4) Имитаторы солнечного излучения

Поскольку коэффициент полезного действия фотоэлементов зависит от спектрального состава падающего излучения, для проведения измерений необходим имитатор солнечного излучения. В идеальном случае имитаторы должны с наилучшим приближением воспроизводить все параметры солнечного излучения - параллельность лучей, стабильность во времени и равномерность освещения, спектральный состав, плотность потока. Такие приборы сложны и дороги, поэтому в зависимости от конкретного назначения создаются специализированные имитаторы. Поскольку чувствительность большинства СЭ наиболее распространенных конструкций лежит в значительно более узком спектральном диапазоне ( для кремния см. выше), чем интервал длин волн, охватываемый внеатмосферным солнечным излучением ( 0.2 - 2.5мкм ), это обстоятельство облегчает задачу разработки имитаторов солнечного излучения.

Источником излучения большинства зарубежных имитаторов служит ксеноновая лампа высокого давления. Спектр коррегируется интерференционными светофильтрами. Параллельность лучей достигается в большинстве современных имитаторов за счет применения коллиматоров ( как правило , параболоидных зеркал или линз Френеля ), в фокусе которых размещается изображение тела накала источника излучения, которое в свою очередь создается конденсорами ( чаще всего зеркальными эллипсоидами с большим углом охвата ).

Уменьшения инфракрасной (ИК) составляющей излучения имитатора можно добиться введением теплопоглощающего фильтра, образуемого слоем воды толщиной 2 - 4см. Вода прозрачна в ультрафиолетовой (УФ) части спектра до длин волн порядка 0.2мкм и по всему видимому диапазону. Однако она непрозрачна в ИК области для всех длин волн, соответствующих толщине ее слоя, а именно : 1мм - 2.4мкм,1см - 1.5мкм, 10см - 1.2мкм, 10м - 0.9 мкм.

6. Конструкция солнечных элементов

Из рассмотрения основных процессов, происходящих в солнечном элементе при преобразовании оптического излучения в электрическую энергию, следует, что эффективность каждого из них зависит от оптических и электрофизических свойств полупроводникового материала (отражение от поверхности, квантовый выход фотоионизации, диффузионная длина неосновных носителей заряда, спектральное положение основной полосы поглощения), от характеристик р-п перехода ( механизма протекания обратного тока, высоты потенциального барьера, ширины области объемного заряда ), от геометрического фактора ( соотношения между диффузионной длиной носителей заряда и глубиной залегания р-п перехода ), а также от степени легирования областей полупроводника по обе стороны р-п перехода.

Желание примирить часто взаимно исключающие требования и найти оптимальное компромиссное техническое решение привело разработчиков к выбору планарной конструкции солнечных элементов в качестве основной. С небольшими дополнениями (введение тянущих полей , изотипного барьера у тыльного контакта, замена сплошного тыльного контакта на сетчатый, нанесение отражающего слоя на тыльную поверхность ) эта конструкция остается на протяжении ряда лет без изменений, во всяком случае для солнечных элементов из монокристаллического кремния с гомогенным р-п переходом.

Внешнюю, обращенную к падающему оптическому излучению область из кремния делают очень тонкой и сильно легируют ( до концентрации атомов примеси 10²⁰ - 10 ²¹ см ^-3 ) напри мер атомами фосфора, так, что она становится областью п-типа.

Базовую область полупроводника р-типа легируют сравнительно слабо ( 10¹⁶ - 10¹⁷ см ^-3), например , бором ( обычно при росте монокристалла ).

Внешнюю поверхность покрывают занимающей 5 - 7% площади сеткой из токосъемных полос различной конфигурации. На поверхности элемента площадью 2см х 2 см достаточно создать один контакт в виде полоски шириной 0.5 - 1мм по любой стороне элемента и от шести до двенадцати отходящих от него контактных токосъемных полос шириной 0.05 -0.1мм, чтобы понизить составляющую легированного слоя в общем последовательном сопротивлении элемента R_п до значений 0.15 - 0.2 Ом. На тыльной стороне создают сплошной или сетчатый контакт.

Диффузионная длина неосновных носителей заряда в сильно легированном верхнем слое обычно составляет 0.2 - 0.6мкм, в базовом слое 100 -200мкм. Малая диффузионная длина в легированном слое диктует необходимость мелкого залегания р-п перехода ( в интервале 0.3 - 0.6мкм). При этом, чтобы обеспечить поглощение всех падающих фотонов с энергией hE_g , толщина базовой области должна быть не менее 200мкм.

Первый слой тыльного контакта для уменьшения переходного сопротивления металл - кремний р-типа часто выполняется из алюминия, который затем перекрывается пленками титана , палладия и серебра или никеля и слоем припоя из олова и свинца.