Рефераты. Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов
Для создания маски для последующего
осаждения никеля использовался химически стойкий лак ХСЛ. До нанесения ХСЛ
пластины кремния обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте в течение 10
– 25 сек с последующей сушкой в парах изопропилового спирта.
Осаждение контактного слоя никеля на
свободные от ХСЛ участки структуры осуществляли электрохимическим способом с
использованием электролита следующего состава (в пересчете на 1 л
дистилированной воды):
NiSO4×7H2O
– 45,4 г/л;
Na2SO4×10H2O
– 60 г/л;
Н3ВО4 – 30 г/л.
Схема установки для электрохимического осаждения никеля
приведена на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схема установки для электрохимического осаждения
никеля: 1 – ванна; 2 – электролит; 3 – пластина кремния; 4 – пластинка никеля;
5 – амперметр; 6 – электронагреватель; 7 – блок питания.
В качестве анода электролитической ванны использовалась
никелевая фольга толщиной порядка 200 мкм. Катодом служила сама кремниевая
структура. В качестве источника постоянного тока использовался блок питания
Б5-47/1, работающий в режиме стабилизации тока. Осаждение производилось при
плотности тока 2 - 5 мА/см2 и температуре электролита 35°С в течение
2 – 3 мин.
После нанесения
слоя никеля структуры промывались в дистиллированной воде и производилось
механическое удаление защитного слоя лака ХСЛ. Для удаления остатков лака
применялось кипячение пластин в толуоле.
4.3. Измерение
основных параметров на структурах солнечных элементов
Наиболее важными
характеристиками солнечных элементов являются световая и прямая темновая
вольт-амперные характеристики (ВАХ) и спектральная чувствительность.
Основной параметр
СЭ – световая нагрузочная ВАХ – позволяет определить генерируемую электрическую
мощность по произведению Im∙Um (максимальные рабочие ток и
напряжение), оценить полноту использования потенциала запрещенной зоны по
напряжению холостого хода, получить представление об уровне оптических и
фотоэлектрических потерь по току короткого замыкания и коэффициенту заполнения
ВАХ; рассчитать коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии
в электрическую по отношению мощности, генерируемой СЭ, к мощности падающего
солнечного излучения, которую можно измерить с помощью отградуированного
эталонного солнечного элемента.
ВАХ идеальных фотоэлектрических
преобразователей (ФЭП) может быть описана выражением:
(4.1)
где I и V – ток во внешней цепи и напряжение
на сопротивлении нагрузки; Iф – фототок, генерируемый в
полупроводнике солнечным излучением; Io – ток насыщения ФЭП, определяющийся механизмами
генерационно-рекомбинационных явлений; А ≥ 1 – фактор качества
выпрямляющего перехода; е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.
В выражении (4.1)
не учитываются некоторые важные характеристики реальных ФЭП, которые могут в
значительной степени влиять на эффективность фотоэлектрического преобразования.
К числу таких характеристик можно отнести последовательное сопротивление ФЭП Rп, определяющееся сопротивлением
объема полупроводниковой базы, контактными сопротивлениями верхнего и нижнего
токосъемных электродов и распределенным сопротивлением верхней (освещаемой)
области перехода, а также шунтирующее коллекторный переход сопротивление Rш, на величину которого существенно
влияют как технологические факторы, так и параметры используемого
полупроводникового материала. Эквивалентная схема реального полупроводникового
ФЭП с учетом названных паразитных сопротивлений и сопротивления нагрузки
показана на рис. 4.2. Нетрудно показать, что в последнем случае ВАХ может быть
описана соотношением [18]:
(4.2)
Рис. 4.2.
Эквивалентная схема фотопреобразователя.
Рассмотрим более
подробно физические процессы, определяющие эффективность преобразования энергии
солнечного излучения в электрическую энергию. На рис. 4.3 показана типичная ВАХ
полупроводникового ФЭП, описываемая выражением 4.2.
Рис.4.3. Вольт-амперная
характеристика солнечного фотопреобразователя.
Можно видеть, что
по мере увеличения сопротивления нагрузки напряжение V фотопреобразователя монотонно
увеличивается и при Rн → ∞ достигает
определенного значения Vхх, величина которого зависит как от
интенсивности солнечного излучения, так и от характеристик самого ФЭП. С другой
стороны, ток I во внешней цепи при
увеличении Rн вначале изменяется слабо, оставаясь
примерно равным току короткого замыкания Iкз, а затем достаточно резко уменьшается при дальнейшем
увеличении Rн . На ВАХ существует единственная
точка M, в которой мощность Pm, отдаваемая ФЭП во внешнюю цепь,
оказывается максимальной и равной площади следующего прямоугольника:
.
(4.3)
Для
характеристики внутренних потерь ФЭП обычно используют так называемый
коэффициент заполнения ВАХ F, равный
отношению Pm к произведению тока
короткого замыкания ФЭП на напряжение холостого хода:
(4.4)
С учетом (4.4)
КПД η полупроводникового фотопреобразователя может быть определен как
отношение максимальной мощности, отдаваемой ФЭП во внешнюю нагрузку, к
суммарной мощности солнечного излучения Pи, падающей на фотоприемную поверхность:
(4.5)
Определим
коэффициент полезного действия n+-p СЭ с текстурированной
поверхностью (см. 4.1). Для измерения мощности падающего на СЭ солнечного
излучения использовался измеритель мощность ИМО 3. В момент измерений мощность
падающего излучения составляла P0 ~ 70 мВт/см2.
При измерении
световой нагрузочной ВАХ солнечного элемента были получены следующие значения
напряжения и тока (табл. 4.1):
Таблица
4.1.
Результаты измерения световой нагрузочной ВАХ
V,B
0
0,008
0,017
0,025
0,031
0,034
0,035
0,036
0,038
I,mA
0,39
0,38
0,35
0,32
0,26
0,17
0,13
0,09
0