Конструкция полупроводникового преобразователя солнечной энергии с улучшенными параметрами выдерживает экзамен

Для использования энергии солнца находят применение преобразователи солнечной энергии в электрическую, в состав которых входят фоточувствительные структуры, включающие p-n переходы, из высокоомных элементов типа А₃В₅. Однако, такие преобразователи обладают существенными недостатками: невысокой выходной мощностью и высоким сопротивлением растекания носителей.

Созданная нами конструкция полупроводникового преобразователя солнечной энергии (ППСЭ) обладает улучшенными электрофизическими параметрами.

Конструктивно ППСЭ состоит из полупроводниковой р⁺-p-i-n⁺ фоточувствительной структуры, включающей n⁺-слой широкозонного полупроводника (подложка), на которой последовательно размещен i-слой собственной проводимости, p-слой и р⁺-слой , которые выполнены из того же широкозонного полупроводника.

На сильнолегированном р⁺-слое сформирован проводящий слой из светопрозрачного материала, одновременно являющийся просветляющим слоем. На проводящий слой, являющийся омичиским контактом к р⁺-слою широкозонного полупроводника, нанесен внешний металлический вывод. n⁺-слой широкозонного полупроводника размещен на металлическом основании, являющимся внешним выводом ППСЭ.

При воздействии квантов света на рабочую поверхность ППСЭ со стороны электропроводящего просветляющего слоя фотоны с энергиями

Еv ≥ Еg, где Еg ширина запрещённой зоны широкозонного полупроводника, проходят просветляющий слой, тонкий р⁺-слой широкозонного полупроводника, р-слой, достигают i-слоя собственной проводимости и создают в р-слое и i-слое широкозонного полупроводника избыточную концентрацию носителей заряда.

Избыточная концентрация фотогенерированных электронов и дырок в р-слое и i-слое определяется из зависимости

Δn=βη I_v τ_n, Δp= βη I_v τ_p (1), где β - квантовый выход, η - коэффициент поглощения света в р-слое и i-слое , I_v -интенсивность света, τ_n, τ_p - время жизни избыточных электронов и дырок.

Фотогенерированные электроны и дырки разделяются электрическим полем первого p-i перехода и второго i-n⁺ перехода, причем дырки движутся к верхнему омическому контакту – проводящему слою, а электроны к n⁺- слою, выполняющему функции нижнего омического контакта ППСЭ. Вследствие разделения зарядов на последовательно соединённых р⁺-i и i-переходах возникает суммарная фото ЭДС Ud, максимальное значение которой при холостом ходе

kT

Ud = — In (I_ф/ I_s) (2), и течет ток через i-n⁺ переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками

I_а= I_s [exp ^eUd ] - I_ф. (3)

^kT-1

Здесь I_ф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности; I_s - ток насыщения p-n перехода.

 

В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациями Δn и Δp определяется выражением:

I_Ф = е(Δn μ_n + Δp μ_р) Ud.

 

Величина фото ЭДС ПСЭЭ определяется суммарной высотой потенциальных барьеров р-i и i- n⁺ переходов и составляет величину (0,8÷1,0)В.

 

Создано экспериментальное устройство – полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в электрическую размером 48х48 мм на основе широкозонного полупроводника-кремния, который может использоваться как элемент-модуль солнечной электростанции. Устройство выполнено структурой р-i Si-резкий переход i-n⁺ Si резкий переход с верхним омическим контактом из проводящего светопрозрачного слоя, изготовленного из окиси олова-индия. р⁺-слой выполнен толщиной 0,1 микрон из кремния, легированном бором до концентрации N_А = 10²¹ см^-3. р⁺-слой 3 контактирующий с р⁺-слоем сформирован путем легирования бором с концентрацией N_А = 10²¹ см^-3 .

 

Сильнолегированный n⁺-слой выполнен из кремния , он легирован донорной примесью до концентрации N_А = 10²¹ см^-3, его толщина соответствует толщине подложки. На верхний омический контакт – проводящий слой нанесен внешний электрический вывод, представляющий слой алюминия + никель толщиной 2 микрона и шириной 2 мм по периметру края проводящего слоя. Конструкция фоточувствительной структуры ППСЭ размещена на алюминиевом основании размером 48 x 48 мм, толщиной 1 мм и соединена с ним токопроводящим клеем.

Экспериментальный полупроводниковый преобразователь солнечной энергии размером полезной площади 46 х 46 мм при интенсивности солнечного излучения Р_Σ = 65 мВт/см² позволяет получать рабочий ток I = 1,2 А, рабочее напряжение 0,9 В, полезную выходную мощность Р_вых = 1,2 Вт(≥480Вт/ м²).

Расчётная надёжность безотказной работы ППСЭ составляет 10⁵ часов. Для известных аналогов эти электрические параметры соответственно составляют: I = 0,21 А, Р_ВЬ1Х = 0,15 Вт, и надёжность работы не выше 2-10⁴ часов.

 

 

 

В.Сычик,

доктор технических наук, профессор,

 

Н.Уласюк,

кандидат технических наук, доцент.

Белорусский национальный технический университет.

 

В.Шумило,

кандидат технических наук, доцент

ЗАО «Атлант»

 

г. Минск,

 

 

Материал подготовлен на основе доклада на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение – важнейшее условие инновационного развития АПК». Ноябрь 2011 г.

г. Минск.