Из рассмотрения основных процессов, происходящих внутри сол­нечного элемента при преобразовании оптического излучения в элек­троэнергию, становится ясно, что эффективность каждого из них зависит от оптических и электрофизических свойств полупроводни­кового материала (отражение от поверхности, квантовый выход <фотоионизации, диффузионная длина неосновных носителей заря­да, спектральное положение основной полосы поглощения), от ха­рактеристик р—w-перехода (механизма протекания обратного тока и нем, высоты потенциального барьера, ширины области объемного заряда), от так называемого геометрического фактора (соотношения между диффузионной длиной носителей заряда и глубиной залега­ния р—п-перехода), а также от степени легирования областей полу­проводника по обе стороны р—п-перехода. Из формул (1.16), (1.17) ж (1.18) ясно, сколь большое влияние на форму вольт-амперной характеристики и выходную мощность оказывает последовательное сопротивление элемента, зависящее, в свою очередь, от сопротив­ления, толщины и степени легирования обеих областей полупровод­ника, а Также от формы и места расположения токосъемных кон­тактов. Желание примирить часто взаимно исключающие требова­ния и найти оптимальное компромиссное техническое решение при­вело разработчиков к выбору планарной конструкции солнечного элемента (см. рис. 1.15, а) в качестве основной. С небольшими до­полнениями (введение тянущих полей, изотипного барьера у тыль­ного контакта, замена сплошного тыльного контакта на сетчатый, текстурирование поверхности полупроводника и покрытий, нанесе­ние отражающего слоя на тыльную поверхность) эта конструкция остается в течение многих лет без изменений, во всяком случае для солнечных элементов из монокристаллического кремния с гомоген­ным р—п-переходом, по-прежнему занимающих ведущее положение при применениях как в космических, так и в наземных условиях. ^ Радиационно-защитные теплорегулирующие и просветляющие покрытия для солнечных элементов подробно описаны в моногра­фии [23]. Внешнюю, обращенную к падающему оптическому излу­чению полупроводниковую область солнечного элемента из кремния делают очень тонкой и сильно легируют (до максимальной концен­трации атомов примеси 1020—1021 см"3), например, атомами фосфора.

так что она становится областью гг-типа. Базовую область полупро­водника p-типа чаще всего легируют сравнительно слабо — до кон­центрации атомов примеси 1016—1017 см-3, например, бором (обычно при получении монокристалла). Внешнюю поверхность элементов покрывают занимающей, как правило, 5—7% площади сеткой из токосъемных полос различной конфигурации [5, 13, 21], а на тыль­ной стороне создают сплошной или сетчатый контакт. 4

Разделенные полем р—га-перехода ‘неосновные носители заряда должны попасть во внешнюю цепь (к нагрузке). В верхней п-об­ласти полупроводника, обращенной к свету, избыточные носители заряда передвигаются вдоль слоя, а в базовой области p-типа (см. рис. 1.15, а) поперек слоя. Диффузионная длина неосновных носи­телей заряда в сильнолегированном верхнем слое я-типа обычно составляет 0,2—0,6 мкм, в базовом слое 100—200 мкм, что зависит от концентрации примеси и режима термообработки (число термо­циклов, скорость нагрева и охлаждения, максимальная температура) кристалла при получении иг солнечного элемента в процессе изго­товления (например, при термодиффузии легирующих примесей и операциях нанесения и упрочнения просветляющих покрытий).

Влиянию термообработки на свойства полупроводниковых мате­риалов и солнечных элементов посвящены исследования [72, 73] т а на возможность уменьшения этого влияния путем генерирова­ния вредных примесей из базовой области кремния и осуществле­ния строгого контроля за режимом термообработки указано в рабо­те [74]; эти же вопросы применительно к солнечным элементам из арсенида галлия рассмотрены в публикации [19].

Необходимо отметить, что вследствие многочисленных термооб­работок, которым подвергаются полупроводниковые слои на различ­ных технологических стадиях изготовления солнечных элементов* введения при этом нежелательных примесей и центров рекомбина­ции многие оптические и электрофизические параметры полупро­водникового материала изменяются, отклоняясь от исходных зна­чений. В связи с этим самым точным является определение пара­метров полупроводника в конце технологического цикла. Обычна это делается расчетом по выходным характеристикам солнечных элементов — таким, как вольт-амперная характеристика или спек­тральная чувствительность, а также по некоторым другим, более специфическим, например по вольт-емкостной (изменение емкости элемента от приложенного напряжения) или люкс-амперной (зави­симость основных фотоэлектрических параметров от освещенности), характеристикам. Обычно эти характеристики измеряются в тех случаях, когда солнечные элементы используются в системах авто­матики и оптоэлектронных устройствах, где важную роль играют быстродействие и линейность характеристик яри низких и высоких освещенностях [17, 18].

