• підвищена здатність до поглинання сонячного випромінювання - потрібно шар товщиною всього в декілька мікрон;

• висока радіаційна стійкість, що, спільно з високою ефективністю, робить цей матеріал надзвичайно привабливим для використання в космічних аппаратахвишенная здатність до поглинання сонячного випромінювання - потрібно шар товщиною всього в декілька мікрон;

• відносна нечутливість СЕ на основі GaAs до нагрівання;

• характеристики сплавів GaAs з алюмінієм, миш'яком, фосфором або індієм доповнюють характеристики GaAs, що розширює можливості при проектуванні сонячних елементів.

Головне достоїнство арсеніду галію і сплавів на його основі - широкий діапазон можливостей для дизайну СЕ. Фотоелемент на основі GaAs може складатися з декількох шарів різного складу. Це дозволяє розробнику з великою точністю управляти генера ¬ цією носіїв заряду, що в кремнієвих сонячних елементах обмежено допустимим рівнем легування. Типовий сонячний елемент на основі GaAs включає дуже тонкий шар AlGaAs як вікна. Основний недолік арсеніду галію - висока вартість. Для здешевлення виробництва пропонується формувати СЕ на більш дешевих підкладках, вирощувати шари GaAs на видаляються підкладках або підкладках багаторазового використання.

Полікристалічні тонкі плівки також вельми перспективна для сонячної енергетики. Надзвичайно висока здатність до поглинання сонячного випромінювання у діселеніда міді та індію (CuInSe2) - 99% світла поглинається в першому мікрон цього матеріалу (ширина забороненої зони - 1.0 еВ). Найбільш поширеним матеріалом для виготовлення вікна сонячної батареї на основі CuInSe2 є CdS. Іноді для поліпшення прозорості вікна в сульфід кадмію додають цинк. В останні роки дослідникам і виробникам СЕ вдалося розширити властивості CuInSe2 шляхом стводання пятерного з'єднання Cu (In, Ga) (S, Se) 2, в якому атоми індію частково заміщені атомами галію, а атоми селену - атомами сірки. Якщо звернутися до малюнка 2.18, то можна бачити, що, варіюючи відповідносіння In / Ga і S / Se можна отримувати матеріали в широкому диапазоні значень ширини забороненої зони. Тим самим є можливість отримання матеріалу з ідеальною шириною забороненої зони (рисунок 2.18). Крім того, шляхом варіювання співвідношень In / Ga і S / Se по глибині поглинає шару можливе створення так званих «тягнуть полів», що підвищують ефективність СЕ.

Теллурид кадмію (CdTe) - ще один перспективний матеріал для фотовольтаїки. У нього майже ідеальна ширина забороненої зони і дуже висока здатність до поглинання випромінювання. Плівки CdTe досить дешеві у виготовленні. Крім того, технологічно нескладно отримувати різноманітні сплави CdTe c Zn, Hg і іншими елементами для створення шарів із заданими властивостями. Подібно CuInSe2, найкращі елементи на основі CdTe включають гетероперехід з CdS в якості віконного шару. Оксид олова використовується як прозорий контакт і покриття, що просвітлює. Серйозна проблема на шляху застосування CdTe - високий опір шару р-CdTe, що призводить до великим внутрішнім втрат. Але вона вирішена в pin-структурі з гетеропереходом CdTe / ZnTe. Плівки CdTe володіють високою рухливістю носіїв заряду, а сонячні елементи на їх основі - високими значеннями ККД (від 10 до 16%).

Серед сонячних елементів особливе місце займають батареї, що використовують органічні матеріали. Коефіцієнт корисної дей ¬ ствия сонячних елементів на основі діоксиду титану, покритого органічним барвником, дуже високий - ~ 11%. Основа сонячних елементів даного типу - ширококутного напівпровідник, зазвичай TiO2, покритий монослоем органічного барвника. Принцип роботи елемента заснований на фотовозбужденіі барвника та швидкої ІНЖЕК-ції електрона в зону провідності TiO2. При цьому молекула барвника окислюється, через елемент йде електричний струм і на платиновому електроді відбувається відновлення трііодіда до йодиду. Потім йодид проходить через електроліт до фотоелектроду, де відновлює окислений барвник.

Деякі аспекти метрології сонячних елементів

Базуючись на аналізі світловий ВАХ і спектральної характеристики напруги холостого ходу СЕ, даний розділ присвячений теоретичного розгляду проблеми визначення деяких параметрів СЕ, що мають великий вплив на ефективність перетворення енергії сонячного випромінювання.

Розрахунок параметрів сонячних елементів з світловий вольт-амперної характеристики при фіксованих інтенсивності опромінення і температурі.

Відзначимо, що параметри СЕ досить сильно залежать як від рівня облученности, так і від робочої температури [3,4]. При цьому відмінною рисою деяких поширених методик визна ¬ лення параметрів СЕ є те, що, вони засновані на використанні ¬ нії декількох ВАХ, отриманих при різних інтенсивностях опромінення [1-6]. Крім того, іноді при експериментальному визна ¬ діленні параметрів СЕ використовуються великі позитивні і негативні електричні зміщення, що знаходиться поза робочою області СЕ, або розрахунок проводиться в наближенні нескінченного шунтирующего опору; і те і інше є недоліком зважаючи струмового залежності параметрів СЕ [6]. У зв'язку з чим більш краща методика визначення параметрів фотопреобразователей з єдиною ВАХ.

