Идеальный солнечный элемент

Солнечный элемент (СЭ) — это электронное устройство, напрямую преобразующее солнечное излучение в электричество.

Свет, падающий на солнечный элемент, приводит к появлению в нем тока и напряжения, таким образом создавая полезную электрическую мощность. Для того, чтобы все устройство работало, нужен, во-первых, материал, в котором поглощенный свет возбуждает электроны в состояния с более высокой энергией, и, во-вторых, нужно переместить ставшие свободными электроны из СЭ во внешнюю цепь. Электроны, покинувшие СЭ, отдают полученную энергию во внешней цепи и возвращаются обратно. Процесс прямого преобразования энергии солнца в электроэнергию можно осуществить множеством способов с применением различных материалов, но сегодня для этого используются главным образом СЭ на основе полупроводниковых материалов с p-n переходом.

Поперечное сечение СЭ.

Основные стадии работы СЭ:

- генерация носителей под действием излучения
- сбор сгенерированных носителей и получение тока
- образование высокого напряжения
- рассеяние энергии через нагрузку и паразитные сопротивления

Световой ток

Создание тока в СЭ, который часто называют световым током, включает два основных этапа.

На первом этапе происходит поглощение падающих фотонов и создание электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары образуются при условии, что энергия фотона превышает энергию запрещенной зоны. Возбужденные электроны в p-области и дырки в n-области находятся в метастабильном состоянии и, перед тем, как рекомбинировать, «живут» на протяжении определенного времени, называемого временем жизни. Если носители рекомбинируют, то можно считать сгенерированную светом электронно-дырочную пару пропавшей, так как она не вносит вклад в создаваемую СЭ мощность.

На втором этапе носители разделяются полем p-n перехода, что предотвращает их рекомбинацию. Когда неосновной носитель, сгенерированный светом, достигает p-n перехода, он выметается через переход под действием его электрического поля в другую сторону, где он становится основным носителем. Если эмиттер и база СЭ соединены между собой (например замкнуты накоротко), то носители, сгенерированные светом, протекают через внешнюю цепь. Ток носителей при коротком замыкании показан на следующих рисунках.

Идеальный ток электронов и дырок через p-n переход.

Неосновные носители не могут пересечь барьер между металлом и полупроводником, поэтому, чтобы поучаствовать в производстве тока до того, как они рекомбинируют, неосновные носители должны быть разделены полем p-n перехода.

Вероятность разделения носителей

Вероятность разделения носителей — это вероятность того, что носитель, сгенерированный поглощенным светом в определенной области устройства, будет разделен p-n переходом и внесет вклад в ток. Она зависит от того, на каком расстоянии от p-n перехода родилась электронно-дырочная пара, а точнее, как это расстояние соотносится с диффузионной длиной носителя. Также она зависит свойств поверхности. Вероятность разделения носителей, появившихся в обедненной области равна единице, так как все электроны и дырки сразу же разделяются полем. Вероятность разделения падает с увеличением расстояния до перехода. Если носитель родился на расстоянии, превышающем диффузионную длину, вероятность разделения очень мала. Соответственно, если неосновной носитель оказался близко к области с высокой скоростью рекомбинации, например, поверхности, вероятность его разделения также мала. Влияния пассивации поверхности и диффузионной длины на вероятность разделения носителей представлена ниже.

Расчет вероятности разделения носителей. Диффузионная длина в эмиттере обозначена красным, в базе — синим. Ln — диффузионная длина неосновных носителей. SRV — скорость поверхностной рекомбинации.Световой ток в СЭ, как было сказано выше, создается в результате генерации и разделения неосновных носителей. Таким образом скорость генерации и вероятность разделения имеют определяющее значение для образования светового тока. Его можно представить, как интеграл по всей толщине устройства по скорости генерации в определенной точке, умноженной на вероятность разделения носителей в этой точке. Уравнение для плотности светового тока JL с произвольной скорость генерации G(x) и вероятностью разделения CP(x) приведено ниже. Скорость генерации для кремния при условии АМ1.5 .

где
q — заряд электрона
W — толщина устройства
α(λ) — коэффициент поглощения
H0 — число фотонов определенной длины волны

Световой ток зависит от генерации носителей и вероятности разделения этих носителей.

Скорость генерации в кремнии при условии АМ1.5 . Обратите внимание, что скорость генерации максимальна вблизи поверхности СЭ. Это обстоятельство делает их очень чувствительными к свойствам поверхности. Неоднородность вероятности разделения приводит к существованию спектральной зависимости светового тока. К примеру, вероятность разделения на поверхности ниже, чем в глубине СЭ. Сравните скорость генерации для синего, зеленого и инфракрасного света с помощью интерактивного графика ниже. Синий свет практически полностью поглощается в первых микронах, поэтому, если вероятность разделения на лицевой поверхности мала, синий свет не будет вносить вклад в световой ток.

Образование электронно-дырочных пар под действием различных длин волн в кремнии. Коэффициент поглощения синего света с λ = 0.45 мкм равен 105 см-1, поэтому он поглощается очень близко к поверхности. Красный свет 0.8 мкм с λ = 103 см-1 поглощается более глубоко. Инфракрасный свет с λ = 1.1 мкм и коэффициентом поглощения 103 поглощается слабо, так как его энергия близка к энергии запрещенной зоны кремния.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность — это отношение числа носителей, собранных солнечным элементом, к числу фотонов данной энергии, падающих на солнечный элемент. Ее можно представить либо как функцию энергии, либо как функцию длины волны. Квантовая эффективность равна единице, если были поглощены все фотоны определенной длины волны и собраны все неосновные носители, рожденные этими фотонами. Квантовая эффективность фотонов с энергией меньше энергии запрещенной зоны равна нулю. Кривая квантовой эффективности идеального солнечного элемента приведена ниже.

