Оптичні характеристики ФЕП на основі кремнію

Зміст

ВСТУП	4
1. ОПТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЕП НА ОСНОВІ КРЕМНІЮ	6
1.1. Основні принципи роботи ФЕП	6
1.2. Види оптичних втрат фотоелектричних перетворювачів	7
1.3. Методи зменшення коефіцієнта відбиття від поверхні кремнієвого ФЕП	12
1.3.1. Текстурування поверхні кремніефих ФЕП	13
1.3.2. Антивідбиваюче покриття	14
1.3.3. Ламбертів задній  відбивач	15
1.3.4. Зменшення товшини  матеріалу	16
1.4. Спектральні характеристики  кремнієвих ФЕП	16
1.5. Відображення в  інфрачервоній області спектру  ФЕП на основі кремнію	18
1.6 Висновок та постановка  задачі	20
2. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ	21
2.1. Характеристика фотометра відбиття ФО-1	21
2.2. Підготовка фотометра  ФО-1 до роботи	24
2.3. Вимір коефіцієнта  відбиття абсолютним методом	24
2.4 Вимір спектральних  коефіцієнтів відбиття	25
2.5. Висновок	25
3. РЕЗУЛЬТАТИ ТА АНАЛІЗ	26
3.1. Результат досліду	26
3.2. Аналіз досліду	27
3.2.1. Шліфовані кремнієві  пластини	27
3.2.2. Поліровані кремнієві  пластини	28
3.2.3.Текстурована кремнієва  пластина	28
3.2.4. Порівняння	28
ВИСНОВОК	33
Список  використаних джерел	34
Додаток А Вигляд текстурованих пластин	35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Відомо, що в даний  час однією з ключових економічних  проблем української держави  є велика енергоємність промисловості  і залежність від експортера енергоресурсів.

 Намагатися вирішити  цю проблему тільки за допомогою  впровадження технологій, що сприяють  меншому споживанню енергії, - це  шлях в нікуди. Оскільки природні  запаси нафти і газу виснажуються, а ціни збільшуються і будуть  тільки збільшуватися, подорожчання енергоресурсів буде постійно призводити до підвищення цін на різні продукти, послуги і т. д. - що не може не позначатися як на купівельній спроможності громадян України та їх рівні життя, так і на конкурентоздатності товарів українського виробництва. Всі успіхи, які наша держава буде досягати за рахунок енергозберігаючих технологій, будуть нещадно зводитися до мінімуму зростанням цін на природний газ і нафту. Тому, крім енергозберігаючої політики Україні життєво необхідно розвивати власні енергоресурси.

В якості такого енергоресурсу  доцільно розглядати енергію сонця. Наприклад, використання лише 0,0125% енергії  сонця, що надходить на Землю, могло  б забезпечити всі сучасні  потреби людства в енергії. Крім того, енергія сонця є поновлюваним і екологічно чистим джерелом енергії.

Одним з перспективних  напрямків використання сонячної енергії  є її безпосереднє перетворення в  електрику за допомогою напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів (ФЕП). У даний час і в межах  найближчого майбутнього основним матеріалом для виробництва ФЕП був, є і буде кремній.

Вартість ФЕП на основі кремнію потужністю в 1 кВт на сьогоднішній день складає в середньому 4000 доларів. За такої високої вартості ФЕП в країнах, де розвивається отримання електричної енергії з енергії сонця за допомогою кремнієвих ФЕП, передбачені різні програми по відшкодуванню частини витрат особам та організаціям, які впроваджують фотовольтаїчної технологію. Наприклад в США в рамках програми із субсидіювання фотовольтаїки в штаті Каліфорнії в 2001 році розмір таких компенсацій становив від 2,7 до 3 доларів за кожен Вт потужності.

Для того щоб в Україні  і у всьому світі почалося масштабне  використання ФЕП на основі кремнію - необхідно зробити їх вартість економічно привабливою. Цього на даний момент можна добитися не тільки шляхом субсидування фотовольтаїки, але також і впровадженням нових технологій, спрямованих на збільшення ККД ФЕП на основі кремнію, який на даний момент складає близько 15%.

