Вероятно, сразу после опубликования первых работ, где предельно достижимые КПД солнечных элементов ограничивались значениями 24—25% [15, 67, 81, 82, 85], начались поиски оригинальных физи­ческих идей, которые можно было бы положить в основу новых, более эффективных моделей солнечных элементов, чтобы открыть дорогу исследовательскими практическим работам по реализации таких эле­ментов. Выдвинутые вскоре модели каскадных и многопереходных солнечных элементов, элементов с гетеропереходами, встроенными электрическими полями, варизонными структурами [13, 63, 80, 84, 116] долгое время не удавалось проверить в эксперименте, хотя предельный КПД большинства новых моделей поднимался до уров­ня 30—50%. Благодаря успешной практической реализации многих новых моделей солнечных элементов [5, 77, 117] в эксперименте в наземных условиях был достигнут КПД 17% для дешевых крем­ниевых солнечных элементов, базовый слой которых получен мето­дом литья [232] ^ и от 20 до 25% для элементов на основе гетеро­структур в системе твердый раствор алюминия в арсениде галлия— арсенид галлия [161—164, 166—168].

Теоретические исследования, направленные на развитие и усо­вершенствование модели объемного фотоэффекта в полупроводнико­вых структурах, рассчитанной применительно к преобразованию солнечной энергии, показали, что если для создания солнечного эле­мента выбрать варизонную структуру, в которой максимальное зна­чение ширины запрещенной зоны (на поверхности) соответствует крайнему коротковолновому участку солнечного спектра, а мини­мальное (у разделяющего барьера вблизи тыльной поверхности) — крайнему длинноволновому, а также обеспечить большое отношение подвижностей электронов и дырок, то в таком элементе возможно полное поглощение и преобразование энергии фотонов солнечного спектра в электроэнергию. Таким образом, ограничение предельного значения КПД преобразования оптического излучения Солнца полу­проводниковыми солнечными элементами практически было снято, указывалась возможность достижения КПД выше 90% [233—235].

Намечен ряд новых направлений, развитие которых может при­вести к получению на практике высокого КПД преобразования сол­нечного излучения непосредственно в электрическую энергию [2, 5, 234] .

Из теории следует (и подтверждается экспериментально), что КПД солнечного элемента растет с увеличением интенсивности осве­щения [19, 164, 166, 234, 236]. В объеме полупроводника возникает

Рис. 2.30. Зависимость максималь­ного КПД солнечного элемента с р—n-переходом в гомогенном ма­териале от ширины запрещенной зоны полупроводника при раз­личной степени концентрация излучения

I — 1000,

я — 100;

3 — Ю,

4 — 1 (однократный солнечный

поток)

ЭДС Дембера, связанная с разницей в подвижности рожденных све­том электронов и дырок и их взаимодействием. Если свет падает на р+-слой в солнечном элементе с р+—р—п+-структурой, то ЭДС Дембера совпадает по знаку с фото-ЭДС, генерируемой изотипным барьером, а когда освещается верхний разделяющий барьер п+—р, ЭДС направлены в противоположные стороны. В связи с этим для получения повышенных значений £/хх полезно освещать двусторон­ние элементы более Интенсивно с тыльной стороны (при больших световых потоках). Число избыточных носителей заряда, возникаю­щих при высокой интенсивности освещения, значительно превосхо­дит их тепловое равновесное количество, определяемое степенью легирования полупроводника, что приводит к уменьшению электри­ческого сопротивления базовой области солнечного элемента замечет явления фотопроводимости. При очень больших (тысячекратных) освещенностях в солнечных элементах может быть получено значе­ние £7ХХ, близкое к потенциалу запрещенной зоны данного полупро­водника, выраженному в вольтах. Увеличение КПД солнечных эле­ментов при повышении интенсивности падающего солнечного потока при спектре АМ1 может быть представлено в виде полученной расчетным путем зависимости максимального КПД от ширины запрещенной зоны полупроводника при температуре 300 К (рис. 2.30) [236]. Аналогичная зависимость рассчитана в работе [82] для одно­кратной освещенности.

