— контакты к областям кремния n-типа; 2 — контакты к областям кремния р-типа; 3 — изолирующий слой оксида алюминия; 4 — одно- или двуслойное просветляющее покрытие

На рисунке показаны три из разработанных недавно конструкций солнечных элементов на основе монокристаллического кремния.

Конструкция а получила название солнечного элемента с точечными контактами на тыльной поверхности. В качестве базовой пластины толщиной 75—100 мкм выбран достаточно высокоомный кремний, выращенный методом бестигельной зонной плавки, с удельным сопротивлением 200 Ом×см и высоким временем жизни носителей заряда — около 1 мс. На обращенной к свету поверхности в таком элементе нет привычного для пас диффузного p-n-перехода. Эта поверхность, которая может быть полированной или текстурированной, покрыта пассивирующей пленкой оксида кремния толщиной 1100 А, резко уменьшающей скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда. На тыльной поверхности расположены маленькие (размером 10 × 10 мкм) сильнолегированные области п- и р-типа, причем расстояние между ними составляет всего 30 мкм. Общее число легированных микрообластей на тыльной поверхности элемента размером 0,8×0,8 см2 составляет 73441! К каждой из областей создан практически точечный контакт площадью 5×5 мкм из алюминия (переходная область между сильнолегированным кремнием и алюминием состоит из сплава палладий — кремний). Алюминиевые контакты к п- и p-областям изолированы друг от друга диэлектрическим слоем оксида алюминия, а токосъемные шинки, расположенные на тыльной поверхности, напоминают две гребенки, входящие друг в друга с небольшим зазором. Именно для этой конструкции солнечного элемента получен при 150-кратной концентрации солнечного излучения КПД 22,4 %, и ожидается, что при 500-кратной концентрации оп достигнет 27–28 %.

Для конструкции элементов с точечными контактами характерны высокие значения напряжения холостого хода t7xx, составляющие 0,81 В при степени концентрации солнечного излучения, равной 150. Причиной столь высоких для кремния значений Ux.x является весьма низкий уровень рекомбинационных потерь всех видов: объемная рекомбинация уменьшена за счет использования тонкой базовой пластины с высоким временем жизни носителей заряда, поверхностная рекомбинация — благодаря пассивирующей оксидной пленке как на верхней, так и на тыльной поверхностях, рекомбинация на контактах снижена путем резкого уменьшения площади, занимаемой контактами. При этом токи, генерируемые солнечными элементами данного типа, тоже достаточно большие, чему способствует отсутствие затенения верхней поверхности контактными полосами и полное улавливание света в этой структуре (алюминиевые слои поверх пассивирующих слоев на тыльной поверхности служат хорошими отражателями света, позволяющими добиться многократного его прохождения между верхней текстурированной и тыльной зеркальной поверхностями).

Конструкция б (см. рисунок) получила название структуры металл — диэлектрик — полупроводник с p-n-переходом. В ней используется, как правило, низкоомный базовый слой с удельным сопротивлением 0.1–0,2 Ом ×см, но выращенный методом бестигельной зонной плавки и характеризующийся высоким структурным совершенством, благодаря чему диффузионная длина неосновных носителей заряда составляет довольно большую величину — около 200 мкм. Тончайшая пассивирующая пленка, расположенная как на открытой для света части верхней поверхности элемента конструкции б, так и под контактами на той же поверхности, где ее толщина составляет менее 30 А, значительно уменьшает рекомбинацию на поверхности и в приконтактных областях, поскольку перенос носителей заряда происходит за счет туннелирования электронов из таких металлов, как Ti, Al, Mg, имеющих меньшую работу выхода, чем у кремния.

Эти же особенности — высокие значения Uxx и низкий уровень рекомбинационных потерь характерны и для конструкции в, получившей название солнечного элемента с пассивированной эмиттерной областью. Пассивирующая пленка в этой конструкции также весьма тонка, и тем не менее с ее помощью предотвращается рекомбинация на поверхности и под контактами, которые в этой конструкции занимают весьма’ небольшую площадь освещаемой поверхности. В то же время малая толщина пленки SiO2 не мешает снизить потери на отражение света с помощью эффективного просветления покрытиями TiO2 и SiO2 или ZnS и MgF г. Расчет, выполненный для таких структур, показал, что двуслойное покрытие из пленки TiO2 толщиной 475 А и пленки SiO2 толщиной 986 А (нанесенное поверх пассивирующей пленки SiO2 толщиной 60—100 А) позволяет увеличить ток короткого замыкания солнечных элементов на 50,4 %. Для контактов в конструкциях бив используются Ti, Pd, Ag.

Среди усовершенствований, внесенных в ходе исследований последних лет в конструкцию и технологию солнечных элементов, следует отметить и создание с помощью сканирующего по поверхности лазерного луча «бархатных» микрорельефов и различного типа микрогравировок поверхности, а также получение прочно соединенных с полупроводником металлических контактных слоев, образованных лазерным разложением многокомпонентных печатных паст, предварительно нанесенных на верхнюю и тыльную поверхности полупроводника.

У солнечной энергетики светлое будущее. Несомненно, что этот метод преобразования солнечной энергии станет занимать в жизни человечества все более заметное место.

На выставке научно-технических достижений стран СЭВ в области солнечной энергетики, организованной одновременно с конференцией и встречей специалистов в сентябре 1986 г. в Ашхабаде, наши коллеги из Туркмении продемонстрировали успешную работу походного солнечного электролизера. Ток, вырабатываемый портативной солнечной батареей, выделял из воды, залитой в установку из бегущего с гор ручья, газообразный водород, и в стоящей рядом газовой плите весело загорался голубой язычок пламени! Солнечная и водородная энергетики — экологически чистые, удобные, бесшумные, неисчерпаемые — работали вместе так же слажено, как они будут трудиться на благо человечества во все больших масштабах в XXI в.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Литература

1. Авдувеский В. C., Гришин С. Д., Лесков Л. В. и др. Энергетика и космос // Земля и Вселенная. 1981. № 6. С. 2–6.

2. Алферов Ж. И., Андреев В. М. Перспективы фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии//Преобразование солнечной энергии. Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1981. С. 7—20.

3. Лидоренко H. C., Евдокимо. в В. M., Зайцева А. К., Колтун Μ. М. и др. Новые модели солнечных элементов и перспективы их оптимизации // Гелиотехника. 1978. № 3. С. 3—17.

4. Лидоренко H. C., Тарнижевский Б. В. Перспективы разработки наземных фотоэлектрических установок прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию // Tp. Всемир. конгр. «Солнце на службе человека». Париж, 2–6 июля 1973 г. С. 533–544.

5. Васильев A. M., Ландсман А. П. Полупроводниковые фотопреобразователи. M.: Сов. радио, 1971. 246 с.

6. Арджанов A. C., Закс М. Б., Касаткин В. В. и др. Кремниевые фотопреобразователи для наземной солнечной энергетики: Проблемы и пути создания крупномасштабного производства//II Всесоюз. конф. «Возобновляемые источники энергии»: Тез. докл. Ереван, 28–31 мая 1985 г. Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1985. Т. 1. С. 22.

7. Глиберман А. Я., Ковалев И. И., Четверикова Г. А. Фотопреобразователи