Існують методики [2,1,4,6] визначення параметрів СЕ з єдиною ВАХ, засновані на інтерполяції експериментальних точок кривої, що описується формулою (2.31) або схожою з нею. Однак одні з них не можуть вважатися задовільними в силу того, що при розрахунку параметрів СЕ з їх допомогою результати можуть виходити неоднозначними. Пов'язано це з алгоритмом, в якому використовується більше одного підгінним параметра. Інші не дозволяють розраховувати всіх параметрів екстраполяціонной кривої. Треті не є конвергентними при довільних значеннях початкових параметрів, використовуваних при розрахунках

Розглянемо можливість досить простого визначення параметрів сонячного елемента з результатів вимірювання світловий ВАХ при фіксованих інтенсивності опромінення і температурі (єдиної світловий ВАХ) [6].

Отже: рівняння, що описує ВАХ СЕ, з урахуванням послідовного та паралельного опорів і варьируемого діодного коефіцієнта має вигляд (2.31):

Тут щільність струму короткого замикання прийнята рівною щільності фотоструму, тобто Jsc ~ J h. Дійсно, моделювання в «MathCAD» дало похибка такого наближення для найбільш типового СЕ порядку 4% за умови опромінення АМ 1 і 6.5% при величині фотоструму, десятикратно перевищує значення фотоструму даного СЕ в умовах стандарту АМ 1. Наочно це твердження представлено на малюнку 2.19.

Запишемо рівняння ВАХ СЕ в точках ((7 = 0, J = J_sc) и (U = U_oc./ = 0). Також запишемо про диференційоване по напрузі рівняння ВАХ СЕ в цих точках. Задамо варійованих параметрів A деяке значення. Отримаємо наступну систему рівнянь:

Вирішивши цю систему рівнянь (додаток), отримуємо наступні вирази для знаходження параметрів СЕ:

де введені такі позначення:



При цьому передбачається, що:

Таке наближення з хорошою точністю виконано для промислових СЕ.

a и b - котангенсів кутів нахилу ВАХ до осі напруги в точках (U = 0, J = Jsc) и (U = U_ос, J = 0). відповідно (рис. 2.20). Величини U_oc, Jsc, T визначають експериментально.

Рисунок 2.20 - Визначення параметрів сонячного елемента з вольт-амперної характеристики

Значення параметру А визначаєтсья з умови екстремума функції J•U:

Користуючись (2.55), уточнюємо задане значення параметра A, потім знову за формулами (2.49 - 2.51) розраховуємо всі параметри СЕ. Даний алгоритм виконується циклічно аж до визначення параметра A з заданою точністю. Використовуючи вирази (2.33) і (2.32), визначаються фактор заповнення навантажувальної характеристики і ККД фотоперетворювача.

Відзначимо можливість виникнення експериментальних труднощів при дослідженні ВАХ високоефективних СЕ з визначенням значення параметра. У високоефективних СЕ крива ВАХ поблизу точки струму короткого замикання близька до прямої, паралельної осі напруг. Тому часто експериментально практично неможливо визначити кут нахилу ВАХ до осі напруг поблизу точки струму короткого замикання. Це об-стоятельство створює певні труднощі з використанням виразу (2.49) і, як наслідок, виразів (2.50) і (2.51). Спростимо вираз (2.49) згідно з умовою б >-:

Відповідно (2.52) и (2.53):



В звичайних умовах вимірів ВАХ величина U_OC в кілька разів перевищує величину . Тому останній вираз перетвориться до виду:

(2.58)

Тоді, при а вирази (2.49 - 2.51) набувають наступного вигляду:

Таким чином, проведений теоретичний аналіз світловий ВАХ СЕ показує можливість визначення параметрів (послідовного і паралельного опорів СЕ, щільності струму діода і діодного коефіцієнта), фактора заповнення і ККД СЕ. Обмеженням даного методу є його непридатність при дослідженні СЕ, що мають низькі значення опору витоку, а також у разі високої інтенсивності опромінення.

Про можливість заміни вимірювань фотоструму (струму короткого замикання) і щільності потоку фотонів вимірами фото-ЕРС (напруги холостого ходу) і інтенсивності випромінювання.

Найчастіше безпосереднє експериментальне визначення таких фізичних величин, як фотострум і щільність потоку фотонів може бути ускладнене. Це пов'язано з відсутністю високочутливих селективних мікроамперметрів, що мають низький прохідний опір, і відсутністю доступних приладів, що дозволяють реєструвати потік фотонів. У той же час є можливість проводити безпосередні вимірювання фотоЕДС та інтенсивності випромінювання. Даний пункт роботи покликаний дозволити уникнути можливого ускладнення такого роду.

Згідно (2.23), в припущенні ідеальності СЕ справедливий вираз:



,(2.59)

При T = 300 К V_T 26 мВ. При низькому рівні збудження (Uос < 26 мВ - така умова легко здійсненно при проведенні спектральних вимірювань) має сенс розкладання експоненти виразу (2.59) в ряд утримається в розкладанні перші два члена. Тоді вираз (2.59) прийме вигляд:

, (2.60)

Згідно (2.60), реєстрація фотоструму (струму короткого замикання) еквівалентна реєстрації напруги холостого ходу.

За визначенням інтенсивність випромінювання в одиничному спек центральному інтервалі

, (2.61)

де F = Fл - щільність потоку падаючих фотонів в одиничному спектральному інтервалі.

Згідно (2.61), реєстрація щільності потоку фотонів еквівалентна реєстрації інтенсивності випромінювання.

З (2.60) і (2.61) відношення щільності фотоструму до спектральної щільності потоку фотонів і модулю заряду електрона

, (2.62)

де - константа.

Тим самим показано можливість заміни вимірювань фотоструму (струму короткого замикання) і щільності потоку фотонів вимірами фото-ЕРС (напруги холостого ходу) і інтенсивності випромінювання при проведенні спектральних досліджень.

