Развитие высокоэффективных кремниевых солнечных элементов с обычным p-n– переходом в гомогенном материале в основном происходит путем снижения глубины залегания p-n– перехода. Она была уменьшена почти на два порядка величины — от 7–10 мкм у первых образцов до 0,1–0,015 мкм у современных солнечных элементов. Рост, например, спектральной чувствительности кремниевых элементов при уменьшении глубины залегания р-n– перехода наглядно виден из данных рис. 4.1. Результаты измерений, приводимых на этом рисунке, получены при модулировании спектрального светового луча и при солнечной подсветке по методике, описанной в гл. 2.

Pис. 4.1. Абсолютная спектральная чувствительность кремниевых солнечных элементов, непросветленных с глубоким p-n-переходом (толщина легированного слоя l >= 1,2 мкм) (1–3) и просветленных с мелкозалегающим p-n-переходом (I <= 0,3 мкм) (4–6)

1. 4 — измерения на монохроматоре в условиях низких засветок с градуировкой по калиброванному термоэлементу; 2, 6 — измерения 1, 4 на модулированном потоке с подсветкой имитированным солнечным излучением; 3, 5 — измерения 1, 4 с пересчетом с помощью масштабного множителя, определенного по эталонной светоизмерительной лампе в условиях высоких засветок

Рис. 4.2. Солнечные элементы из кремния с текстурированной поверхностью (а), с рельефной поверхностью и p-n-переходом, расположенным как на горизонтальных, так и на вертикальных участках рельефа (б)

Стремление приблизить р-n– переход к поверхности вполне понятно, если учесть, сколь большая часть солнечного света поглощается на малой глубине (см. рис. 2.7 и 2.15) и насколько велики потери носителей заряда из-за их рекомбинации в переднем легированном слое элементов. Логическим пределом движения в этом направлении являются поверхностно-барьерные солнечные элементы разных типов, вовсе не содержащие легированного слоя, так что поле объемного заряда подходит вплотную к поверхности.

Разработка солнечных элементов с p-n– переходом, расположенным на глубине менее 0,2 мкм, в значительной мере решила проблему пространственного разделения носителей заряда, генерированных коротковолновым излучением. Действительно, коэффициент собирания у подобных солнечных элементов даже при ?=0,4 мкм достигает ~0,9, тогда как при глубине залегания >=0,4 мкм коэффициент собирания в этой области спектра равен 0,5–0,6.

В силу высокой чувствительности в фиолетово-голубой части спектра описываемые солнечные элементы получили название фиолетовых. Плотность тока короткого замыкания таких солнечных элементов удалось довести до 40–42 мА/см2. Спектральная зависимость токовых потерь фиолетовых солнечных элементов, рассчитанная с учетом спектрального распределения внеатмосферного солнечного излучения, показывает, что их коэффициент собирания близок к 1,0 почти во всей области чувствительности. Потери в коротковолновой области спектра относительно невелики, и дальнейшее улучшение использования солнечного излучения возможно не за счет совершенствования внутренней структуры солнечных элементов (ибо p-n– переход разделяет практически каждую рожденную светом пару электрон-дырка), а путем улучшения оптических параметров солнечных элементов — снижения отражения и затенения поверхности контактами.

Уменьшение толщины верхнего легированного слоя важно не только для повышения фоточувствительности, но и для улучшения диодных характеристик солнечных элементов. Согласно расчетным и экспериментальным данным, параметры легированного слоя определяющим образом влияют на величину тока насыщения и, следовательно, фото-ЭДС. Подобная роль обусловлена, во-первых, эффектами, связанными с высоким уровнем легирования — сужением запрещенной зоны и уменьшением эффективной концентрации основных носителей, появлением обратного градиента поля, и, во-вторых, чрезвычайно низким временем жизни носителей заряда, вероятно не превышающим 1 нс. Для снижения тока насыщения рекомендуется уменьшить толщину верхнего слоя и обеспечить оптимальный уровень легирования 2-1019 см– 3 (ранее при создании элементов разработчики стремились к получению в верхнем легированном слое концентрации примеси и свободных носителей заряда на уровне 1021 см– 3, близком к пределу растворимости фосфора в кремнии). Влияние возросшего слоевого сопротивления должно быть скомпенсировано соответствующей структурой контактной сетки.

При разработке фиолетовых солнечных элементов эти требования были реализованы за счет ряда технологических и конструктивных новшеств. Основные из них: низкотемпературная (770–800oC) диффузия в потоке газа носителя, относительно малая поверхностная концентрация легирующей примеси (1019 см– 3) и густая контактная сетка (8—10 полос/см) при ширине полоски ~50 мкм.

Для уменьшения потерь на отражение света был разработан метод обработки поверхности кремния, позволивший создать «неотражающий», или «черный», солнечный элемент из кремния с высоким КПД. Отличие такого солнечного элемента — особый пирамидообразный, текстурированный (рис. 4.2, а) рельеф верхней поверхности, при котором луч, однажды отраженный от одной грани выступа-пирамиды, вторично попадает на поверхность соседнего выступа, благодаря чему теряется лишь ничтожная часть света. В результате даже при отсутствии просветляющей пленки на поверхности кремния, имеющей исходный коэффициент отражения выше 30–40 %, подобный рельеф снижает потери солнечного света на отражение до ~10 %. Нанесение же просветляющей пленки (например, Ta2O5) сводит их к 2–3 % интегрально — по всему солнечному спектру.

Дополнительный эффект текстурирования поверхности — уменьшение глубины поглощения света. Происходящее в результате этого возрастание эффективного коэффициента поглощения а приводит к увеличению коэффициента собирания и плотности фототока.

Помимо традиционной плоской, планарной, конструкции в последние годы широко исследуются солнечные элементы со сложной конфигурацией p-n– переходов, в частности с p-n– переходами, расположенными по нормали к освещаемой поверхности. Они могут изготавливаться либо на общей подложке, либо набираться из отдельных микроэлементов, объединенных материалом контакта (слоем припоя или алюминия).

Вертикальное расположение p-n– переходов открывает дополнительные эксплуатационные возможности солнечных элементов. При последовательном соединении p-n– переходов солнечные элементы генерируют высокие напряжения, вплоть до десятков В/см, и эффективно работают в условиях высокой освещенности, что было убедительно показано советскими учеными, впервые получившими такие высоковольтные элементы. Параллельное включение p-n– переходов создает предпосылки для повышения фототока и, следовательно, КПД солнечных элементов.