Только за счет повышения плотности потока солнечного излуче­ния в 1000 раз КПД солнечного элемента из оптимального полупро­водникового материала с шириной запрещенной зоны около 1,4 эВ возрастает до 35% (см. рис. 2.30, кривая 1).

Результаты этих расчетов стимулировали исследователей созда­вать наземные фотогенераторы с солнечными элементами, работаю­щими при весьма высоких степенях концентрации потока, например, в работе [237] до 440 (с перспективой дальнейшего увеличения до уровня 2000—2200).

Если это направление повышения КПД солнечных элементов уже требует решения инженерных и конструкторских задач, связанных с отводом большого количества избыточной теплоты для сохранения температуры элементов на достаточно низком уровне, а также с со­зданием долговечных концентраторов солнечной энергии со свето­стойкими покрытиями [23], то два других перспективных способа резкого увеличения КПД преобразования солнечного излучения с по­мощью солнечных элементов находятся еще на стадии физических исследований в условиях лаборатории Внешне эти два пути прямо противоположны.

Первый из них требует сильного сужения широкополосного сол­нечного спектра и затем превращения этого спектрально-преобразо­ванного потока излучения в электрическую энергию с помощью сол­нечного элемента с р—^-переходом в гомогенном полупроводниковом материале, ширина запрещенной зоны которого точно подходит по энергетическому зазору к спектру направленного на него потока из­лучения При сужении спектра кпд солнечного элемента, как из­вестно, резко возрастает, поскольку исчезают потери на нефотоак — тивное поглощение в длинноволновой области спектра и на тепловое рассеяние избыточной энергии коротковолновых фотонов.

Второй путь связан с созданием каскадной системы из несколь­ких солнечных элементов, прозрачных в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, причем каждый из них будет эффективно преобразовывать соответствующую часть па­дающего излучения, в результате чего перекрывается весь спект­ральный интервал солнечного излучения и тем самым как бы резко расширяется спектральная чувствительность солнечного элемента

Сузить широкополосное солнечное излучение можно различными путями Например, направив концентрированный поток солнечной радиации на теплоприемник, выполненный в виде модели черного тела с селективным термостойким излучателем, покрытым окисью эрбия, преимущественно излучающим в области спектра от 1 до 2 мкм [239]. Солнечные элементы из германия [239] или из крем­ния [240] будут преобразовывать такой спектрально-суженный (практически без потерь) поток солнечного излучения с КПД выше 25%. Для солнечных элементов с большей шириной запрещенной зоны, например из арсенида галлия с гомо — или гетеропереходом, следовало бы разработать селективный тепловой излучатель более коротковолнового участка спектра, что позволило бы получить в эксперименте еще большие значения КПД.

Для сужения солнечного спектра могут быть использованы полу­проводниковые светодиоды на основе гетероструктур в арсениде гал-

Рис. 2.31. Энергетические зонные диаграммы и схемы расположения слоев в различных солнечных элементах на основе арсенида галлия а — с переходом в гомогенном материале и широкозонным окном-фильтром на поверхности, б — с варизонной структурой в слое окна-фильтра, в — с переизлучающей структурой между двумя областями окна-фильтра, 2 — v—n-переход в арсениде галлия, 2 — окно-фильтр из твердого раствора алюминия в арсениде галлия, 3 — варизонная структура (переменный по х состав AlxGa^-xAs), 4 — переизлучающая структура, А — солнечное излучение, Б — люминесценция

лия, преобразующие с почти 100%-ным квантовым выходом коротко­волновое излучение в длинноволновое, отвечающее по энергии ши­рине запрещенной зоны гомогенного арсенида галлия [115, 241]. Было предложено совместить в одном монолитном многослойном солнечном элементе такую переизлучающую структуру с преобразо­вателем оптического излучения в электроэнергию на основе гетеро­структуры твердый раствор алюминия в арсениде галлия—арсенид галлия [117, 166].

