Солнечные элементы, которые могут генерировать электрический ток при освещении их обеих сторон, полезны как в космических,. так и в наземных условиях, поскольку применение таких элементов улучшает удельные характеристики и эксплуатационные возмож­ности полупроводниковых фотопреобразователей оптического излу­чения в электрическую энергию. В космосе солнечная батарея из элементов с двусторонней чувствительностью позволяет (для низко­летящих спутников) использовать не только прямое, но и отражен­ное от Земли солнечное излучение [143], что может заметно повы­сить получаемую на борту космического аппарата электрическую мощность, поскольку на отдельных участках орбиты альбедо Земли составляет 0,8—0,9 (при сплошном облачном покрове). При назем­ном применении таких солнечных батарей полезно устанавливать за

ними дополнительные отражатели, направляющие излучение к тыль­ной поверхности элементов с двусторонней чувствительностью, или укреплять батареи на высоких фермах, чтобы отраженное от снега или песка солнечное излучение попадало на обычно неосвещенную тыльную поверхность.

Впервые конструкция двустороннего солнечного элемента была предложена, вероятно, в работе [144]. На тыльной поверхности кремниевых солнечных элементов, так же как и с верхней стороны, после термодиффузии фосфора в базовые пластины легированного бором кремния p-типа была оставлена легированная область п-типа. Токосъемные контакты как к верхнему, так и к нижнему «-слою изготавливались в виде сетки, а контакт к базовому слою р-типа представлял собой узкую полосу вдоль одной из длинных сторон элемента. Этого было явно недостаточно для уменьшения значитель­ного сопротивления растекания протекающего тока, которое в слу­чае двусторонней конструкции (с р—^-переходом на обеих сторонах элемента) появляется не только в легированных областях солнечных элементов, но и в базовой. В связи с этим, вполне естественно, что удалось получить увеличение электрической мощности, снимаемой с единицы площади освещаемого с двух сторон двустороннего сол­нечного элемента (по сравнению с элементом обычной конструкции) в 1,2—1,3 раза только в случае, когда базовая область имела удель­ное сопротивление р=0,1-ь0,2 Ом*см и малое сопротивление расте­кания тока [144]. Двусторонние элементы такой конструкции на основе базовых пластин кремния с удельным сопротивлением р=0,5-И,0 Ом см при всех условиях освещения оказывались хуже обычных солнечных элементов с р-п-переходом на одной сторо­не [144].

Для солнечных элементов прозрачной конструкции проблема уменьшения сопротивления растекания в базовом слое была реше­на, как уже отмечалось в 2.4, путем создания тонкого сетчатого контакта с оптимизированными размерами [23, 111]. Подобный же прием был использован в теоретической работе [145] применитель­но к двусторонним кремниевым солнечным элементам с р—п-пере — ходами с обеих сторон элемента. Конструкция двусторонних элемен­тов, их эквивалентная электрическая схема, форма и расположение оптимальных токосъемных контактов к ним, предложенные в ра — боте [145], представлены на рис. 2.13. Применение гребенчатого контакта не только к сильнолегированным верхним и тыльным сло­ям, но и к базовому слою должно было, несомненно, положительно сказаться на характеристиках двусторонних элементов, что и под­твердилось в ходе дальнейших расчетов. Результаты расчетов коэф­фициента собирания односторонних и двусторонних солнечных эле­ментов при различной толщине базового слоя U [145] позволили затем рассчитать зависимость тока короткого замыкания /кз’ (в % от /к з односторонних элементов обычной конструкции с £б=400 мкм) двусторонних солнечных элементов во внеатмосферных условиях от

Л

1^2

J7 ?>?п?^чм>і;)>Л7}ЯШХ£т2221ШЛШ^ЛШ

#/М И! t

Я

а — на верхней и тыльной поверхностях;’ б — только на верхней; в — вид конструкции б сверху

1 — верхний токосъемный контакт

к п+-слою;

2 — легированный п+-слой глубиной

0,5 мкм;

