Очевидно, что эффективность собирания для перпендикулярного и параллельного расположения p-n-перехода определяется соответственно соотношениями

γ=(Ln+Lp)/l и γ=(Ln+Lp)/d.

На первый взгляд параллельное расположение кажется более предпочтительным, ибо для полного собирания и разделения носителей наиболее существенным является распределение пар носителей в направлении, перпендикулярном p-n-переходу: равномерная генерация носителей по глубине кристалла создает благоприятные условия для их диффузии к p-n-переходу и последующего пространственного разделения.

Разработанные на основе такого расположения p-n-перехода по отношению к свету многопереходные матричные солнечные элементы, состоящие из большого числа микроэлементов, плоскости которых параллельны по отношению к падающему солнечному излучению (или расположены под небольшим углом к нему), действительно обладают высокой эффективностью собирания носителей в длинноволновой области спектра и позволяют получить значительную фото-ЭДС с единицы освещаемой поверхности.

Однако расчетным и экспериментальным путем было установлено, что из-за весьма небольших размеров микроэлементов рекомбинация созданных светом пар на освещаемой поверхности играет при параллельном расположении p-n-перехода относительно падающего излучения значительно большую роль, чем при перпендикулярном. Вследствие этого для увеличения эффективности собирания в коротковолновой области спектра необходимо создать на обращенной к свету поверхности дополнительный слой, легированный примесью противоположного типа проводимости, т. е. использовать частично структуру с перпендикулярным расположением p-n-перехода.

Если при параллельном расположении концентрация созданных светом пар M убывает от поверхности в глубь полупроводника как в n-, так и в p-области, то при перпендикулярном расположении это характерно лишь для обращенной к свету области кристалла, например n-области, в то время как в p-области наибольшее количество пар образуется у p-n-перехода. Концентрация пар на глубине l подчиняется соотношению, полученному в результате дифференцирования выражения, определяющего убывание энергии волны в е раз при поглощении света полупроводником:

M=N0α exp (-αl),

где N0- число квантов, падающих на единицу поверхности полупроводника.

Концентрация пар, уменьшающаяся в глубину полупроводника, может быть подсчитана для области поглощения полупроводникового материала с помощью зависимости а(Е) (см. рис. 2.1).

Результаты таких расчетов для кремния, выполненных при нескольких значениях длины волны, показаны на рис. 2.7. Вертикальные линии, ограничивающие области, определяемые диффузионной длиной носителей заряда в материале п- и p-типа, позволяют наглядно оценить процесс собирания носителей заряда при перпендикулярном расположении p-n-перехода относительно падающего излучения (см. рис. 2.6, a).

Ординаты построенных кривых пропорциональны α exp (—αl), абсциссы — расстоянию в глубь полупроводника от освещаемой поверхности, площадь между осями и каждой из кривых — потоку падающих квантов, а площадь, ограниченная кривой и ординатами, соответствующими l=lπ+Ln и l=lπ-Lp (заштрихованная часть), — току короткого замыкания кремниевой пластины с p-n-переходом.

Таким образом, отношение заштрихованной площади к общей площади под кривой дает возможность в соответствии с соотношением для квантового выхода внутреннего фотоэффекта определить эффективность собирания γ (при условии, конечно, что квантовый выход фотоионизации β=1).

Планарная конструкция солнечных элементов, изображенная на рис. 2.6,а, стала основной и получила наибольшее распространение. Такие солнечные элементы были созданы из самых разнообразных материалов, причем направления оптимизации этой конструкции можно легко определить, анализируя результаты расчетов, аналогичные выполненным для кремния и представленным в графической форме на рис. 2.7.

Очевидно, что для повышения γ и Ik3 необходимо увеличивать диффузионную длину неосновных носителей заряда по обе стороны p-n-перехода, что может быть достигнуто выбором соответствующих исходных материалов и сохранением высоких значений L в процессе изготовления p-n-переходов. При невозможности увеличить L в области полупроводника, примыкающей к освещаемой поверхности (Lp на рис. 2.6), необходимо приблизить p-n-переход к освещаемой поверхности, чтобы удовлетворялось соотношение Lp>>lπ, где lл — глубина p-n-перехода, и все созданные светом носители заряда могли быть собраны и разделены полем p-n-перехода, как будет видно из результатов исследований, описываемых в гл. 4 и 5.

Подобное же условие следует выполнять и для базовой области солнечного элемента (расположенной за p-n-переходом). Толщина солнечного элемента, определяемая в основном базовой областью, не должна быть меньше глубины проникновения в полупроводник излучения длинноволновой части фотоактивной области спектра (энергия квантов hv>Eg), а диффузионная длина неосновных носителей заряда в базовой области должна соответствовать толщине элемента и глубине проникновения света.

Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

На основные фотоэлектрические параметры солнечных элементов, такие, как вольт-амперная характеристика и спектральная чувствительность, влияют и оптические, и электрофизические свойства полупроводника. Лишь детальный анализ позволяет определить, чем вызвана недостаточно высокая эффективность данного солнечного элемента. Однако для этого прежде всего необходимо измерить основные его характеристики, что дает возможность понять причины возникновения, природу и преобладающий вид потерь.

Уже в первых работах, посвященных теории и экспериментальному изучению свойств солнечных элементов, было показано, что вольт-амперная характеристика солнечного элемента отличается от вольт-амперной характеристики полупроводникового диода появлением члена Iф, обозначающего собой ток, генерируемый элементом под действием освещения, часть которого Iд течет через диод, а другая часть I — через внешнюю нагрузку:

Iф=Iπ+I

где

Iд=I0(exp(qU/KT) -1) —

обычная темновая характеристика, в которой I0 — обратный ток насыщения p-n-перехода; q — заряд электрона; T — абсолютная температура, К — постоянная Больцмана; U — напряжение. При разомкнутой внешней цепи, когда ее сопротивление бесконечно велико и I=0, из приведенных уравнений можно определить напряжение холостого хода солнечного элемента:

Ux.x=ln(Iд/I0+1)KT/q.

Для реального солнечного элемента характерно наличие последовательного сопротивления контактных слоев, сопротивлений каждой из р- и n-областей элемента, переходных сопротивлений металл — полупроводник, а также шунтирующего сопротивления Rш, отражающего возможные поверхностные и объемные утечки тока по сопротивлению, параллельному p-n-переходу. Учет этих сопротивлений и рекомбинации в p-n-переходе приводит к развернутому выражению для вольт-амперной характеристики:

ln(I+Iф/i0 - U-IRп /I0Rш+1) = q/AKT(U-IRп).

В уравнение введен коэффициент А, отражающий