Величина області просторового заряду р-п-переходу сонячного елемента

Виберемо координату р-п-переходу за початок координат і скористаємося рівнянням Пуассона:

де E - напруженість електростатичного поля;

Ш - електростатичний потенціал;

x_n и x_p - межі області просторового заряду (ОПЗ) у n-і р-областях відповідно;

Nе x и Nef x - розподілу некомпенсованих донорів і акцепторів відповідно;

е0 - електрична стала;

е - діелектрична проникність матеріалу.

Інтегруючи з урахуванням закону збереження електричного заряду:

отримані наступні вирази для величини ОПЗ в n-і р-областях відповідно (при цьому вважаючи x = const і x = const):



де V0 =Ш_n x_n-Ш_p x_p - контактна різниця потенціалів. Разом, вираз для ширини збідненого шару має вигляд:

де z - константа, обумовлена рівнями легування р- і n- областей.

При наявності зовнішньої напруги зміщення "в зворотному напрямку" (U_par на р-п-переході вираз (2.68) перетвориться до виду:

Глибина залягання р-п-переходу

Проблема діагностики глибини залягання р-п-переходу СЕ виникла одночасно із створенням СЕ. Визначення цього параметра дозволяє контролювати якість технології виготовлення приладів, прогнозувати результати і вказувати шляхи збільшення ефективності роботи СЕ. Контроль відповідності реальної величини глибини залягання р-п-переходу з розрахунковою ведеться кількома методами, проте одні з них є які руйнують, інші мало застосовні до СЕ в силу їх конструкційних особливостей.

У процесі розгляду проблеми визначення глибини залягання р-п-переходу було проаналізовано кілька відомих методик, що стосуються даного питання [2-6]. Задоволення яким вимогам бажано для таких методик? По-перше, повинні бути враховані конструкційні особливості серійно випускаються СЕ (мала глибина залягання р-п-переходу, наявність суцільної тильної металізації, високий рівень легування фронтального шару п-типу провідності і т.д.). По-друге, контроль параметрів досліджуваних елементів повинен носити неруйнівний характер. По-третє, досліджувальний елемент повинен передбачатися якимось "чорним ящиком", тобто апріорі ми не знаємо ніяких параметрів, що характеризують його особливості.

Зупинимо коротко на методах визначення глибино залягання pn-переходу. отримай найбільше Поширення:

* методи косого і сферичного шлифа [6]. Носять руйнуючий характер, важко застосовні при малих глибинах залягання p-n-псрсхода:

* розрахунок глибини залягання плавного p-n-псрсхода за відомим розподілом легуючих домішок [6]. Дозволяє саме розраховувати глибину залягання плавного р-п-переходу з розподілу легуючих домішок, але не експериментально визначати шукане за наявності "невідомого зразка";

* визначення глибини залягання p-n-псрсхода в GaAs-елементах по максимуму спектральної чутливості. У даній методиці використано припущення рівності дифузійних довжин неосновних носіїв заряду по обидві сторони від р-п-переходу [6]. Однак переважна більшість СЕ проводиться c сильно легованим фронтальним шаром. Тому висловлене припущення не може бути застосовано до стандартних серійним СЕ;

* для знаходження глибини залягання p-n-псрсхода можливе використання методики визначення рекомбінаційних параметрів з дослідження спектральної залежності струмів короткого замикання СЕ при освітленні з фронтальної і тильної сторін [7]. Однак у даній методиці використовуються елементи з однотипною з геометрії сіткою металізації на фронтальній і тильній сторонах, що не відповідає стандартній конструкції СЕ (малюнок 2.4);

* методика обчислення глибини залягання /;-я-псрехода по спектральним характеристикам [1,2]. Не потрібно знання яких параметрів досліджуваних елементів апріорі. Відображено основні особливості стандартних СЕ. Але висувається вимога можливості варіації швидкості поверхневої рекомбінації, що необхідно для розрахунку глибини залягання р-п-переходу. У зв'язку з останнім об-стоятельство такого роду методика не задовольняє вимогу неруйнівного контролю параметрів СЕ. До того ж промислово випускаються сонячні елементи мають захисне покриття.

Як випливає з короткого аналізу, жодна з широко відомих методик не задовольняє повністю висловленим побажанням. У зв'язку з цим даний пункт присвячений розгляду проблеми неруйнівного контролю глибини залягання р-п-переходу серійно випускаються стандартних СЕ.

Припустимо, що рівень легування в п-області багато більше, ніж в р-області. Тоді відповідно до попереднього пункту маємо:

Накладемо наступні обмеження:

Умови (2.72, 2.73) говорять про те, що дана методика застосовна для "товстих" елементів. "Толстим" елемент можна вважати в тому випадку, якщо при освітленні світлом з довжиною хвилі, що відповідає червоній межі фундаментального поглинання, падаючі фотони поглинаються в матеріалі, не досягаючи тильного контакту. Тоді вираз для густини струму електронів, народжених в р-області і досягли ОПЗ, має вигляд:

Враховуючи (2.34, 2.35, 2.70) і (2.74), запишемо вираження для лотності фотоструму при двох різних значеннях ширини ОПЗ:

Звідси:



Скористаючись виразом (2.76) при умові L=x_j:

Останній вираз дозволяє визначити глибину залягання р-п-переходу: Величина z, що задається (2.66 - 2.67), може бути чисельно розрахована з виразу:

Метод визначення L_n наведено нижче.

Дифузійна довжина неосновних носіїв електричного заряду в базовій області

Дифузійну довжину неосновних носіїв у базі можна визна-ділити з спектральної залежності струму короткого замикання в довгохвильовій області спектра [7]. У цьому випадку основний внесок у фотострум вносить дифузія неосновних носіїв заряду з квазінейт-ральної області бази, внесок ж від інших областей (1 і 2 на рисунку 2.16) вибором спектральної області, в якій проводиться експеримент, можна зробити пренебрежимо малим. Дійсно, вибираючи спектральний діапазон, в якому



отримаємо:

Отже, вираз для фотоструму прийме вигляд:

За допомогою виразу (2.62) переходимо від величин F, J ^ A до ве-личина I, Uoc:

Отриманий вираз дозволяє визначити дифузійну довжину електронів в базовій області з спектральної залежності напруги холостого ходу в довгохвильовій області спектра.