а — базовый слой р-типа;

4,2 — контакты к базовому слою р-типа; "

5 — тыльный контакт к п-слою;

6 — слой p-типа глубиной 20 мкм,

полученный глубокой диффузией;

7 — базовый слой n-типа (толщина

200 мкм);

8 — просветляющее покрытие;

Л — солнечное излучение

толщины базового слоя 16 с удельным сопротивлением р=	10 Ом	•см;
МКМ	10	15	20	35	50	100	200	400′
Составляющие /к 3	из
переходов
верхнего	73,7	79,9	83,8	89,9	92,7	96,6	98,9	100,0
тыльного	62,5	67,4	69,9	77,4	69,6	59,0	39,4	16,9
Суммарный /к з	136,2	147,3	153,7	167,3	162,3	155,6	138,3	116,9

Двусторонние элементы практически при всех значениях толщи*- ны базового слоя имеют преимущество перед односторонними эле­ментами, причем при оптимальной толщине 20—100 мкм (для базо­вого слоя с р=10 Ом-см) прирост /к, (а следовательно, и выходной мощности при высоком значении коэффициента заполнения вольг — амперной характеристики) превышает 50% по отношению к /к» односторонней конструкции с толщиной базового слоя 400 мкм.

Двусторонние солнечные элементы были затем изготовлены в раз-
жых странах н результаты измерения их оптических и электрических характеристик качественно подтвердили расчетные данные рабо­ты [145].

Получение контактной сетки для токосъема у двусторонних солнечных элементов с двумя р—я-переходами требует применения техники двойной фотолитографии с совмещением промежуточных шаблонов, что заметно усложняет технологию изготовления солнеч­ных элементов. К тому же увеличение площади, занимаемой р—п~ переходом, повышает значение обратного тока насыщения и сни­жает шунтирующее сопротивление солнечных элементов с двумя р—^-переходами по сравнению с элементами обычной конструкции с одним р—и-переходом.

Было предложено создавать двусторонние солнечные элементы, совмещая элементы, прозрачные в инфракрасной области спектра, с элементами с изотипным переходом у тыльной поверхности п+-р—р+- или р+-р—п+-структуры (рис. 2.14) [5, 146, 147]. При уменьшении толщины базового слоя (или увеличении диффузион­ной длины неосновных носителей заряда за счет использования бо­лее высокоомного кремния) такие двусторонние элементы столь же эффективно преобразуют свет, падающий сзади, как и элементы со вторым р—гг-переходом у тыльной поверхности. Расчетные и экспе­риментальные характеристики новой модели двусторонних солнеч­ных элементов, приведенные на рис. 2.15 и 2.16, получены при различны* значениях скорости поверхностной рекомбинации (S, и JSa) и коэффициента диффузии дырок и электронов (Д> и /)л) в ба­зовом и легированном слоях [146, 147].

Введение изотипного перехода в конструкцию прозрачных сол­нечных элементов позволяет резко снизить скорость поверхностной рекомбинации S на тыльной поверхности и увеличить коэффициент собирания неосновных носителей заряда (при L/l> 1) двусторонних солнечных элементов, освещаемых сзади, до значений, характерных для этого коэффициента при освещении солнечных элементов с верх­ней лицевой поверхности.

В отличие от элементов двусторонней конструкции с двумя р-п — переходамп в двусторонних элементах с изотипным переходом не наблюдается увеличения обратного тока насыщения при освещении люлько верхней лицевой поверхности солнечных элементов. В то же время нанесение токосъемных контактов на обе поверхности может проводиться одновременно при использовании однократного фото — литографического процесса (одновременная засветка с двух сторон).

