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
По этим данным строится ВАХ фотопреобразователя (рис. 4.4):
Рис. 4.4. ВАХ n+-p СЭ с текстурированной поверхностью.
Из графика на рис. 4.2 определяем, что Vm=0,028 B, Im=0,3 mA. Площадь поверхности СЭ составила S=16 мм2, соответственно Pист=P0·S= 70 мВт/см2· 0,16 см2 = 11,2 мВт.
Фактор заполнения F считаем по формуле (4.4):
Коэффициент полезного действия солнечного элемента определяем по формуле (4.5):
Такой низкий КПД полученного солнечного элемента в большой степени определяется тем, что не удалось создать хорошего омического контакта. Кроме того, при диффузии с применением поверхностного источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты при нанесении раствора на пластину на тыльной стороне пластины образуются затеки. При проведении процесса диффузии на тыльной стороне пластины образуется p – n переход. Для снятия с тыльной стороны подложек слоя кремния с находящимся в нем в результате диффузии фосфором, приводящим к увеличению последовательного сопротивления СЭ на тыльном контакте необходимо применять, например, плазмохимическую обработку. Так как такой операции не было проведено, то можно сделать заключение, что образование на тыльной стороне p – n перехода существенно ухудшает электрофизические параметры СЭ.
ВЫВОДЫ
Одним из наиболее перспективных методов диффузионного легирования кремния для производства кремниевых солнечных элементов является диффузия из поверхностного источника. Особенностью этого метода является то, что создание слоя примесносиликатного стекла, из которого будет идти диффузия примеси в кремний, осуществляется до проведения процесса диффузии. Метод прост, не требует сложного оборудования, возможно проведение диффузионного отжига в атмосфере воздуха. Всвязи с этим, применение метода диффузии из поверхностного источника может удешевить технологию производства кремниевых СЭ.
В данном дипломном проекте рассматривалось несколько поверхностных источников диффузии, также был рассмотрен твердый планарный источник. Из поверхностных источников для диффузии бора и фосфора были достаточно полно изучены источники на основе спиртовых растворов борной и ортофосфорной кислот. Предложена технология проведения диффузии с использованием таких источников, которая позволяет надежно получать p – n переход в полупроводниковой пластине кремния.