Одним з можливих шляхів збільшення ККД ФЕП на основі кремнію є зменшення коефіцієнта відбиття фотоприймальної поверхні. При падінні сонячних променів на поверхню ФЕП частина з них просто відбивається, а разом з ними і "підходяща" для перетворення в електричну енергію частина сонячного випромінювання. Зі зменшенням коефіцієнта відбиття збільшиться і кількість поглинених ФЕП фотоактивних фотонів, а отже, і кількість електричної енергії, що виробляється сонячним елементом. Для зменшення коефіцієнта відбиття в роботі розглядаються основні оптичні втрати та методи їх усунення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 1

 

ОПТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЕП НА ОСНОВІ КРЕМНІЮ

 

1.1. Основні принципи роботи ФЕП

Найпростіша конструкція фотоелектричного перетворювача(ФЕП) - приладу для перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну - показана на рис. 1.1. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини р сформований р-n-перехід з тонким металевим контактом. На тильну сторону пластини нанесено суцільний металевий контакт. Коли ФЕП освітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються в р-шарі поблизу р-n-переходу, підходять до р-n-переходу та існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область. Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в р-шар (рис. 1.2.а). У результаті n-шар набуває додаткового негативного заряду, а р- шар - позитивного.

 

Рис. 1.1. Конструкція сонячного елемента.

 

Знижується первісна контактна різниця потенціалів  між р- та n-шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з'являється напруга (рис. 1.2.б). Негативному полюсу джерела струму відповідає n-шар, а р-шару - позитивному.

Для ефективної роботи сонячних елементів необхідне дотримання ряду умов:

• оптичний коефіцієнт поглинання активного шару напівпровідника повинен бути достатньо великим, щоб забезпечити поглинання значної частини енергії сонячного світла в межах товщини шару;
• генеруються при освітленні електрони і дірки мають ефективно збиратися на контактних електродах з обох сторін активного шару;
• сонячний елемент повинен володіти значною висотою бар'єру в напівпровідниковому переході;
• повний опір, включений послідовно з сонячним елементом (виключаючи опір навантаження), повинен бути малим для того, щоб зменшити втрати потужності (тепло джоуля) в процесі роботи;
• структура тонкої плівки повинна бути однорідною по всій активній області сонячного елемента, щоб виключити закорочування і вплив шунтуючих опорів на характеристики елементу[8].

 

Рис. 1.2. Зонна модель розімкнутого p-n-переходу:

а)- в початковий момент освітлення;

б) - зміна зонної моделі під дією постійного освітлення і виникнення фото ЕРС.

 

1.2. Види оптичних втрат фотоелектричних перетворювачів

Причинами оптичних втрат  в сонячних елементах є відображення частини сонячного випромінювання від поверхні ФЕП і затінення контактною сіткою. Зниження коефіцієнта відбиття R досягається нанесенням на поверхню ФЕП просвітлюючих покриттів у вигляді тонких плівок, що забезпечують інтерференцію і взаємне гасіння світлових хвиль, відбитих від поверхні плівки і від кордону плівка-напівпровідник. Інтегральний коефіцієнт відбиття, таким чином, може бути зменшений від R≈35% для непросвітленої поверхні до R≈10% при використанні одношарових просвітлюючих покриттів. Створення текстурованої фронтальної поверхні, освіченою, наприклад, регулярно розташованими пірамідами, забезпечує зниження коефіцієнта відбиття до ~20% для непросвітленої поверхні і до декількох відсотків при використанні одношарових покриттів .

Для гладкої поверхні ФЕП (непросвітленої або просвітленої) коефіцієнт відбиття майже не змінюється при збільшенні кута падіння світлових променів до 30-40°, проте потім швидко збільшується, прагнучи до одиниці при кутах падіння, близьких до 90°. При використанні концентраторів випромінювання, що створюють в фокальній площині зображення Сонця (лінзи, сферичні дзеркала), кути падіння променів, як правило, не перевершують 30-40°. Однак при використанні деяких типів концентраторів (фокони, фокліни) кут падіння частини променів може досягати значень, близьких до 90°. Текстурування як поверхні напівпровідника, так і поверхні захисного скла дозволяє значно знизити кутову залежність коефіцієнта відбиття і, отже, зменшити інтегральний коефіцієнт відбиття концентрованого сонячного випромінювання.

Другу частину оптичних втрат в ФЕП становлять втрати на затінення світлочутливої ​​поверхні електричним контактом до освітлюваної області р-n-переходу. Для зниження омічних втрат контакт зазвичай виконується у вигляді металевої сітки з кроком від декількох міліметрів (для перетворення слабоконцентрованного випромінювання) до 0.1-0.3 мм (для перетворення сильноконцентрованного випромінювання). При цьому втрати на затінення можуть становити від декількох відсотків до 10-20%.

