Эксперимент подтверждает результаты расчетов. Вольт-амперная нагрузочная характеристика экспериментальных солнечных элементов говорит о том, что их КПД в условиях наземного Солнца уже заметно превышает 20 % и может быть увеличен до 25 %, например, за счет использования очень тонких верхних слоев твердого раствора с плавно меняющимся по глубине химическим составом и шириной запрещенной зоны, образующих варизонную структуру. Возможность получения таких слоев методами газовой и молекулярной эпитаксии в настоящее время теоретически и экспериментально доказана.
Повышение КПД солнечных элементов из простых и сложных полупроводниковых структур
Повышение КПД солнечных элементов имеет как научное, так и инженерно-экономическое значение: уменьшение себестоимости электроэнергии, получаемой от солнечных элементов, может быть достигнуто не только путем применения дешевых исходных полупроводниковых материалов и автоматизации технологии их изготовления, но и благодаря резкому росту КПД, хотя это и требует дополнительных затрат, которые тем не менее окупаются при эксплуатации таких сравнительно дорогостоящих солнечных элементов.
Вероятно, сразу после опубликования первых работ, где предельно достижимые КПД солнечных элементов ограничивались значениями 24–25 %, начались поиски оригинальных физических идей, которые можно было бы положить в основу новых, более эффективных моделей солнечных элементов, чтобы открыть дорогу исследовательским и практическим работам по реализации таких элементов. Выдвинутые вскоре модели каскадных и многопереходных солнечных элементов, элементов с гетеропереходами, встроенными электрическими полями, варизонными структурами, долгое время не удавалось проверить в эксперименте, хотя предельный теоретический КПД большинства новых моделей поднимался до уровня 30–50 %. В то же время благодаря успешной практической реализации многих новых моделей солнечных элементов в эксперименте в наземных условиях был достигнут КПД 14–15 % для дешевых кремниевых солнечных элементов,· базовый слой которых получен сравнительно простыми и экономичными методами, и от 20 до 25 % для элементов на основе гетероструктур в системе твердый раствор алюминия в арсениде галлия — арсенид галлия.
Теоретические исследования, направленные на развитие и усовершенствование модели объемного фотоэффекта в полупроводниковых структурах, рассчитанной применительно к преобразованию солнечной энергии, показали, что если для создания солнечного элемента выбирать варизонную структуру, в которой максимальное значение ширины запрещенной зоны (на поверхности) соответствует крайнему коротковолновому участку солнечного спектра, а минимальное (у разделяющего барьера вблизи тыльной поверхности) — крайнему длинноволновому, а также обеспечить большое отношение подвижностей электронов и дырок, то в таком элементе возможно полное поглощение и преобразование энергии фотонов солнечного излучения в электроэнергию. Таким образом, ограничение предельного значения КПД преобразования оптического излучения Солнца полупроводниковыми солнечными элементами практически было снято, указывалась даже возможность достижения КПД, превышающего 60 %.
В настоящее время намечен и экспериментально исследован ряд новых направлений, развитие которых может привести к получению на практике высокого КПД преобразования солнечного излучения непосредственно в электрическую энергию.
Из теории следует (и подтверждается экспериментально), что КПД солнечного элемента растет с увеличением интенсивности освещения. В объеме полупроводника возникает ЭДС Дембера, связанная с разницей в подвижности рожденных светом электронов и дырок и их взаимодействием. Если свет падает на р+- слой в солнечном элементе с р+ — p — n+-структурой, то ЭДС Дембера совпадает по знаку с фото-ЭДС, генерируемой изотипным барьером, а когда освещается верхний разделяющий барьер п+—р, ЭДС направлены в противоположные стороны. В связи с этим для получения повышенных значений Ux.x полезно освещать двусторонние элементы более интенсивно с тыльной стороны (при больших световых потоках). Число избыточных носителей заряда, возникающих при высокой интенсивности освещения, значительно превосходит их тепловое равновесное количество, определяемое степенью легирования полупроводника, что приводит к уменьшению электрического сопротивления базовой области солнечного элемента за счет явления фотопроводимости. При очень больших (тысячекратных) освещенностях в солнечных элементах может быть получено значение Ux.x, близкое к потенциалу запрещенной зоны данного полупроводника, выраженному в вольтах. Увеличение КПД солнечных элементов при повышении интенсивности падающего солнечного потока со спектром AM1 может быть представлено в виде полученных расчетным путем зависимостей максимального КПД от ширины запрещенной зоны полупроводника при температуре 300 К (рис. 4.12).
