Солнечные элементы

Выяснилось, например, что атомарный кислород, существующий в околоземном космическом пространстве, активно разрушает каптоновую полимерную пленку, на которой укрепляются солнечные батареи большинства американских космических аппаратов, а электрические разряды, возникающие вследствие значительной разности потенциалов между накапливающими поверхностный заряд диэлектрическими покрытиями верхней и тыльной сторон элементов, могут привести к выходу из строя части батарей.

Правда, пути решения этих проблем уже намечены: следует, вероятно, заменить полимерную основу несущих панелей на стеклоткань; поверхностные же заряды с диэлектрических покрытий будут удаляться, если в состав полимеров или стекла ввести компоненты, несколько увеличивающие объемную проводимость, а на их внутреннюю и внешнюю стороны предварительно нанести прозрачные проводящие слои оксидов индия, олова или их смеси, причем эти слои должны быть электрически соединены между собой и с корпусом аппарата.

Прозрачные проводящие оксиды индия и олова представляют собой широкозонные полупроводниковые соединения, весьма подходящие для создания фотоактивных оптических окон в солнечных элементах на основе гетероструктур, и их применение в новых конструкциях солнечных элементов из кремния, фосфида индия, аморфного кремния становится все более распространенным. КПД солнечных элементов на основе гетероструктуры, образованной слоем из смеси оксидов олова и индия и монокристаллом фосфида индия, уже сейчас превысил 16 %, причем эти элементы отличает высокая стойкость к радиации и сравнительная простота в изготовлении.

На научных совещаниях советских специалистов, на встрече ученых стран СЭВ в Ашхабаде в сентябре 1986 г. на 17-й и 18-й конференциях по фотоэлектрическому методу преобразования солнечной энергии в США, в статьях, опубликованных в 1985–1987 гг., показано, что в этой новой, активно развивающейся области науки и техники получены значительные теоретические и практические результаты.

Предложены, в частности, солнечные элементы со сверхрешетками, образованные тончайшими чередующимися эпитаксиальными слоями на основе арсенида галлия и твердых растворов алюминий — галлий-мышьяк, галлий — индий — мышьяк и галлий — сурьма — мышьяк. Кроме высокого КПД, предложенные элементы отличает исключительная стойкость к радиации, ибо практически полное собирание неосновных носителей заряда происходит в них, даже если диффузионная длина носителей заряда после воздействия радиации составляет всего 300–500 А.

Получены дешевые солнечные элементы из ленточного кремния и кремния, изготовленного методом литья, с диффузионным переходом и тыльным барьером, созданными путем впекания печатных паст и легирования из растворных композиций. КПД таких элементов достиг 16–17 %.

Разработаны и испытаны самые различные каскадные элементы, в том числе полученные из многослойных тонкопленочных структур на основе аморфного кремния, для которых намечено получить в 1988 г. КПД, равный 18 %.

На практике достигнут КПД 11 %, для тонкопленочных элементов из халькогенидов меди и кадмия. Подобные элементы изготавливаются на основе тонкопленочной структуры CdZnS-GuInSe₂, что позволяет использовать для эффективного собирания носителей заряда переменную по глубине ширину запрещенной зоны в первом из этих материалов.

Наиболее интересными результатами научных разработок последних лет несомненно являются новые конструкции солнечных элементов из монокристаллического кремния, ветерана солнечной фотоэнергетики. КПД кремниевых элементов новой конструкции (при измерении в условиях наземного солнечного спектра AM1,5 с плотностью однократного потока 1000 Вт/м² и при высоких степенях концентрации солнечного потока вплоть до 500) превысил в эксперименте 19 %, а для одной из этих конструкций достиг 22,4 %!

Конструкции кремниевых солнечных элементов с высоким КПД

1 — контакты к областям кремния n-типа; 2 — контакты к областям кремния р-типа; 3 — изолирующий слой оксида алюминия; 4 — одно- или двуслойное просветляющее покрытие

На рисунке показаны три из разработанных недавно конструкций солнечных элементов на основе монокристаллического кремния.