Малая диффузионная длина в легированном слое диктует необ­ходимость мелкого залегания р—гс-перехода (ушвэрем&иных серий­ных солнечных элементов в интервале 0,3—0,6 мкм). При этом, что­бы обеспечить поглощение всех падающих фотонов солнечного из­лучения с энергией hvT^Eg, толщина базовой области должна быть не менее 200 мкм. Сопротивление базовой области невелико — ток протекает поперек слоя достаточно большого сечения к вплавляе­мому в кремний в инертной атмосфере при температуре 750—800° С сплошному или сетчатому базовому контакту, первый слой которо­го (для уменьшения переходного сопротивления металл—кремний д-типа) часто делается из алюминия, являющегося примесью /ьтипа. Алюминий наносится испарением в высоком вакууме или в виде алюминийсодержащих паст с органическим связующим. Слой алю/• миния перекрывается затем пленками титана, палладия и серебра или никеля и слоем припоя из олова и свинца [20, 73].

Высокое слоевое сопротивление верхнего легированного слоя кремния п-типа, составляющее, как правило, от 50 до 100 Ом/Q преодолевается созданием на внешней поверхности частой металли­зированной сетки токосъемных контактов из тех же материалов, что и тыльный контакт (за исключением слоя алюминия, необхо­димость в котором при контакте к л-слою отпадает). Конфигурацию верхней контактной сетки можно рассчитать по формулам, приве­денным в работах [13, 75, 76]. При изготовлении верхнего токо­съемного контакта возникают другие проблемы: обеспечение доста­точно хорошего омического (невыпрямляющего) контакта, который при нанесении и последующей обработке не пробивал бы очень тон­кий Легированный слой. Эксперимент показывает, что создание ме­таллического слоя целиком на всей внешней поверхности с после­дующим образованием контактного рисунка травлением приводит к появлению микрозакорачивающих участков, уменьшению Rm и росту 10 как в случае монокристаллических, так и тонкопленочных сол­нечных элементов. Этого можно избежать, если наносить контакт­ные полосы через металлические маски [77] или —что очень похо­же по идее — через окна в слое полимерного фоторезиста или про­светляющего покрытия, а также непосредственно через просвет­ляющее покрытие [78]. В любом случае необходимо обеспечить со­прикосновение металла с легированным слоем только в местах бу­дущего контакта.

* При слоевом сопротивлении от 50 до 100 Ом/ □ на внешней по — верхности кремниевого солнечного элемента площадью 2X2 см до­статочно создать один контакт в виде полоски шириной 0,5—1,0 мм по любой стороне элемента и от шести до двенадцати отходящих от него контактных токосъемцых полос шириной 0,05—0,1 мм, что­бы понизить составляющую легированного слоя в общем последо­вательном сопротивлении элемента Rn до значений в диапазоне 0,15—0,2 Ом. Однако при дэ^ень мелкозалегающих р—и-переходах (1=0,15^0,4 мкм),. додрбда**тем, диффузионные профили (распре­деление ко$|№грации примеси по глубине) которых показаня на рис. 1.20 [793.слоевдё сопвд’^иВление возрастает до 500 Ом/СЭи ко-

личество контактных полос на элементе площадью 2X2 см уже уве­личивается до 60 (необходимое низкое сопротивление самой кон­тактной полосы шириной 15—20 мкм достигается при этом путем последующего электрохимического доращивания слоя серебра до толщины 3—5 мкм). Если контактный рисунок на поверхности крем­ниевых солнечных элементов планарной конструкции создан в со­ответствии с расчетом и точной технологией, то вольт-амперные ха­рактеристики резко улучшаются [79] (форма приближается к пря­моугольной), а КПД элементов т) под внеатмосферным Солнцем со­ставляет от 12 до 13,5 % (рис. 1.21).

В последнее время предложен ряд новых материалов для созда­ния контактов к легированным слоям малой толщины, например и& нитридов титана, которые обладают ничтожно малым переходным, сопротивлением с кремнием.