Таким образом, как показывают данные, приведенные на рис. 4.12, только за счет повышения плотности потока солнечного излучения в 1000 раз КПД солнечного элемента из оптимального полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны около 1,4 эВ возрастает до 35 % (см. рис. 4.12, кривая 7).
Результаты этих расчетов вдохновили многих исследователей на создание наземных фотогенераторов с солнечными элементами, работающими при весьма высоких концентрациях потока, достигающих уже сейчас уровня 400—500-кратных (с перспективой дальнейшего увеличения до 2000—2200-кратных по сравнению с обычным солнечным).
Если это направление повышения КПД солнечных элементов требует решения инженерных и конструкторских задач, связанных с отводом большого количества избыточной теплоты для сохранения температуры элементов на достаточно низком уровне, а также с созданием долговечных концентраторов солнечной энергии со светостойкими покрытиями, то два других перспективных способа резкого увеличения КПД преобразования солнечного излучения с помощью солнечных элементов находятся еще на стадии физических исследований в условиях лаборатории. Внешне эти два пути прямо противоположны.
Первый из них требует резкого сужения широкополосного солнечного спектра и затем превращения этого спектрально преобразованного потока излучения в электрическую энергию с помощью солнечного элемента с p-n-переходом в гомогенном материале, ширина запрещенной зоны которого точно подходит по энергетическому зазору к спектру направленного на него потока излучения. При сужении спектра КПД солнечного элемента, как известно, сильно возрастает, поскольку исчезают потери на нефотоактивное поглощение в длинноволновой части спектра и на тепловое рассеяние избыточной энергии коротковолновых фотонов.
Второй путь связан с созданием каскадной системы из нескольких солнечных элементов, прозрачных в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, причем каждый из них будет эффективно преобразовывать соответствующую часть падающего излучения, в результате чего перекрывается весь спектральный интервал солнечного излучения и тем самым как бы резко расширяется спектральная чувствительность солнечного элемента.
Сузить широкополосное солнечное излучение можно различными путями, например направив концентрированный солнечный поток на теплоприемник, выполненный в виде модели черного тела с селективным термостойким излучателем, покрытым окисью эрбия, преимущественно излучающим в области спектра от 1 до 2 мкм. Солнечные элементы из германия или из кремния будут преобразовывать такой спектрально суженный (практически без потерь) поток солнечного излучения с КПД выше 25 %. Для солнечных элементов с большей шириной запрещенной зоны, например, из арсенида галлия с гомо- или гетеропереходом, следовало бы разработать селективный тепловой излучатель более коротковолнового участка спектра, что позволило бы получать в эксперименте еще большие значения кпд.
Для сужения солнечного спектра могут быть использованы полупроводниковые светодиоды на основе гетероструктур в арсениде галлия, преобразующие с почти 100 %-ным квантовым выходом коротковолновое излучение в длинноволновое, отвечающее по энергии ширине запрещенной зоны гомогенного арсенида галлия. Академиком Ж. И. Алферовым и его сотрудниками было предложено совместить в одном монолитном многослойном солнечном элементе такую переизлу-чающую структуру с преобразователем оптического излучения в электроэнергию на основе гетероструктуры твердый раствор алюминия в арсениде галлия — арсенид галлия.