3. Огляд основних типів сонячних елементів на основі напівпровідникових матеріалів

3.1 Классифікація

Сонячні елементи - це електронні прилади, здійснюющие пряме перетворення сонячного світла в електричну енергію. Кілька фотоперетворювачів, з'єднаних в певній послідовності на одній підкладці, утворюють так званий сонячний модуль (СМ).

СЕ можна класифікувати за інтенсивністю збирання світла, за хімічним складом, товщині і кристалічній структурі шарів, кількістю суміщених на одній підкладці елементів і т. д.

За інтенсивністю збирання світла сонячні елементи разделяють на одиничні і концентраторні. Одиничні СЕ не мають спеціальних пристроїв для збирання світла і поглинають тільки ту кількість світлового потоку, яке падає на займану ними площу поверхні. Концентраторних сонячні елементи мають спеціальні концентрирующие світлові пристрої (лінзи або дзеркала), які дозволяють збільшувати щільність світлового потоку на поверхні елементів у кілька разів. Як правило, концентраторних елементи виготовляються з дорогих светопоглощающих матеріалів з найкращими показниками фотовольтаїчні перетворення світла. У позначенні таких сонячних елементів обов'язково вказується коефіцієнт збирання світла, вимірюваний в сонцях (suns). Коефіцієнт збирання показує, у скільки разів збільшиться щільність потоку падаючого на СЕ випромінювання після його оптичного збирання концентрує системами.

По кристалічному складу поглинаючого матеріалу СЕ під поділяються на монокристалічні, мультікрісталлічекіе, полі-кристалічні, мікрокристалічні, нанокристалічні. Монокрісталліческіе сонячні елементи являють собою сонячні елементи з поглиначем у вигляді цілісного кристала напівпровідникового речовини. Мульти-, полі-, мікро-і нанокристалічні СЕ мають в якості поглинаючої речовини суміш напівпровідникових кристалітів з різною орієнтацією, структурою і формою, розмір яких і визначає тип сонячного елемента: при розмірах кристалітів від 1 до 100 мм речовину називають мультікрісталліче-ським, від 1 до 1000 мкм - полікристалічним, менше 1 мкм - мікрокристалічним, менше 1 нм - нанокристалічним [1,6,3].

В залежно від товщини світлопоглинаючого матеріалу сонячні елементи підрозділяються на тонкоплівкові і товстоплівкові. Тонкоплівкові сонячні елементи мають товщину в декілька мкм, товстоплівкові - в десятки або сотні мкм.

Залежно від складу поглинаючого матеріалу сонячні елементи підрозділяються на кремнієві, на основі AIHBV полупро-водників, на основі AIIBVI (в основному CdTe), на основі AIBIIICVI2 по-напівпровідників і змішані. Як правило, для зручності конструкції і підвищення ККД СЕ прагнуть домогтися поглинання світла в одному з його шарів. Цей шар називають поглинає (поглиначем). Другий напівпровідник служить лише для створення потенційного бар'єру і збирання генерованих світлом носіїв заряду. Классификація сонячних елементів за матеріалом поглинає шару є найбільш поширеною і найбільш повно охоплює фізико-хімічні аспекти їх отримання, тому доцільно вибрати її в якості базової для подальшого огляду сонячних елементів.

3.2 Основні параметри та характеристики сонячних елементів

Для описи сонячних елементів застосовується набір специ ¬ альних параметрів і характеристик, що дозволяє проводити порівняльну оцінку сонячних елементів різного типу. До специ ¬ альних характеристикам сонячного елемента відносяться вольтамперная (ВАХ) і спектральна. До спеціальних параметрах сонячного елемента відносяться ККД (ефективність), ff (фактор заповнення), U_oc (напруга холостого ходу), I_sc (струм короткого замикання) або J_sc (щільність струму короткого замикання).

Вольтамперна характеристика сонячного елементу показує залежність вихідного струму сонячного елемента від напруги на його висновках (рис.2.11). При зміні величини світлового потоку, що падає на сонячний елемент, його ВАХ змінюється. Тому для отримання достовірних значень прагнуть у всіх вимірах підтримувати ?₀ = 10³ Вт/м² при заданому спектральному складі падаючого світла [3], тобто прагнуть домогтися стандартних умов вимірювання, при яких кожен з тестованих зразків знаходився б в однаковому стані.

Спектральна характеристика (спектральний відгук) представля ¬ ет собою залежність величини квантової ефективності (значення ефективності сонячного елемента при опроміненні його монохрому-тичні світлом на певній довжині хвилі) від довжини хвилі па-дає випромінювання. При вимірі спектрального відгуку також не-необхідно дотримуватися певних стандартних умов вимірювання (докладніше див [3,4,7]).

Ефективність (ККД) СЕ показує, яку частину (у процентному відношенні) сонячної енергії падаючого на нього світла він може перетворити в електрику. Розрізняють ККД по активній площа ¬ ді поверхні (rj_aKin) и КПД по загальній площі поверхні ():

де Р_эл - електрична потужність, що виробляється сонячним елементом при опроміненні;

Ф_Q - щільність потоку падаючого на сонячний елемент світла;

S_aKm и Б_о6щ - площі активної (доступної свеітлу) і загальної (що включає як поверхня, доступну світлі, так і ділянки поверхні, затінені електродної сіткою або скрайбіро-ванні від поглинає шару) поверхні сонячного елементу.

Якщо не вказано тип ККД сонячного елемента, то, як правило, мова йде про ККД по загальної поверхні.