Изготовление двусторонних солнечных элементов не сложнее про­изводства солнечных элементов и батарей, прошедших проверку при многолетней эксплуатации в космосе [142]. Изотипный барьер под «сетчатым тыльным контактом можно создать ионным подлегирова­нием бором с последующим термическим отжигом [146] или нане­сенном методом химической пульверизации прозрачной токопрово­дящей пленки Sn02 (образование изотипного перехода происходило

Рис. 2.14. Конструкция прозрачного двусто­роннего солнечного элемента с л+— р— р+- или р+—р—л+-структурой

1—3 — слои п+-, р-, р+-типа в случае п+—р—р+-структуры и слои р+~, р-, п+-типа в случае р+—р—«^-структуры соответственно; 4 — токосъемные контакты; 5 — просветляющие и защитные покрытия, А — солнечное излуче­ние; Б —2 его инфракрасная составляющая, про­ходящая сквозь элемент

1 — Sn/Dn=0, Ln—450 мкм, їб=300 мкм; 2 — Sn/Dn = 105 см-1, Ln=i00 мкм, 1=250 мкм:

Рис. 2.16. Вольт-амперные характеристики прозрачного двустороннего солнеч­ного элемента с п^—р—р*-структурой (параметры структуры указаны в под*- писи к рис. 2.15.), измеренные под имитатором внеатмосферного Солнца а плотностью потока излучения Е при температуре 25° С

1 — освещение только тыльной стороны (Е=1360 Вт/м2); 2 — освещение только верхней1 стороны (-Б =1360 Вт/м2), 3 — одновременное освещение лицевой (£7=1360 Вт/м2> и тыльной сторон элемента (Е=420 Вт/м2) при этом, вероятно, за счет влияния встроенного электрического за­ряда) [147].

Для увеличения эффективности двусторонних солнечных элемен­тов с изотипным тыльным переходом желательно использовать при создании базового слоя более высокоомный, чем обычно, материал [146, 147], например перейти от монокристаллического кремния с р=0,5-М,5 Ом*см к кремнию с р=7,5-Н0 Ом*см (или уменьшить толщину базового слоя), что ясно, в частности, из результатов расче­тов, выполненных в работах [5, 146]. Определение диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовом слое таких солнеч­ных элементов имеет ряд особенностей [92].

Эксперименты показали, что при освещении с тыльной стороны солнечных элементов обычцой прозрачной конструкции (см. рис. 2.12) прирост тока и выходной мощности будет составлять не более 0,1—0,2 от исходных значений (это, кстати, подтвердилось в первые часы полета «Венеры-9 и -10») и основное преимущество прозрачных элементов обычной конструкции состоит в уменьшении рабочей температуры солнечных батарей [142]. При расчете тепло­вого режима двусторонних солнечных элементов в космических и наземных условиях удобно применять номограммы и табличные данные, приведенные в работе [148].

Для низколетящих спутников Земли использование двусторон — них солнечных элементов с изотипными переходами у тыльной сто­роны представляет собой значительный резерв мощности [143]. В эксперименте плотность потока солнечного излучения, падавшего на двусторонние элементы с тыльной стороны, составляла 0,3 от плотности потока излучения с верхней лицевой стороны в связи с тем, что среднее альбедо Земли близко к этому значению. Следо­вательно, результаты проведенных измерений позволяют оценить возможный прирост мощности солнечных батарей, выполненных из двусторонних элементов с изотипным переходом у тыльной поверх­ности, при установке их на низколетящих спутниках Земли (высота орбиты 200—400 км). Эти результаты были качественно подтверж — дены затем прямым космическим экспериментом [149]. Среднее. альбедо Земли во время этого полета составляло 0,25, а ток двусто­ронних солнечных батарей был в среднем на 17—18% (а за первые десять витков на 15±2%) больше, чем у односторонних солнечных батарей обычной конструкции.

В заключение следует отметить, что в отличие от солнечных эле­ментов обычной конструкции (см. гл. 1) ток, КПД и выходная мощность двусторонних солнечных элементов обеих конструкций (со вторым р—«-переходом или изотипным барьером у тыльной по­верхности) увеличивается при уменьшении толщины базового слоя до 35—50 мкм, что делает перспективным применение этих элементов во всех случаях, когда требуется улучшить удельные характеристи­ки солнечных батарей, например отношение мощности к весу.