Солнечные элементы

Уменьшение толщины верхнего легированного слоя важно не только для повышения фоточувствительности, но и для улучшения диодных характеристик солнечных элементов. Согласно расчетным и экспериментальным данным, параметры легированного слоя определяющим образом влияют на величину тока насыщения и, следовательно, фото-ЭДС. Подобная роль обусловлена, во-первых, эффектами, связанными с высоким уровнем легирования — сужением запрещенной зоны и уменьшением эффективной концентрации основных носителей, появлением обратного градиента поля, и, во-вторых, чрезвычайно низким временем жизни носителей заряда, вероятно не превышающим 1 нс. Для снижения тока насыщения рекомендуется уменьшить толщину верхнего слоя и обеспечить оптимальный уровень легирования 2-10¹⁹ см^-3 (ранее при создании элементов разработчики стремились к получению в верхнем легированном слое концентрации примеси и свободных носителей заряда на уровне 10²¹ см^-3, близком к пределу растворимости фосфора в кремнии). Влияние возросшего слоевого сопротивления должно быть скомпенсировано соответствующей структурой контактной сетки.

При разработке фиолетовых солнечных элементов эти требования были реализованы за счет ряда технологических и конструктивных новшеств. Основные из них: низкотемпературная (770–800^oC) диффузия в потоке газа носителя, относительно малая поверхностная концентрация легирующей примеси (10¹⁹ см^-3) и густая контактная сетка (8—10 полос/см) при ширине полоски ~50 мкм.

Для уменьшения потерь на отражение света был разработан метод обработки поверхности кремния, позволивший создать «неотражающий», или «черный», солнечный элемент из кремния с высоким КПД. Отличие такого солнечного элемента — особый пирамидообразный, текстурированный (рис. 4.2, а) рельеф верхней поверхности, при котором луч, однажды отраженный от одной грани выступа-пирамиды, вторично попадает на поверхность соседнего выступа, благодаря чему теряется лишь ничтожная часть света. В результате даже при отсутствии просветляющей пленки на поверхности кремния, имеющей исходный коэффициент отражения выше 30–40 %, подобный рельеф снижает потери солнечного света на отражение до ~10 %. Нанесение же просветляющей пленки (например, Ta₂O₅) сводит их к 2–3 % интегрально — по всему солнечному спектру.

Дополнительный эффект текстурирования поверхности — уменьшение глубины поглощения света. Происходящее в результате этого возрастание эффективного коэффициента поглощения а приводит к увеличению коэффициента собирания и плотности фототока.

Помимо традиционной плоской, планарной, конструкции в последние годы широко исследуются солнечные элементы со сложной конфигурацией p-n-переходов, в частности с p-n-переходами, расположенными по нормали к освещаемой поверхности. Они могут изготавливаться либо на общей подложке, либо набираться из отдельных микроэлементов, объединенных материалом контакта (слоем припоя или алюминия).

Вертикальное расположение p-n-переходов открывает дополнительные эксплуатационные возможности солнечных элементов. При последовательном соединении p-n-переходов солнечные элементы генерируют высокие напряжения, вплоть до десятков В/см, и эффективно работают в условиях высокой освещенности, что было убедительно показано советскими учеными, впервые получившими такие высоковольтные элементы. Параллельное включение p-n-переходов создает предпосылки для повышения фототока и, следовательно, КПД солнечных элементов.

Наиболее удачно последняя конструкция реализована в солнечных элементах с рельефной структурой поверхности, схематически изображенной на рис. 4.2, б. Рельеф в данном случае создается, так же как при текстурировании, методом избирательного травления (например, в щелочи) пластины кремния с ориентацией (110). Легированный n⁺-слой^[6] повторяет профиль поверхности. Геометрические размеры элементов рельефа могут задаваться в широких диапазонах значений. В образцах, изготовленных американскими специалистами, разработчиками этой рельефной конструкции солнечных элементов высота. H=100?150 мкм, шаг w?c?7–8 мкм. Рельефная фотоприемная поверхность обладает весьма высоким коэффициентом оптического поглощения, характерным для текстурированной поверхности, благодаря чему потери на отражение у рассматриваемого солнечного элемента минимальны.

Другое очевидное достоинство такого солнечного элемента — высокая объемная фоточувствительность, достигаемая за счет близкого расположения вертикальных участков p-n-перехода. Если w, то практически все рожденные светом в базе пары носителей оказываются разделенными. КПД лучших образцов с рельефной структурой превышает во внеатмосферных условиях 13 %.

Улучшение оптических и фотоэлектрических характеристик солнечных элементов достигается также созданием в легированном и базовом слоях фотоэлемента тянущих электростатических полей (за счет, например, направленного изменения распределения примесей или градиента ширины запрещенной зоны по глубине элемента).