Энергетические зонные диаграммы различных солнечных элемен­тов на основе арсенида галлия представлены на рис. 2 31. В случае переизлучающей структуры между двумя областями окна-фильтра область, обращенная к свету (область 2), имеет состав Alo. eGao^As* а переизлучающая структура (область 4) —состав AlotGao-sAs с по­степенным увеличением (область 3) содержания алюминия (до 0,3) по мере приближения к р—тг-переходу в арсениде галлия (область 1). В такой структуре спектр фогочувствительности определяется тон­кой (толщина менее 1 мкм) верхней областью 2 широкозонного окна-фильтра, а сопротивление растекания снижается благодаря сравнительно толстой (толщина 20—30 мкм) внутренней области 3 окна-фильтра, прозрачной для длинноволнового люминесцентного излучения, испускаемого переизлучающей структурой 4 к р—га-пере — ходу в арсениде галлия (область 1) после поглощения солнечного излучения [117, 166].

Солнечные элементы с переизлучающей структурой между об­ластями окна-фильтра особенно подходят для преобразования сол­нечного излучения очень высокой интенсивности, ибо имеют широ­кий спектральный диапазон чувствительности и низкое последова­тельное сопротивление Полученные в ходе исследований световые вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе арсенида галлия с гетеропереходом и переизлучающей структурой

показаны на рнс. 2.32 для различных степеней концентрации сол­нечного потока (вплоть до 2570-кратной) [242]. Максимальная электрическая мощность, снимаемая с нагрузки к одному из таких элементов диаметром 1 см, составила при измерениях в наземных условиях 13,5 Вт. Следовательно, для получения более 100 Вт электрической мощности требуется всего восемь таких солнечных элементов с концентраторами [117, 166, 242], в то время как ту же электрическую мощность в наземных условиях от солнечных эле­ментов высокого качества обычной конструкции обеспечивает плоская панель площадью не менее 1 м2 (более 10 тыс. солнечных элементов площадью 1 см2 каждый).

Очевидно, что затраты, связанные с трудоемкой технологией из­готовления новых солнечных элементов сложной многослойной струк­туры, полностью себя окупят, II возможно, что при широком приме­нении таких элементов стоимость электроэнергин, получаемой от солнечных элементов, снизится на два-трн порядка п приблизится к стоимости электроэнергии от традиционных источников (тепловые электростанции, гидроэлектростанции).

С разработкой высокоэффективных гомо — и гетероструктур на ■кремнии и арсениде галлия возник интерес к созданию из ннх кас­кадных солнечных элементов. Электрическое соединение элементов в каскаде влечет за собой определенные технологические и конструк­тивные усложнения [108], в связи с чем были сделаны попытки получить каскадные элементы в единой монолитной структуре, со­здаваемой последовательным выращиванием с помощью жидкостной, тазовой илн молекулярной эпитаксии слоев на подложке из арсенида галлия, например, как это показано на рис. 2.33 [243]. Верхний (2) и ннжний (4) солнечные элементы в такой двухкаскадной системе соединяются последовательно с помощью туннельного п+—р+-пере- хода из AlGaAs (см. рис. 2.33, область 3). Экспериментально полу­ченная структура [243] генерировала высокое Uxx (около 2,2 В), но сравнительно низкий ток, и КПД не превышал уровня 10—15%. ве­роятно, из-за довольно большого сопротивления туннельного перехо­да (0,58 Ом).

Высокое качество полученных туннельных переходов [244] позво­ляет ожидать новых успехов на пути создания монолитных каскад­ных солнечных элементов.

Значительно больших успехов добились исследователи, исполь­зующие два или три солнечных элемента, расположенных перпенди­кулярно друг к другу. Солнечное излучение концентрируется с по­мощью линзы Френеля и падает на одно или два многослойных ди — хроических зеркала, которые расщепляют спектр на отдельные участки, направляя к каждому элементу излучение того спектраль­ного интервала, в котором данный элемент имеет максимальную чувствительность (рис. 2.34) [245, 246].

