РОЗДІЛ 11. Фотоелектричні перетворювачі

- характеристики сплавів Gaas з алюмінієм, миш'яком, фосфором або індієм доповнюють характеристики Gaas, що розширює можливості при проектуванні сонячних елементів.

Головна перевага арсеніду галію й сплавів на його основі - широкий діапазон можливостей для дизайну СЕ. Фотоелемент на основі Gaas може складатися з декількох шарів різного состава. Це дозволяє розроблювачеві з великою точністю управляти генерацією носіїв заряду, що в кремнієвих сонячних елементах обмежене припустимим рівнем легування. Типовий сонячний елемент на основі Gaas складається з дуже тонкого шару Algaas у якості вікна. Основний недолік арсеніду галію - висока вартість. Для здешевлення виробництва пропонується формувати СЕ на більш дешевих підкладках; вирощувати шари Gaas на підкладках, що віддаляються, або підкладках багаторазового використання.

Створення сонячних елементів на основі гетеро-структур Algaasgaas відкрило нову сторінку сонячної фотоенергетики. У гетеро-структурах удалося сформувати без дефектну гетеро-межу й забезпечити ідеальні умови для фотогенерації електронно-діркових пара і їх збирання р-n-переходом. Оскільки гетерофотоелементи з арсенід-галієвої фотоактивною областю виявилися ще й більш радіаційно-стійкими, вони швидко знайшли застосування в космічній техніці, незважаючи на значно більш високу вартість у порівнянні із кремнієвими фотоелементами.

Це так само було обумовлено застосуванням нового епітаксиального методу вирощування гетероструктур-газофазної епітаксії з пар металоорганічних з'єднань (МОС ГФЕ).

Фоточутливі структури, виготовлені таким методом, мають рекордне значення ККД – 27.6% в умовах висвітлення концентрованим сонячним світлом.

Так само слід зазначити інтенсивний розвиток каскадних (багатоперехідних) сонячних елементів. На основі германієвих підкладок, використовуючи метод МОС ГФЕ, формуються багатошарові погоджені по періоду грат структури, у яких верхній фотоелемент мав γ-п-перехід у твердому розчині InosGaosP, а нижній фотоелемент - в Gaas. Послідовне з'єднання фотоелементів здійснювалося за допомогою тунельного р-n-переходу, спеціально формованого між каскадами. Надалі до процесу фотоелектричного перетворення був підключений і третій каскад з р-n-переходом у германієвої підкладки. На рис. 4.11. показана структура такого багатокаскадного фотоелемента. На цьому рис.: 1-фронтальні контакти; 2 – покриття, що просвітлює; 3 - перший каскад фотоелемента; 4 - перший тунельний р-n- перехід; 5 - другий каскад фотоелемента; 6 - другий тунельний р-n-перехід; 7 - третій каскад фотоелемента; 8 - тильний контакт. У цей час трикаскадні фотоелементи, що володіють ККД близько 28% уже використовуються для енергозабезпечення космічних апаратів.

Рис. 11.4. Багатокаскадний фотоелемент

Запропоновані й зовсім нові підходи, пов'язані з використанням матеріалів із квантовими крапками. Зокрема, мова йде про створення фотоактивного середовища з „проміжною зоною". У структурах багатокаскадних фотоелементів, крім використання знову створених матеріалів із заданим спектром поглинання, імовірно, можна було б поліпшити характеристики комутуючих тунельних діодів (побільшати піковий струм) шляхом уведення між n+- і р+- шарами решіток з вертикально зв'язаних квантових крапок. Полікристалічні тонкі плівки також досить перспективні для сонячної енергетики. Надзвичайно висока здатність до поглинання сонячного випромінювання в диселеніду міді й індію (Cuinse2) - 99 % світла поглинається в першому мікроні цього матеріалу (ширина забороненої зони - 1,0 еВ). Найпоширенішим матеріалом для виготовлення вікна сонячної батареї на основі Cuinse2 є Cds. Іноді для покращення прозорості вікна в сульфід кадмію додають цинк. Небагато галію в шарі Cuinse2 збільшує ширину забороненої зони, що приводить до росту напруги холостого ходу й, отже, підвищенню ефективності пристрою.

Телурид кадмію (Cdte) - ще один перспективний матеріал для фотовольтаїки. У нього майже ідеальна ширина забороненої зони (1,44 еВ) і дуже висока здатність до поглинання випромінювання. Плівки Cdte досить дешеві у виготовленні. Крім того, технологічно нескладно одержувати різноманітні сплави Cdte с Zn, Hg і іншими елементами для створення шарів із заданими властивостями.

Подібно Cuinse2, найкращі елементи на основі Cdte включають гетероперехід з Cds у якості віконного шару. Оксид олова використовується як прозорий контакт покриття, що й просвітлює. Серйозна проблема на шляху застосування Cdte - високий опір шару p-Cdte, що приводить до більших внутрішніх втрат. Але вона вирішена в і-n-структурі з гетеро переходом Cdte/Znte. Плівки Cdte мають високу рухливість носіїв заряду, а сонячні елементи на їхній основі – високими значеннями ККД, від 10 до 16%.

Серед сонячних елементів особливе місце займають батареї, виготовлені на основі органічних матеріалів. Коефіцієнт корисної дії сонячних елементів на основі діоксиду титану, покритого органічним барвником, досить високий - ~12 %. Основа сонячних елементів даного типу - широкозоний напівпровідник, звичайно ТiО2 покритий моношаром органічного барвника. Принцип роботи елемента заснований на фотопорушені барвника й швидкої інжекції електрона в зону провідності ТiО2. При цьому молекула барвника окислиться, через елемент іде електричний струм і на платиновому електроді відбувається відновлення триіодіда до іодіда. Потім іодід проходить через електроліт до фотоелектроду, де відновлює окиснений барвник.