ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ЕГО СПЕКТРАЛЬНУЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Солнце обеспечивает Землю огромным количеством энергии, которое многократно превышает потребности человечества. Оно может обеспечить растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет. Согласно прогнозам, в XXI веке развитие солнечной энергетики будет оставаться основным среди всех альтернативных источников.

Основным барьером, препятствующим широкому внедрению солнечных элементов (СЭ), является высокая стоимость вырабатываемой ими электроэнергии. Для массового применения солнечного излучения необходимо обеспечить очень эффективное его использование (улучшение КПД СЭ, которое на данный момент колеблется от 10 до 25% [1]) и значительно улучшить экономические характеристики СЭ.

Одной из важнейших характеристик солнечных элементов является спектральная чувствительность [2] – отношение величины, характеризующей уровень реакции приёмника, к потоку или энергии монохроматического излучения, вызывающего эту реакцию.

Существует множество конструктивных параметров, которые в той или иной мере могут влиять на спектральную чувствительность СЭ, например:

• формы текстурированной поверхности (рисунок 1);
• величины коэффициента отражения элемента;
• толщина подложки СЭ;
• глубины залегания p-n перехода при равномерном и экспоненциальном распределении легирующих примесей;
• параметров легированного слоя (влияния тянущего поля)
• и другие.

Рисунок 1. Схема поверхности СЭ

Форма текстурированной поверхности, и коэффициент отражения, и тянущее поле в большой или меньшей степени влияют на спектральную чувствительность, а значит напрямую влияют и на КПД СЭ.

Основной тенденцией создания СЭ является их удешевление, а это напрямую связано с расходом полупроводниковых материалов. Поэтому одним из путей решения данной проблемы – снижение толщины СЭ.

В данной статье рассматривается влияние уменьшения толщины СЭ на спектральную чувствительность. Зависимость спектральной чувствительности S_λ, А/Вт, от толщины СЭ определяется по формуле(1) [3]:

,                                                                                                           (1)

где R_n – коэффициент отражения излучения от поверхности полупроводника, отн. ед;

h – число носителей, генерированных в объёме полупроводника, ед.;

S_lид – идеальная спектральная чувствительность, А/Вт;

α – коэффициент поглощения излучения с заданной длиной волны в кремнии;

d – расстояние между отражающими поверхностями внутри полупроводника, мкм.

Многократное отражение излучения в объёме полупроводника позволяет повысить спектральную чувствительность СЭ по сравнению с такими же структурами без отражения. Наиболее оптимальным для СЭ можно считать двукратное прохождение излучения через структуру, причём коэффициент отражения от планарной поверхности должен быть минимален. Если имеется возможность разделить область проникновения излучения от области собирания и создать условия, при которых R_п ≠ R_п0, то это позволяет получить значительное увеличение спектральной чувствительности СЭ в ИК области спектра даже по сравнению со структурами с многократным прохождением излучения.

Таким образом, уменьшение толщины поглощающего слоя и введение на обратную сторону отражающих покрытий позволяет увеличить квантовую эффективность и спектральную чувствительность от 20 до 50 %. Это положение справедливо для любых конструкций СЭ на любых материалах.

Список литературы:

1. Виды солнечных батарей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.solnpanels.com/vidy-solnechnyh-batarej/.
2. Спектральная чувствительность [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/134980/.
3. Повышение спектральной чувствительности фотодиодов для средней инфракрасной области спектра [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43659.