Для практической реализации таких систем большое значение имеет не только КПД отдельных солнечных элементов (причем они

Рис. 2.32. Волът-амперные нагрузочные ха­рактеристики солнечных элементов на осно­ве арсенида галлия с гетеропереходом и пе — рензлучающей структурой при различной сте­пени концентрации наземного солнечного из-^ лучения g

і — 530; 2 — 970; 3 — І350; 4 — І800; 5 — 2570 ^

(расчет по результатам измерений при засветке чГ пятна диаметром 0=0,9 мм на элементе с 0 = 1 см)

Рис. 2.33. Расположение слоев в монолитной каскадной структуре

1 — подложка из монокристалличеекого арсенида галлия п-типа; 2—солнечный элемент из арсенида галлия с р—n-переходом в гомогенном материале; 3 — туннельный переход из

сильнолегированного твердого раствора AlGaAs: 4 — солнечный элемент с гетеропереходом AlGaAs—GaAs и р—n-переходом в арсениде галлия; 5 — широкозонное окно-фильтр

должны возможно более резко отличаться по области спектральной чувствительности), но и высокое качество, а также стабильность па­раметров (при длительном непрерывном совещении) применяемого дихроического зеркала.

Спектральная зависимость коэффициента отражения дихроиче­ского зеркала, полученного нанесением в вакууме 17 чередующихся прозрачных пленок ZnS (п=2,3) и Na3AlF6 (тг=1,35), дана на рис. 2.35 [114]. Излучение, пропущенное зеркалом, проходило к сол-

Рис. 2.35. Спектральная зависимость коэффициента отражения эффек­тивного 17-слойного дихроического зеркала для каскадных систем сол­нечных элементов

нечному элементу на основе ар­сенида галлия, а отраженное — к кремниевому элементу (см. рис. 2.34, а).

Двухкаскадная система с дихроическим зеркалом [114] при 165-кратной концентрации плотностью потока 894 Вт/м2

AM 1,23) имеет следующие характеристики солнечных элементов, измерен­ные при температуре обоих элементов 30° С (водяное охлаждение):

	Eg, Q в	Ік з» А	X. В	F*	тъ %
AlGaAs	1,61	1,382	1,26	0,827	17,4
Si	1,1	1,711	0,738	0,725	11,1

* F — коэффициент — заполнения вольт-амперной характерне тики солнечного элемента.

Полученный суммарный КПД двухкаскадной системы, как видно, составляет 28,5%.

Улучшение качества дихроических зеркал и отдельных солнеч­ных элементов дает возможность получить в таких системах с рас­щеплением спектра суммарный КПД 30—32% при средних (50—100- кратных) и около 40% при высоких (более 1000) концентрациях сол­нечного излучения [114, 243—246].

Для создания каскадных систем с дихроическими зеркалами луч­ше всего использовать следующие полупроводниковые материалы [114]: для Eg—0,7 эВ: Ge; для Eg—1,1 эВ: Si, In*Gai-xAs, GaAli_xSbx, Gaylnt-yAst-xPx, AlyGai-yAsi-xSbx; для Eg= 1,4 эВ: GaAs; для 7?g= =1,7 эВ: AlxGai-xAs, GaAsi—XPX, AlyGai—yAsi—xSbx.

Расчетным путем было показано, что каскадный солнечный эле­мент рассматриваемого типа из двух элементов AlGaAsSb (Eg— =1,8) и GaAsSb (Eg=l,2 эВ) должен иметь КПД 29% при темпе­ратуре элементов 350 К и степени концентрации солнечного пото­ка 100 [60].

Необходимо отметить, что системы с дихроическими зеркалами избавляют разработчиков элементов от необходимости решать слож­ную проблему, возникающую при изготовлении монолитных каскад­ных элементов, получаемых эпитаксиальным наращиванием слоев,— сочетать в каскадном элементе слои с близкими постоянными кри­сталлической решетки и коэффициентами термического расширения (рис. 2.33).

В будущем, возможно, вообще отпадет необходимость в исполь­зовании дихроических зеркал — при применении для преобразовании солнечного излучения и одновременного расщепления спектра сол­нечных элементов (см. 2.4), прозрачных в длинноволновой области за краем основной полосы поглощения с высокоотражающим метал­лическим покрытием или зеркалом на тыльной поверхности.