Напруга холостого ходу (U_oc) - це максимальне напруження, що виникає на розімкнутих висновках сонячного елемента при його опроміненні сонячним світлом. Вимірюється в В [вольт] або мВ [мілівольт]. Може бути знайдено як при прямому вимірюванні, так і визначено з вольтамперної характеристики (рисунок 2.10).

Струм короткого замикання (I_Sc) - це максимальний струм, що протікає через висновки сонячного елемента при їх короткому замиканні. Вимірюється в мА [міліампер]. Щільність струму короткого замикання визначається як відношення струму короткого замикання до площі поверхні сонячного елементу:

однак через важкість визначення S_aKm частіше використовують S_o6 (загальну щільність поверхні сонячного елементу).

Фактор заповнення (ff) показує, яка частина потужності, що виробляється сонячним елементом, використовується в навантаженні. Значення фактора заповнення визначається вибором режиму роботи солнечного елемента, тобто значеннями I_w и U_w. Значення ff може бути знайдено як відношення потужності на навантаженні, підключеної до висновків сонячного елемента, до повної електричної потужності, що виробляється сонячним елементом:



где I_w - струм, що протікає через навантаження в робочому режимі;

U_w - Робоча напруга сонячного елемента;

I(U) - вольтамперная характеристика сонячного елементу.

Фактор заповнення вимірюється в% і варіюється від 50 до 85% для різних віидів сонячних єлементів.

Як правило, в оглядах вказується також площа поверхні сонячного елементу. Загальна площа іноді задається у вигляді S=axb, де а - довжина; b - ширина сонячного елемента в см². Для концентраторних елементів в обов'язковому порядку задається коефіцієнт збирання світла (від кількох до 100 і більше сонць).

Модулі характеризуються тим же набором параметрів і характе-них характеристик, що і сонячні елементи. Однак у них, як правило, U и I_sc на порядок більше, ніж для сонячних елементів, і задаються з-відповідально в В [вольтах] і А [амперах]. Площа сонячних модулів становить від 50 до 10000 см². Для сонячних модулів часто вказується номінальна вихідна потужність в Вт [ватах] і число елементів у модулі.

3.3 Фотоелектронні перетворювачі на основі кремнію

Кристалічний кремній

Монокристаллические кремнієві сонячні елементи (c-Si СЕ) виготовляються з кремнієвих пластин 0.3 мм (300 мкм) товщини шляхом їх легування відповідно донорними і акцепторними домішками, створення омічних контактів (суцільного тильного і граткового лицьового) і текстурирования (спрямованого хімічного травлення поверхні) для додання антіотражающіе властивостей. Існують декілька типів конструкції монокристалічних і тонкоплівкових СЕ, що відрізняються способом формування, структурою та розташуванням контактів (малюнки 3.1, 3.2) [5,7].

Станом на 2006 рік випуском сонячних елементів на основі монокристалічного кремнію займався ряд фірм, серед яких: Siemens Solar, Astropower, Solec, BP Solarex, Sharp - c загальною потужністю виробництва 60 МВт при середній ефективності елементів до 22% (рекордна ефективність становить 24.7%) і модулів в 10 - 15% [7-8].

Основний недолік монокристалічних кремнієвих сонячних елементів - велика витрата порівняно дорогого високочистого кремнію, більша частина якого грає роль пасивної підкладки. Слід зазначити, що технологія виробництва сонячних елементів на кристалічному кремнії знаходиться в майже ідеальному стані і досить складно знайти шляхи поліпшення вже існуючих технологічних процесів, відпрацьованих в перебігу багатьох років в рамках виробництва мікроелектронних пристроїв. Крім того, досить добре розроблена теорія фотогальванічних перетворень в монокристалі і на її основі створено комп'ютерні програми оптимізації параметрів монокристалічних сонячних елементів на основі кремнію [5].

Єдиний шлях оптимізації з-Si СЕ - це здешевлення вихідної сировини. Для зменшення собі вартості кремнієвих сонячних елементів досліджується можливість використання як поглинача полі-і мультікрісталліческого кремнію. Мультикристалічних кремній відрізається від злитків кремнію

Серед основних підходів для виробництва поглинає шару таких кремнієвих елементів можна виділити: спрямоване затвердіння, метод гарячого обміну (HEM), плівковий зростання при крайовому харчуванні (EFG), витягування за підтримки з країв (ESP), стрічка на стрічці (RTR), стрічка навпроти краплі (RAD), нізкоугольний кремнієвий лист (LASS) та інші [1,5]

Стрічковий кремній майже монокристалічного якості вирощується з кремнієвого розплаву через графітовий пуансон, або у вигляді мембрани між двома паралельно зростаючими обме ¬ кають кристалічними дендритами, або вирізається лазерним променем з октагонального труби, що витягається з розплаву кремнію. Для зменшення впливу активних дефектів в полікристалічних матеріалах використовуються добавки H, Li, Al, As, P.

Виробництво СЕ на основі мультикристалічних і Полікров-сталліческого кремнію здійснюється низкою відомих фірм: Kyocera, BP Solarex, Photowatt, Ase Americas, Evergreen Solar - з сумарною потужність виробництва в 70 МВт на рік і середньої ефективністю сонячних елементів до 18% і модулів в 9 - 12% [7].

З метою кращого використання матеріалу широко розробляються ються сонячні елементи з поглиначем на основі тонкопленочного кремнію (tf-Si СЕ), що наноситься CVD (осаждененіе з хімічних парів) методом на підкладки різних типів (кремній, сталь, SiO2 та інші). Однак у силу малого коефіцієнта поглинання Si, вирощувати плівки повинні мати значну товщину (до 47 мкм, що тільки на порядок нижче, ніж у монокристалічних елементів). При цьому зменшення товщини поглинає плівки відбивається на ККД сонячного елемента [57,59]. Існує кілька типів конструкції для сонячних елементів на основі тонкопленочного кремня, основні з них представлені на малюнку 3.2.

