состояние преобразователя.
Необходимо также отметить, что прирост КПД при переходе от единичного элемента к двухэлементному интегральному каскадному преобразователю выше, чем при переходе от двух- к трехэлементному преобразователю. Поскольку при введении дополнительных элементов прирост КПД уменьшается, маловероятно, что ин- 391 Новые напр, в разработке солнечных элементов Л-Агхбаг-ххе (гое) б П- А1ембае ее Аз 110 л- А1е,непа,м Аз Обгг) льЯ1ен,баееззЯз 10 ) ) г го е-бзенг1ле,зев И ~гоп) Стчеен отмене ез Рис. 8.12.
Энергетическая ванная диаграмма идеализированного де» хпсреходного интегрального каскадного солнечного элемента на основе А»бадз— Оа!пдз, оптимизированного для работы в условиях АМО !321; около химических формул в скобках указаны значения концентрации носителей заряда !ем з). 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 !3Ц рассмотрели монолитную каскадную систему А)баАз — сзаАз — Сте с двумя переходами, расчетный КПД которой в условиях АМО составляет 25,6 070. Фототоки, вырабатываемые в обоих элементах, в условиях АМО почти равны, Каскадная система с тремя переходами на основе материалов Пе — Саг „1п„Аз — баг „)пеР— Сдг „Хп,5 — 1ТО со значениями ширины запрещенной зоны, соответственно равными 0,66; 1,25; 1,77; 2,8 и 3,1 эВ, имеет в условиях АМ1,5 теоретический КПД 33 070.
При 300-кратной интенсивности излучения в условиях АМ1,5 КПД этой системы, согласно расчетам, равен 40 '/0. Ламорт и Аббот !23, 32! провели теоретическую оптимизацию конструкции двухпереходного каскадного солнечного элемента на основе АИаАз — Па1пАз, предназначенного для работы в условиях АМО и АМ1,5 при температуре 290 К. На рис. 8.12 приведена энергетическая зонная диаграмма этого 392 Главе 8 элемента. Он состоит из широкозонного (А16аАэ) и узкозонного (ба! пАз) материалов, соединенных туннельным диодом пе — рэ-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 10' и температуре, изменяющейся в пределах 290...500 К. Результаты этих исследований показывают, что оптимальные значеши параметров шнрокозонного 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 10', достигает 40 в/в. Экспериментальные исследования интегральных каскадных солнечных элементов были проведены для системы А)6аАз— 6аАз с двумя переходами, изготовленной методом жндкофазной эпитаксии на подложке из 6аАз [33). Два элемента соединены внутри структуры последовательно с помощью ре — пеперехода, обладающего низким сопротивлением.
При однократной интенсивности излучения К„в=2,0 В. КПД лучших элементов приближается к 9 '!в при 7„=7 мА/см' и РГ=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 А16аАз — ОаАз [34] имеет значения Ув, в интервале 10...13 мА(см' (без просветляющего покрытия), при этом )7,„=1,5...2,15 В и ГР=0,72...0,84, что обеспечивает КПД 10...15 '79 и 12...18 "тв в условиях АМО и АМ!,5 соответственно. Высокое сопротивление контактной сетки, расположенной на лицевой поверхности широкозонного оптического окна нз А!6аАэ, приводит к малым значениям коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики.
В результате усовершенствования лицевого контакта путсм введения тонкого слоя ра-6аАз между металлом и слоем окна величина, равная произведению последовательного сопротивления элемента на его площадь, )гвА, уменьшилась с 0,2 Ом ° см' примерно до 5 ° 10 — ' Ом ° см'. Осаждение методом электронно-лучевого испарения многослойной контактной структуры Мд — Т| — Рг(— Ай — А) непосредственно на поверхность А16аАз, проведенное после серии операций травления и окисления, позволило уменьшить 77,А до значений — 1 ° 1Π— в Ом ° смв. При нанесении двухслойного просветляющего покрытия, состоящего из плерки Та Ов толщиной 56 нм н пленки 8!Ов толщиной 80...100' нм, Новые напр, в разработке солнечных элементов 393 0,5 ОЛ 0,2 0 ОД 0,7 0,9 Л,нгн Рис.
3.13, Спектральные зависимости чувствительности — отношения генерируемого тока 1 (А) к мощности падающего излучения Р (Вт) — интегрального каскадного солнечного элемента со структурой баА1Аз — баАз 134 !. Кривые 1 и 2 характеризуют чувствительность единичных элементов, изготонленных соответственно из баА)дз и баАз при наличии просветляющего пок!ытия, состоящего из пленок Тахбз толщиной 56 нм и 3!Оа толщиной 120 нм; кривые !' и 2' — аналогичные зависимости до нанесения просветляющего покрытия, обычно наблюдалось увеличение Усе каскадного солнечного элемента на 30 ОУО, при этом отдельные элементы имели согласованные токи.
Спектральные зависимости чувствительности интегрального каскадного солнечного элемента на основе х)аА1Лз — баАз при наличии и отсутствии просветляющего покрытия показаны на рис. 8.!3. Тиммон и др. [35) провели исследование материалов для интегральных каскадных солнечных элементов со структурой баА!Л58Ь вЂ” СаА58Ь.
Диффузионные переходы были успешно получены в материалах, предназначенных как для верхнего (СаА1А58Ь), так и для нижнего (С!аА58Ь) элементов. Нижний элемент из баА58Ь с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ, снабженный слоем окна из СаЛ!А58Ь (1,7 эВ), в условиях АМО имел следующие характеристики: Р„=0,5 В, У„=20,4 мАУсмз и ГЕ=0,72. Верхний элемент из СаА)А5$Ь (1,55 эВ) при на.личии окна и просветляющего покрытия обеспечивал =0,57 В У„=Я мЛ)смз и ггс=0,68.
Каскадные же элементы на основе этих материалов до сих пор не изготовлены. Сакай и Умэно [18] предложили структуру каскадного солненчого элемента из 1пР и 1по,ззбаалзАзаа Ро,ш (ширина запрещенной зоны 0,827 эВ), для изготовления которого могут применяться обычные методы эпитаксиального осаждения. Тео- 394 Глав в 8 ретическое исследование структуры показало, что в условиях Ай!О КПД составляет 19,5% и может быть повышен до 22,2 о/о путем создания на поверхности 1пр толстого оптического окна нз Се[5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