Квантовая эффективность кремниевого солнечного элемента. Обычно квантовая эффективность не измеряется для волн с длиной меньше 350 нм, так как для условий АМ 1.5 их интенсивность незначительна.

В то время как кривая идеальной квантовой эффективности имеет квадратную форму, квантовая эффективность большинства реальных СЭ уменьшается в связи с существованием рекомбинации. На квантовую эффективность влияют те же факторы, что и на вероятность разделения носителей. Например, пассивация лицевой поверхности оказывает влияние на носители, рожденные в непосредственной близости от нее, и, так как синий свет поглощается очень близко к поверхности, высокая скорость поверхностной рекомбинации отразится на «синей» части кривой квантовой эффективности. Аналогично и для зеленого света. Большая его часть поглощается в глубине полупроводника, и на вероятность разделения носителей, рожденных зеленым светом, будет влиять низкая диффузионная длина, что скажется на «зеленой» части кривой. Квантовую эффективность можно представить как вероятность разделения электронно-дырочных пар, созданных определенной длиной волны, проинтегрированную по всей толщине устройства и нормированную на число падающих фотонов.

«Внешняя» квантовая эффективность кремниевого солнечного элемента включает отраженный и прошедший свет. Однако практическое значение имеет квантовая эффективность света без отраженной и проходящей компонент. Она называется «внутренней» и представляет собой эффективность, с которой оставшиеся после отражения и пропускания фотоны могут создавать свободные носители. Таким образом, чтобы получить внутреннюю квантовую эффективность, нужно скорректировать кривую внешней квантовой эффективности, измерив отражающую и пропускающую способность СЭ.

Спектральная чувствительность

Спектральная чувствительность имеет приблизительно то же значение, что и квантовая эффективность. Разница заключается в том, что если квантовая эффективность дает число электронов на выходе из СЭ, отнесенное к числу падающих фотонов, то спектральная чувствительность — это отношение тока, произведенного СЭ, к мощности падающего на него излучения. Кривая спектральной чувствительности приведена ниже.

Спектральная чувствительность кремниевого солнечного элемента под стеклом. Стекло поглощает большую часть коротковолнового излучения и поэтому чувствительность СЭ в этой области очень низка. Посередине спектральная чувствительность приближается к идеалу. В длинноволновой части чувствительность снова падает до нуля. Так как кремний является непрямым полупроводником, в кривой спектральной чувствительности СЭ на его основе нет резких обрывов на длине волны, равной ширине запрещенной зоны (Eg = 1.12 эВ).

Идеальная спектральная чувствительность ограничена для длинных волн невозможностью поглощения фотонов с энергиями меньше энергии запрещенной зоны. Этот предел аналогичен и для кривых квантовой эффективности. Однако, в отличие от резкого обрывания кривой квантовой эффективности, кривая спектральной чувствительности плавно убывает в коротковолновой области. Коротковолновое излучение имеет большую энергию, что приводит к уменьшению отношения числа фотонов к энергии. Часть энергии, превышающей ширину запрещенной зоны не используется солнечным элементом, рассеиваясь в виде тепла. Невозможность использовать фотоны с маленькой энергией и излишек энергии коротковолновых фотонов является значительным источником потерь энергии в однопереходных СЭ.

Спектральная чувствительность является важной характеристикой, так как ее можно непосредственно измерить. Потом из нее можно рассчитать квантовую эффективность. Это делается путем замены мощности излучения определенной длины волны на поток фотонов этой длины волны. В результате получается:

Фотоэлектрический эффект

Разделение носителей, сгенерированных светом, само по себе не ведет к производству энергии. Для того, чтобы получить энергию, вместе с током нужно создать напряжение. Напряжение в СЭ создается в процессе фотоэффекта.

Разделение носителей, сгенерированных светом, приводит к тому, что электроны оказываются в n-области, а дыроки — в p-области. При коротком замыкании заряды в этих областях не накапливаются, а уходят из СЭ в виде светового тока. Однако, если для сгенерированных носителей создать препятствие, то разделение носителей будет приводить к увеличению количества электронов в n-области и дырок в p-области. В результате будет в p-n переходе будет создано поле, направленное противоположно уже существующему в обедненной области. Результирующее поле таким образом уменьшается. Так как электрическое поле является барьером для протекания прямого диффузионного тока, его уменьшение увеличивает диффузионный ток. Устанавливается новое равновесие, при котором в p-n — переходе образуется напряжение. Ток солнечного элемента равняется разности между световым током и током прямого смещения. Если цепь разомкнута, диффузионный ток прямого смещения в p-n — переходе увеличивается на столько, что полностью компенсирует световой ток, и суммарный ток равен нулю. Напряжение, необходимое для уравновешивания этих двух токов называется напряжением холостого хода. Следующая анимация показывает течение тока при замкнутой и разомкнутой цепи.

Модель течения токов в СЭ при равновесии, коротком замыкании и холостом ходе. Обратите внимание на различные величины токов через переход. При равновесии (то есть в темноте) диффузионный и дрейфовый токи незначительны. При коротком замыкании концентрация неосновных носителей на обеих сторонах перехода увеличивается и ток дрейфа, который зависит от числа неосновных носителей, увеличивается. При разомкнутой цепи сгенерированные светом носители смещают переход в прямом направлении увеличивая таким образом диффузионный ток. Так как токи дрейфа и диффузия направлены противоположно, суммарный ток СЭ становится равным нулю.PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowden

Параметры солнечного элемента→