Станом на 2004 рік потужність виробництва тонкоплівкових кремнієвих сонячних елементів склала більше 1.8 МВт при середній ефективності елементів до 17% і сонячних модулів до 8%. Порівняльна характеристика деяких кремнієвих солнячнихних елементів представлена ??в таблиці 3.1 [7].

Тонкоплівкові сонячні елементи на основі аморфного кремнію

Аморфні сонячні елементи використовують як поглинає шару аморфні речовини, що володіють тільки ближній впорядкованістю структури. Ідеальним аморфним матеріалом для використання в якості поглинача є a-Si (аморфний Крень). Значення його забороненої зона може бути змінено шляхом введення домішки водню (гідрогенізації). Аморфний кремній, легований воднем (a-Si: H), є основою аморфних сонячних елементів. Іноді крім водню в поглинає аморфному шарі використовуються також добавки германію (a-SiGe: H).

Як робочий переходу для a-Si СЕ можуть використовуватися бар'єр Шоттки, МОП-структура, pin-структура. На малюнку 3.3 показані різні варіанти конструкції таких сонячних елементів.

Аморфні кремнієві сонячні елемнти з pin-структурою зараз застосовуються в самих різних областях завдяки можли-ності їх виготовлення на металевій фользі, наприклад з нержавіючої сталі, і полімерних пл ? нках, снабж ? нних металевим покриттям. Використання таких підкладок сумісно з технологією масового виробництва гнучких сонячних елементів. Тому елементи даного типу відносяться до найбільш перспективним перетворювачів сонячної енергії найближчого майбутнього. Основною проблемою, пов'язаною з a-Si сонячними елементами, є їх сильна деградація при опроміненні сонячним світлом, що обумовлено ефектом Стейблер-Вронського. Даний ефект полягає у виникненні метастабільних дефектів в аморфному кремнії при впливі на нього сонячним світлом, що обумовлено трансформацією електронних станів поблизу валентної зони і формуванням відповідних "коливальних зв'язків (danling bonds)", на що акумулюється деяка частина енергії поглиненого-го світла. Тому при розгляді a-Si сонячних елементів звичайні-но оперують початковими, а стабілізованими характеристи-ками, вимірюваними після витримки сонячного елементу під воздей-наслідком сонячного випромінювання протягом не менше ніж 10-3 годин.

Виробництво a-Si сонячних елементів знаходиться вже на досить високому технологічному рівні. В якості основного технологічного процесу використовується тонкопл ? нічна технологія плазменно-підтримуваного осадження хімічних парів із кремній і германій містять сумішей (SiH4, Si2H6, GeH4). Станом на 2005 рік річне виробництво a-Si сонячних елементів і модулів склало більше 19 МВт, основна частина яких-го припадає на фірми USSC, BP Solarex, Cannon, Sanyo, Energy PV. При середній ефективності сонячних елементів до 13% і модулів до 10% 77-80. Основні характеристики деяких сонячних елементів на основі кремнію (монокристалічного з-Si, мікрокрі-сталліческого mс-Si, тонкопл ? нічного tf-Si і аморфного a-Si) представ-лені в таблиці 3.1.В цілому a-Si є досить перспективним матеріалом для сонячних елементів з відносно високим ККД, низькою собівартістю і малою витратою матеріалу за рах ? т значно меншої товщини поглинаючого шару, ніж у решти сонячних елементів на основі кремнія.Едінственная і, мабуть, головна проблема: деградація a-Si впроцессе експлуатації, що значною мірі знижує ККД СЕ і не дозволяє застосовувати їх при наявності сильних іонізуючих випромінювань (наприклад, в космосі). Крім того, отработанность техно-логічних процесів нанесення a-Si залишає значній мірі знижує ККД СЕ і не дозволяє застосовувати їх при наявності сильних іонізуючих випромінювань (наприклад, в космосі). Крім того, отработанность техно-логічних процесів нанесення a-Si залишає відкритим для раціо-налізації виключно конструктивні особливості аморфних сонячних елементів (введення нових сло ? в і переходів, легування ня і т. п.). При цьому підвищення ККД позначається на собівартості елемента за рах ? т введення додаткових технологічних операцій для нанесення нових сло ? в. значній мірі знижує ККД СЕ і не дозволяє застосовувати їх при наявності сильних іонізуючих випромінювань (наприклад, в космосі). Крім того, отработанность техно-логічних процесів нанесення a-Si залишає відкритим для раціо-налізації виключно конструктивні особливості аморфних сонячних елементів (введення нових сло ? в і переходів, легування ня і т. п.). При цьому підвищення ККД позначається на собівартості елемента за рах ? т введення додаткових технологічних операцій для нанесення нових шарів.



4. Моделювання електричних характеристик сонячного елемента на основі кремнію

У зв'язку з загостренням проблеми, пов'язаної з дефіцитом викопного пального, неурегульованості цін на нього, порушень балансу екосистеми активно виконуються розробки з пошуку високоефективних та екологічно чистих альтернативних джерел енергії. Серед відновлюваних джерел енергії ті, які базуються на фотоелектричному перетворенні сонячної енергії можна розглядати як найбільш перспективні [1]. Для перетворення сонячної енергії в електричну активно використовуються фотоелектричні системи (ФЕС), які виробляють постійний електричний струм під час їх освітлення сонячними променями та перетворюють його у змінний за допомогою інвертора. Таким чином, електрична енергія може бути використана для живлення локального навантаження або перерозподілена з загальною мережею. Однією з складових ФЕС є фотоелектричні модулі (ФЕМ), які збираються з окремих фотоелектричних приладів (ФЕП) [2]. ФЕП, що перетворює енергій фотонів сонячного світла у електричну надалі будемо називати сонячним елементом (СЕ). Під дією світла у p-n переході СЕ генерується напруга 0.5?0.7 В [3]. СЕ, що виготовлені на основі монокристалічного кремній, мають краще поєднання ціна-ефективністи-час експлуатації серед інших подібних елементів серійного виробництва.

