Конструкции и материалы солнечных элементов

 

 

Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a- Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремнийвыступил в качестве более дешевой альтернати-

 

вы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кри- сталлического. Поэтому для существенного поглощения видимого света дос-

 

 

таточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих крем-

 

ниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим техноло- гиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристалличе- скими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклян- ные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а- Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе

а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

 

Арсенид галлия– один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следую- щими его особенностями:

- почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина за-

 

прещенной зоны 1,43 эВ;

 

- повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

- высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективно- стью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использо- вания в космических аппаратах;

- относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

 

- характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе –

 

широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе

 

GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет

 

 

разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда,

 

что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем ле- гирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для уде- шевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленкитакже весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света по- глощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны –

1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту на- пряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности уст- ройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимиче- ское осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.

Теллурид кадмия(CdTe) – еще один перспективный материал для фо- товольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe доста- точно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно полу- чать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для созда- ния слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают ге-

теропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пу-

 

 

ти применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к

 

большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропе- реходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носите- лей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД,

от 10 до 16%.

 

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, исполь- зующие органические материалы. Коэффициент полезного действия сол- нечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим кра- сителем, весьма высок – ~11 %. Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органи- ческого красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и

на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида.

 

Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавлива-

 

ет окисленный краситель.