Для зниження втрат розглянутого типу були розроблені спеціальні конструкції  перетворювачів концентрованого сонячного випромінювання. У ФЕП, показаному на рис. 1.4.г, контакти обох полярностей виведені на тильну поверхню. В іншому варіанті (рис. 1.4.а/1.6.а) поверхня ФЕП виконана рельєфною і контактні смужки розташовуються на площинах, паралельних ходу світлових променів, що значно знижує коефіцієнт затінення контактами. У третьому варіанті (рис. 1.3) контакти на рельєфній поверхні розташовуються таким чином, щоб відбиті від них промені потрапляли на фотоактивних поверхню ФЕП.

У конструкції ФЕП, зображеного на рис. 1.3, для зниження втрат на відбиття світла від контактів сонячний елемент виконаний з гофрованої фронтальної поверхні при глибині рельєфу 5мкм. Контактні смуги мають ширину, порівнянну з глибиною рельєфу, що при розташуванні контактних смуг під кутом до напрямку гофрування забезпечує попадання частини світла в фотоактивних (вільну від контактів) область структури після відбиття цього світла від контактних смуг. Сонячні фотоелементи даного типу виготовлялися на основі структури n⁺-р-р⁺-типу. В якості вихідного матеріалу використовувався легований бором кремній з низьким питомим опором (0.1-0.2 Ом·см) і високим часом життя неосновних носіїв струму. В умовах опромінення сонячним світлом з повітряної масою AM 1.5 при 28°С і ступеня концентрування Kc =70-100 отримано ККД, рівний ~ 25%. При прямій сонячній засвіченні (Kc =1) ККД дорівнює 22%[4].

 

Рис. 1.3. Схематичне зображення n⁺-р-р⁺-кремнієвого ФЕП з гофрірованною фронтальною поверхнею.

1 - контактна смуга  на рельєфній поверхні;

2 - «покриття, що просвітлює;

3 - тильний контакт.

 

Рис. 1.4. Схематичне зображення різних конструкцій ФЕП з вертикальними р-n -переходами (а-в) і з гребінчастим р⁺ та n⁺ -областями, винесеними на тильну поверхню, і текстурованою фронтальною поверхнею (г).

 

Рис. 1.5. Схемм коммутації вертикальних (а, б) та планарних (в) багатоперехідних ФЄП

Рис. 1.6. Конструкції багатоперехідних ФЕП.

а) - з витравленими вертикальними канавками;

б) - з канавками V-подібної форми .

 

На рис. 1.4. показані різні варіанти багатоперехідних кремнієвих ФЕП: гібридна конструкція - поєднання планарного і вертикального ФЕП (а); вертикальний ФЕП із загальною р-базою (б); ФЕП з р-областями, розділеними вертикальними n⁺-областями (в); багатоперехідний ФЕП з гребінчастим n⁺- та р⁺-областями, винесеними на тильну поверхню, і текстурованою фронтальною поверхнею (г)[4].

Однак невирішеною проблемою  є оптичні втрати, пов'язані з  втратами на затемнення фронтальної  поверхні та втратами на виведення  не фотоактивного випромінювання з  тильного боку, зумовлені наявністю тильного контакту. Оптимальним варіантом рішення цієї проблеми є використання ФЕП з вертикальним розміщенням p-n- переходів, тобто торцевий ФЕП , який не містить контактної rратки на фронтальній та тильній поверхні. Крім того, перевагою торцевих ФЕП є їхня високовольтність, тобто вони генерують високу напругу та малий струм при тій самій вихідній потужності, що й планарні. Це дає змогу зменшити втрати електричної потужності на послідовному опорі структури. Крім відсутності затемнення контактною rраткою, ФЕП торцевої конструкції є прозорим у довгохвильовій ділянці спектра за краєм основної смуги поглинання, що зменшує нагрівання структури в процесі експлуатації і дає змогу створити складові каскадних сонячних елементів.

Незважаючи на переваги порівняно з планарними аналогами, торцеві ФЕП не отримали широкого застосування і є не досить вивченими[2].

Можливі схеми сполуки  мікроелементів в багатоперехідних фотоперетворювачах показані на рис. 1.5 - паралельне (а, в) і послідовне (б ) з'єднання. Ширина кожного елемента у вертикальних ФЕП робиться меншої довжини дифузійного зміщення ННЗ, що забезпечує досягнення високого коефіцієнта збирання. У довгохвильовій області спектра збільшення коефіцієнта збирання ННЗ забезпечується за рахунок зменшення відстані, яку необхідно пройти носіям до їх поділу вертикальними р-n-переходами. У короткохвильовій області збирання носіїв покращується за рахунок збільшення часу життя носіїв у приповерхневій області, яка, як і об'ємний матеріал, може бути виконана з кремнію з високими значеннями τ, а також за рахунок можливості зниження швидкості поверхневої рекомбінації[4].