В розділі розповідається розрахункову модель та розрахунки електричних характеристик СЕ, які були виконані за допомогою однодіодної моделі.

4.1 Математична модель сонячного елемента

Перетворення енергії у СЕ базується на фотоелектричному ефекті, який виникає у неоднорідних напівпровідникових структурах під час дії на них світлового випромінюванню Задана неоднорідність структури СЕ (p-n перехід) можу бути отримана, наприклад за допомогою легування напівпровідника різними типами домішок (донорними або акцепторними). Кванти сонячного світла з енергією, що перевищує ширину забороненої зони напівпровідника, утворюють пари носіїв заряду [1]. Носії які були утворені на відстані меншій за дифузійну довжину, роз'єднуються внутрішнім полем, причому електрони прямують до n, а дірки - до p області перепаду. Таким чином, на металевих електродах виникає різниця потенціалів, яка викликає електричний сурм крізь p-n перехід. Потенціальний бар'єр в структурі зменшується, що приводить до руху електричного струму від n до p області.

Розрахунки електричних характеристик СЕ здійснюються за допомогою двох основних моделей електричної схеми, а саме, однодіодної абр дводіодної моделі [4]. В цьому розділі викладено моделювання та розрахунок ФЕМ за допомогою рівняння Шоклі для діоду. Для моделювання нами було обрано однодіодну модель (рис 4.2). Вихідний струм (I_PH) з джерела (G) пропорційний кількості світла, що на нього падає. У відсутності освітлення СЕ працює як звичайний діод, тобто крізь нього не протікає струм. Але при поєднанні з зовнішнім джерелом він генерує струм діоду (І_D) або темновий струм. Головні параметри, шо описують модель СЕ є струм насичення I₀=f(T), фотострум I_PH =f(T), напруга холостого ходу послідовний опір R_S, шунтуючий опір R_SH, коефіцієнт ідеальності ВАХ - n. Для ідеального СЕ R_S= R_SH=0 [5].

Для розрахунку електричних характеристик СЕ використаємо два головних параметри: струм короткого замикання (I_SC) та напругу холостого ходу (U_OC) [6].

Загальний струм СЕ на навантаженні визначається за допомогою наступного рівняння I= I_PH - І_D - І_SH. Вольт-амперна характеристика СЕ за однодіодною моделлю з врахуванням шунтуючого та послідовного опорів, набуває вигляду [7]:

, (4.1)

де V- напруга;

І - струм, що протікає крізь навантаження;

Т - температура;

n - фактор ідеальності випрямного p-n переходу;

І₀ - струм насичення.

Типова ВАХ СЕ зображена на рис 6.3. на ній можна виділити три головних параметри - це струм короткого замикання I_SC, напруга холостого ходуV_OC, максимальна потужність Pmax [8].

В точці V=V_OC вольт-амперної характеристики I= I_PH=0. Після підстановки цих параметрів у вираз (4.1) отримаємо:

(4.2)

або

(4.3)

В точці I=I_SC вольт-амперної характеристики (рис 4.3) вираз (4.1) набуде наступного вигляду:

, (4.4)

де n₀?1, якщо фотострум майже весь протікає крізь p-n перехід (дифузійний струм);

n₀?2, якщо незначний струм протікає крізь p-n перехід (низький рівень інжекції).

В точці I=I_max, V=V_max на вольт-амперній характеристиці (рис 4.3) потужність P_max=I_max•V_max, що віддається до навантаження, набуває максимальної величини, а вираз (4.1) набуває виду:

(4.5)

або

, (4.6)

де n_max - фактор ідеальності у точці максимуму.

Нахил ВАХ СЕ у точці V=V_oc може бути описаний за допомогою наступного рівняння:

, (4.7)

де n₀ та n_S фактор ідеальності жіоду в точці холостого ходу і короткого замикання відповідно, _V=Voc [1], а нахил ВАХ у точці I-Isc відповідно:

, (4.8)

де _I=Isc [9].

На практиці exp (qV_OC/n₀kT) >> exp(qI_SCRs/n_SkT).

За допомогою перетворень рівнянь (6.2)-(6.8) отримаємо:

(4.9)



де струм насичення I₀=(I_SC-V_OC/R_SH)•exp(-qV_OC/N_maxkT), шутнуючий опір R_SH=R_SH0-R_S, послідовний опір R_S=R_S0-exp(-qV_OC/n_maxkT)•n_SkT/qI₀, фактор якост

.

Фотони, що падають на поверхню СЕ, генерують фотострум:

, (4.10)

де струм I_SC, прямо пропорційний інтенсивності освітлення G (Вт/м²) [10]: I_SC|G=(G/G₀)•I_SC|G0, G₀=1000 Вт/м² - потужність сонячного випромінювання при атмосферній масі АМ 1.5 і температурі 298 К, - температурний коеффіціент струму короткого замикання. Залежність фотоструму від температури має лінійний характер.

Треба зазначити, що зворотній струм насичення залежить від температури СЕ за формулою (4.11):

, (4.11)

де E_G-ширина забороненої зони напівпровідника (еВ).

Максимальну потужність, що виробляється СЕ можна оцінити за допомогою наступного виразу:

, (4.12)



де FF - коефіціент заповнення ВАХ СЕ.

