Антиотражающие покрытия солнечного элемента.

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si).

При помощи текстуры мы снизили отражение от поверхности пластины с 35% до 11%. Это означаете, что десятая часть излучения, падающего на поверхность солнечного элемента, все еще будет отражаться обратно и не сможет участвовать в процессе генерации электрического тока. С целью еще большего уменьшения этих потерь, классифицируемых как оптические, на следующей технологической операции на рабочую поверхность солнечных элементов наносится так называемое антиотражающее покрытие (АОП). Опираясь на законы оптики, инженеры подбирают толщину и коэффициент преломления покрытия так, что удается уменьшить отражение до 1-2%. А это уже очень хороший показатель.

Сегодня существует огромное множество различных типов антиотражающих покрытий, которые наносятся несколькими различными методами (APCVD, LPCVD, PECVD и т.п.). На практике в качестве АОП для кремниевых солнечных элементов чаще всего используются пленки оксида титана или нитрида кремния, причем последней все чаще отдается предпочтение. Нитрид кремния обычно наносится методом PECVD, т.е. путем ускоренного плазмой химического напыления из газовой фазы, в специальных трубчатых печах.

Процесс PECVD предполагает, что химический реактив, попадая в зону реактора, распадается под влиянием плазмы и температуры на отдельные элементы, которые затем оседают на поверхность пластины и вступают в химическую реакцию. В результате на лицевой поверхности пластины «выращивается» тончайшая пленка нитрида кремния, которая обладает требуемыми свойствами. Ее толщина составляет около 70 нм, что намного меньше размеров микропирамид текстуры и позволяет добиться эффекта антиотражения независимо от структуры рельефа поверхности.

Этот метод обеспечивает очень хорошую равномерность покрытия. Оценить толщину АОП можно достаточно легко даже на глаз. Оптика такова, что чем неравномернее толщина, тем сильнее изменяется окраска поверхности пластины. Этот же эффект можно наблюдать глядя на разлитый в луже бензин – пленка переливается всеми цветами радуги, давая понять как меняется ее толщина

После нанесения АОП пластина кремния поглощает большую часть солнечного излучения,
падающего на ее поверхность. Причем толщина покрытия оптимизирована таким образом, чтобы наиболее эффективно работать в наиболее эффективном диапазоне спектра. Немного позже я планирую посвятить отдельную публикацию этому вопросу, а сейчас скажу только, что это синяя часть спектра. Именно из-за этого все солнечные элементы имеют красивый и глубокий темносиний цвет.

После нанесения АОП солнечный элемент практически готов. Под действием излучения внутри прибора уже происходит генерация носителей заряда, которые затем разделяются p-n переходом и почти готовы к дальнейшему использованию. Но их нужно передать в цепь нагрузки, а для этого необходимо сформировать контакты на поверхности солнечного элемента.

10.Гетеропереходные солнечные элементы. Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество.

Солнечные элементы являются основными источниками энергии для космических аппаратов. Все большее увеличение требований к бортовым системам делает необходимым разработку солнечных батарей, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами, КПД и сроком службы. Решением проблемы является разработка герероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия и соединений А³В⁵.

Солнечные элементы широко используются в космических солнечных батареях. Имеется большой отечественный и зарубежный опыт использования элементов на основе AlGaAs/GaAs, AlGaInP/GaAs и других наногетероструктур. Солнечные батареи на их основе имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми и германиевыми батареями. Улучшение характеристик происходит за счет уменьшения толщины широкозонного окна до нескольких сот ангстрем, изменения параметров материала активной области, создания тыльных потенциальных барьеров и встроенных полей, создания встроенного Брэгговского зеркала.

Зонные диаграммы р-AlGaAs-p-n-GaAs гетеропереходных солнечных элементов.

Зонные диаграммы р-AlGaAs-p-n-GaAs гетеропереходных солнечных элементов. а-структура, в которой слой р-GaAs со встроенным электрическим полем получен путем диффузии цинка на базу n-GaAs во время роста широкозонного слоя p-AlGaAs; b - зонная диаграммагетероструктуры с сильным встроенным электрическим полем, с- cтруктура с тыльным широкозонным слоем, создающим потенциальный барьер; d-структура с тыльным потенциальным барьером, сформированным высоколигированным слоем n+ -GaAs.

Гетеропереходные солнечные батареи позволяют работать при высоких концентрациях солнечного излучения, которое достигается при помощи линз Френеля с коэффициентом концентрации до 1000 крат, а элементы при этом не нагреваются. При этом происходит и увеличение КПД, значение которого в условиях космоса достигает 30%. Другим преимуществом использования гетероструктур в солнечных элементов является увеличение радиационной стойкости солнечных батарей, обеспечивающее увеличение срока их эксплуатации примерно в 2 раза, так как деградация наногетероструктур происходит значительно медленнее, чем кремния.

Несмотря на более высокую стоимость гетеростуктурных солнечных батарей по сравнению с кремниевыми, затраты при их использованию снижаются примерно в 2 раза благодаря уменьшению их размера, увеличению в 2 раза удельного энергосъема и срока службы, снижению расхода топлива при доставке их на орбиту. В связи с этим в космических программах США, стран Западной Европы, Японии все большее внимания уделяется данному типу солнечных батарей. Наладить крупномасштабное производство гетероструктурных космических солнечных батарей в России очень важно, так как в это требуется в рамках программ научных исследований, для обеспечения обороноспособности страны, для развития систем космической связи, информационных и информационно-управляющих систем.

Дата добавления: 2015-08-17