Solar-06. indd

Лекция 6. Принципы работы солнечных элементов


2.3.1. Требования к полупроводниковым материалам


Солнечные элементы - это электронные приборы, осуществляю­щие прямое преобразование солнечного света в электрическую энер­гию. Несколько фотопреобразователей, соединенных в определенной последовательности на одной подложке, образуют так называемый солнечный модуль (СМ).
СЭ можно классифицировать по интенсивности собирания света, по химическому составу, толщине и кристаллической структуре слоев, количеству совмещенных на одной подложке элементов и т. д.
По интенсивности собирания света солнечные элементы разде­ляются на единичные и концентраторные. Единичные СЭ не имеют специальных устройств для собирания света и поглощают только то количество светового потока, которое падает на занимаемую ими площадь поверхности. Концентраторные солнечные элементы имеют специальные концентрирующие световые устройства (линзы или зер­кала), которые позволяют увеличивать плотность светового потока на поверхности элементов в несколько раз. Как правило, концентраторные элементы изготовляются из дорогих светопоглощающих материа­лов с наилучшими показателями фотовольтаического преобразования света. В обозначении таких солнечных элементов обязательно указы­вается коэффициент собирания света, измеряемый в солнцах (suns). Коэффициент собирания показывает, во сколько раз увеличится плот­ность потока падающего на СЭ излучения после его оптического со­бирания концентрирующими системами.
По кристаллическому составу поглощающего материала СЭ под­разделяются на монокристаллические, мультикристалличекие, поли- кристаллические, микрокристаллические, нанокристаллические. Мо- нокристаллические солнечные элементы представляют собой солнеч­ные элементы с поглотителем в виде цельного кристалла полупровод­никового вещества. Мульти-, поли-, микро- и нанокристаллические СЭ имеют в качестве поглощающего вещества смесь полупроводни­ковых кристаллитов с различной ориентацией, структурой и формой, размер которых и определяет тип солнечного элемента: при размерах кристаллитов от 1 до 100 мм вещество называют мультикристаллическим, от 1 до 1000 мкм - поликристаллическим, менее 1 мкм - микро­кристаллическим, менее 1 нм - нанокристаллическим [8,26,33,74-76].
В зависимости от толщины светопоглощающего материала сол­нечные элементы подразделяются на тонкопленочные и толстоплё­ночные. Тонкопленочные солнечные элементы имеют толщину в не­сколько мкм, толстоплёночные - в десятки или сотни мкм.
В зависимости от состава поглощающего материала солнечные элементы подразделяются на кремниевые, на основе A^IHB^V полупро­водников, на основе A^IIB^VI(в основном CdTe), на основе A^IB^IIIC^VI₂ по­лупроводников и смешанные. Как правило, для удобства конструкции и повышения КПД СЭ стремятся добиться поглощения света в одном из его слоёв. Этот слой называют поглощающим (поглотителем). Второй полупроводник служит лишь для создания потенциального барьера и собирания генерированных светом носителей заряда. Клас­сификация солнечных элементов по материалу поглощающего слоя является наиболее распространенной и наиболее полно охватывает физико-химические аспекты их получения, поэтому целесообразно выбрать её в качестве базовой для дальнейшего обзора солнечных элементов.
Все требования, предъявляемые к материалам для СЭ, исходят из следующей цели: получить такой солнечный элемент, который имел бы максимальный КПД при минимальных затратах на его (солнечного элемента) изготовление (стоимость, труд на изготовление и т.п.), а также отличался надежностью в эксплуатации.
Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

1. 
   спектральная характеристика СЭ должна наиболее полно соответствовать спектру излучения Солнца. Спектральная характеристика полупроводникового материала зависит от его ширины запрещенной зоны E_g;
   
2. 
   оптический коэффициент поглощения α активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
   
3. 
   генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
   
4. 
   солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
   
5. 
   полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
   
6. 
   структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
   

Оптимальная ширина запрещенной зоны материала для солнечного элемента E_g = 1,2÷1,5 эВ. Оптимальным с этой точки зрения являются арсенид галлия (E_g = 1,43 эВ), кадмий теллур (E_g = 1,5 эВ), достаточной степени удовлетворяют этим условиям кремний (E_g = 1,1 эВ) и сульфид кадмия (E_g = 2 эВ). Эти материалы в основном и используются при изготовлении солнечных элементов.
На рис. 2.4 приведена зависимость идеальной эффективности солнечных элементов при 300 К от ширины запрещенной зоны. Кривая с отметкой С=1 соответствует АМ1,5. Кривая эффективности имеет широкий максимум, в пределах которого КПД слабо зависит от E_g. Поэтому все полупроводники, которые имеют ширину запрещенной зоны от 1 до 2 эВ, относятся к материалам, пригодным для создания солнечных элементов.

Рис. 2.4. Зависимость идеального КПД солнечного элемента от Е_g при солнечном освещении и при 1000-кратной концентрации солнечного излучения (Т = 300 К) [15]