Розрахунки характеристик СЕ було здійснено за допомогою математичного забезпечення пакету MATLAB. Для моделювання були використанні монокремнієві фотоперетворювачі K5M165H-N класу H262 з параметрами, наведеними в таблиці 6.1. Вихідні параметри сонячного елемента були виміряні за сттандартними умовами: G₀=1000 Вт/м², АМ 1,5, Т=298 К.

Таблиця 4.1 - Вихідні параметри сонячного елемента

Параметр	Позначення	Величина
Максимальна потужність	Pmax	2.63±0.03Вт
Струм короткого замикання	ISC	4,77 А
Напруга холостого ходу	VOC	0,62 В
Максимальний струм	Imax	4,71 В
Максимальна напруга	Vmax	0,53 В

4.2 Залежність параметрів сонячного елементу від R_S, R_SH

Згідно з рис. 4.2 основні втрати електричної потужності відбуваються на опорах R_S, i R_SH Так, збшьшення послідовного опору R_S веде до різкого погіршення форми ВАХ та зниженню вихідної потужносп ФЕП (рис. 4.4-4.5). Це можна помітити на збільшенні нахилу кривих біля точки V_ОС. В той же час зменшення шунтуючого опору R_SH від 1 КОм до 10КОм порівняно мало впливае на форму ВАХ (рис. 4.6-4.7). За розрахунками коефіціент ідеальності ВАХ становить n_max=1,22. Таким чином, для підвищення вихідної потужності ФЕПу треба забезпечувати шдвищення R_SH та зменшення R_S.

Вплив інтенсивності освітлення поверхн1 ФЕП (G). 3 виразу (4.10) випливае прямо пропорщйна залежшсть фотоструму I_PH від рівня інсоляції при постійній температурі. Результати впливу G на характеристики ФЕП наведені на рис. 4.8-4.9. Можна бачити, що з зростанням рівня інсоляції струм короткого замикання зростае i збільшується вихідна потужність. Це можна пояснити логарифмічною залежшстю напруги холостого ходу від сонячної інтенсивності, а також струму короткого замикання від променевої енергї. Розрахунки показують, що з зростанням сонячної інтенсивносп I_SC та V_OC збілыпуються, але змінювання напруги холостого ходу не таке значне, як струму короткого замикання, що змешується майже прямо пропорщйно.

4.3 Залежність параметрів фотоелекронно перетворювача від температури

Зростання температури СЕ виявляється:

· у незначному збільшенні струму короткого замикання відповідно з рівняння (4.10);

· у підвищенні струму насичення відповідно з рівнянням (4.11);

· у лінійному спаді напруги холостого ходу у відповідності з залежністю

За розахунками:

· температурний коеффіціент струму короткого замикання становить K_I=0.00273456 А/?С;

· температурний коеффіціент напруги холостого ходу становить K_V=0.074123 В/?С



Висновки

Постановка проблеми. Використання поновлюваних джерел енергії (ПДЕ) для отримання електричної енергії стає невід'ємною частиною сучасної енергетики. Серед інших ПДЕ сонячна енергія займає ключові позиції. Оскільки Сонце існує вже мільярди ЛКТ і прийнято вважати, що дане джерело енергії невичерпний, доступний по всій поверхні Землі і що ще більш важливо є безкоштовним. Фотоелектричні системи (ФЕС) здатні безпосередньо перетворити енергію сонячної радіації в електричну, не мають рухомих частин, з нульовими викидами шкідливих речовин в атмосферу і, як наслідок, є дуже надійними і простими в експлуатації. Недоліком на даний момент є: висока вартість виробництва фотоелектричних елементів.

На основі розробленоі моделі були виконані за допомогою пакету Matlab (Додаток Б) достатньо точні розахунки параметрів СЕ. Розраховані ВАХ та вольтватнахарактеристки показали коректні піддтвердження залежності параметрів ФЕП від послідовного i шунтуючого onopiв, а також від впливу сонячної випромінювання та температури. Модель може бути використана для розрахунку i аналізу ФЕП, сонячних елементів, модулів i систем. Отримані значення ми порівняли з специфікацією ФЕПу, данні співали. Лістинг прграмми наведенов Додаток 2.



Перелік посилань

1. Гременок В.Ф. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов / В.Ф. Гременок, М.С. Тиванов, В.Б. Залеcский. - Минск: Изд.Центр БГУ, 2007. - 222 с

2. Пихтін А.Н. Сонячны елементи на основы контакту метал-напывпровылник/ А.Н. Пихтін- М.: Высш. шк, 1983. - 304 с.

3. Лавриненко В.Ю. Солнечные элементы: Теория и эксперимент./ В.Ю. Лавриненко В.Ю Л.: Леніздат. 1987.- 459с.

4. Коган Л.М. Техніко-економінчні питання використання світло діодів в якості індикації та підсвічування в системі відображення/ Л.М.. Коган. М.: Светотехника, 1990 - 289с.

5. Медведєв Ю. Солнечные элементы / Медведев Ю, Борисов К. // «Іллюмінатор», 1(3)-2003. - С. 54 - 58.

6. Фотоэлектронные преобразователи - режим доступу до ресурсу: http://goo.gl/hVB5Z

7. Бордина, Н.М. Определение параметров вольтамперной характеристики фотопреобразователя / Н.М. Бордина, А.К. Зайцева, В.Н. Стрельцова: Гелиотехника. - 1977. - №1. - 523.

8. Фаренбрух, А. Солнечные элементы: теория и эксперимент / A. Фаренбрух, Р. Бьюб;. - М.: Энерго-атомиздат, 1987. - 280 с.

9. Землюк Г.Я. Проблеми енергозбереження в Україні/, Г.Я Землюк., А.В. Круць. Б.- Буковинська державна фінансова академія, Україна режим доступу: http://www.rusnauka.com/16_ADEN_2010/Economics/68195.doc.htm

Размещено на Allbest.ru