Солнечные элементы

Энергетические зонные диаграммы различных солнечных элементов на основе арсенида галлия представлены на рис. 4.13.

В случае переизлучающей структуры между двумя областями окна-фильтра область, обращенная к свету (область 2), имеет состав Al₀,₈Ga₀,₂As, а переизлучающая структура (область 4) — состав Al_0,1Ga_0,9As с постепенным увеличением (область 3) содержания алюминия (до 0,3) по мере приближения к р — n-переходу в арсениде галлия (область 7). В такой структуре спектр фоточувствительности определяется тонкой (толщина менее 1 мкм) верхней областью 2 широкозонного окна-фильтра, а сопротивление растекания снижается благодаря сравнительно толстой (толщина 20–30 мкм) внутренней области 3 окна-фильтра, прозрачной для длинноволнового люминесцентного излучения, испускаемого переизлучающей структурой 4 к р-n-переходу в арсениде галлия (область 7) после поглощения солнечного излучения.

Солнечные элементы с переизлучающей структурой между областями окна-фильтра особенно подходят для преобразования солнечного излучения очень высокой интенсивности, ибо имеют широкий спектральный диапазон чувствительности и низкое последовательное сопротивление. В ходе исследований были изучены световые вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе арсенида галлия с гетеропереходом и переизлучающей структурой для различных степеней концентрации солнечного потока (вплоть до 2570-кратной). Максимальная электрическая мощность, снимаемая с нагрузки к одному из таких элементов диаметром 1 см, составила при измерениях в наземных условиях 13,5 Вт. Следовательно, для получения более 100 Вт электрической мощности требуется всего восемь таких элементов с концентраторами, в то время как ту же электрическую мощность в наземных условиях от солнечных элементов высокого качества обычной конструкции обеспечивает плоская панель площадью не менее 1 м² (более 10 тыс. элементов площадью 1 см² каждый).

Очевидно, что затраты, связанные с трудоемкой технологией изготовления новых солнечных элементов сложной многослойной структуры, полностью себя оку-пят, и, возможно, что при широком применении таких элементов стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных элементов, снизится на два-три порядка и приблизится к стоимости электроэнергии от традиционных источников (тепловые электростанции, гидроэлектростанции).

После разработки эффективных гомо- и гетероструктур на кремнии и арсениде галлия возник интерес к созданию из них каскадных солнечных элементов. Электрическое соединение элементов в каскаде влечет за собой определенные технологические и конструктивные усложнения, в связи с чем были сделаны попытки получить каскадные элементы в единой монолитной структуре, создаваемой последовательным выращиванием с помощью жидкостной, газовой или молекулярной эпитаксии слоев на подложке из арсенида галлия, например, как это показано на рис. 4.14. Верхний (2) и нижний (4) солнечные элементы в такой двухкаскадной системе соединяются последовательно с помощью туннельного п⁺—p⁺-перехода из AIGaAs (см. рис. 4.14, область 5). Экспериментально полученная в одной из зарубежных работ подобная структура генерировала высокое U_x.x (около 2,2 В), но сравнительно низкий ток, и КПД не превышал уровня 10–15 %, вероятно, из-за довольно большого сопротивления туннельного перехода (0,58 Ом).

Высокое качество полученных туннельных переходов позволяет ожидать новых результатов на пути создания монолитных каскадных солнечных элементов, и в последнее время появились сообщения о росте КПД таких элементов.

Значительно больших успехов добились исследователи, использующие два или три солнечных элемента, расположенных перпендикулярно друг другу. Солнечное излучение концентрируется с помощью линзы Френеля и падает на одно или два многослойных ди-хроических зеркала, которые расщепляют спектр на отдельные участки, направляя к каждому элементу излучение того спектрального состава, в котором данный элемент имеет максимальную чувствительность (рис. 4.15).

Для практической реализации таких систем большое значение имеет не только КПД отдельных солнечных элементов (причем они должны возможно более резко отличаться по области спектральной чувствительности), но и высокое качество, а также стабильность параметров (при длительном непрерывном освещении) применяемых дихроических зеркал, которые, как правило, изготавливаются нанесением в вакууме 17–19 (или более) чередующихся прозрачных пленок ZnS (показатель преломления n=2,3) и Na₃AlF₆ (n=1,35). Излучение, пропущенное зеркалом, проходит к солнечному элементу на основе арсенида галлия, а отраженное — к кремниевому элементу (см. рис. 4.15).

Рис. 4.14. Расположение слоев в монолитной каскадной структуре

1 — подложка из монокристаллического арсенида галлия n-типа;

2 — солнечный элемент из арсенида галлия с p-n-переходом в гомогенном материале; 3 — туннельный переход из сильнолегированного твердого раствора AlGaAs; 4 — солнечный элемент с гетеропереходом AlGaAs — GaAs и p-n-переходом в арсениде галлия; 5 — широкозонное окно-фильтр

Рис. 4.15. Каскадная система с двумя солнечными элементами и одним дихроическим зеркалом (а) и с тремя солнечными элементами и двумя дихроическими зеркалами (б)

1–3 — солнечные элементы; 4 — линза Френеля; 5–7 — дихроические зеркала

Двухкаскадная система с дихроическим зеркалом при 165-кратной концентрации наземного солнечного излучения с плотностью потока 894 Вт/м² (спектр падающего излучения соответствовал условиям AM1,23) характеризуется, как показано в одной из работ, следующими параметрами солнечных элементов, измеренными при температуре обоих элементов 30^o С (водяное охлаждение):

* F — коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики солнечного элемента.

Полученный суммарный КПД двухкаскадной системы, как видно, составляет 28,5 %.

Улучшение качества дихроических зеркал и отдельных солнечных элементов дает возможность получить в таких системах с расщеплением спектра суммарный КПД 30–32 % при средних (50—100-кратных) и около 40 % при высоких (более 1000) концентрациях солнечного излучения.

Для создания каскадных систем с дихроическими зеркалами лучше всего использовать следующие полупроводниковые материалы: для E_g=0,7 эВ: Ge; для E_g= 1,1 эВ: Si, In_xGa_1-xAs, GaAl_1-xSb_x, Ga_yIn_1-yAs_1-xP_x, Al_yGa_1-yAs_1-xSb_x; для E_g=1,4 эВ: GaAs; для E_g=1.7 эВ: Al_xGa_1-xAs, GaAs_1-xP_x, Al_yGa_1-yAs_1-xSb_x.