Солнечная батарея Белл

Солнечная батарея Белл состоит из большого числа отдельных солнечных кремниевых элементов, каждый из которых может превращать энергию солнечного света в электрическую энергию с очень высоким коэффициентом полезного действия, чем любой ранее созданный фотоэлектрический прибор. После того как в апреле 1954 г. стало известно о разработке солнечной батареи Белл, она вызвала значительный интерес и широкое обсуждение. Поэтому достаточно дать лишь краткие сведения о принципе ее применения, прежде чем перейти к некоторым, более существенным эффектом относительно ее конструкции и электрических характеристик. Следует, однако, отметить, что солнечная батарея Белл является пока еще экспериментальным прибором, сконструированным из дорогих материалов путем сложной технологии.

Основой солнечного элемента является р—n-переход, или граница между областями различной электрической проводимости в полупроводниковом кристалле. Такие переходы были открыты в лаборатории Белл в 1930 г. Олом и Скаффом, которые заметили также, что эти переходы светочувствительны; это свойство позднее было использовано в конструкции фототранзисторов. Электроны света при падении на полупроводник вырывают электрон из его нормального положения в кристаллической решетке, образуя положительно заряженную «дырку», или вакантное место. Как электрон, так и дырка смогут переносить электрический ток, если предотвратить их рекомбинацию и, следовательно, их нейтрализацию. р—n-Переход создает внутреннее электрическое поле, которое затягивает электроны в область n-типа, или отрицательную область перехода, а дырки — в область n-типа, или положительную область, прежде чем большинство из них рекомбинирует. Можно сказать, что переход собирает электроны и дырки. Применяя соответствующие контакты и выводы на обеих сторонах перехода, результирующий ток можно использовать во внешней цепи. Следовательно, превращение световой энергии в электрическую происходит практически за счет возникновения пар «электрон — дырка» — процесса, который приобретает особое значение под влиянием электрического поля р—n-перехода.

Таким образом, солнечный элемент, схема которого приведена на фиг. 3, есть просто р—n-переход, сконструированный так, чтобы эффективнее использовать это явление. Переход выполняется очень большим и ориентируется своей поверхностью по направлению к солнцу; верхний слой элемента изготовляется очень тонким, чтобы как можно больше эффективных фотонов могло проникать в область перехода.

В кремнии большая часть солнечной энергии абсорбируется на внешнем слое толщиной 0,0254 мм, а чтобы можно было собрать пары электрон—дырка, они должны возникать внутри слоя перехода толщиной около 0,00254 мм. Помимо соблюдения этих тонких размеров, необходимо также, чтобы поверхностный слой имел высокую проводимость; в противном случае много электрической энергии терялось бы за счет тепла, образующегося из-за внутреннего сопротивления элемента. Эти рассуждения приводят к схеме прибора, показанной на фиг. 3, и вопрос заключается в том, как ее выполнить.

Решение этой проблемы вытекает из основных закономерностей диффузии в твердых телах. Диффузионные методы оказываются идеальными методами получения как контролируемой глубины поверхностного слоя, так и высокой поверхностной электрической проводимости. Было найдено, что выгоднее всего применять в качестве диффундирующего элемента бор. В этом случае температура диффузионного отжига должна приближаться к температуре плавления кремния (1420°) и соотношение между временем диффузии и глубиной диффузионного слоя должно быть точно известно.

Один из методов получения р-слоя состоит в нагреве пластинки кремния n-типа при высокой температуре в присутствии газа, содержащего бор. Бор выделяется из его химического соединения и диффундирует в кремний. Глубина диффузионного слоя определяется температурой и продолжительностью происходящего диффузионного процесса. Такой процесс приводит к уменьшению концентрации бора с увеличением глубины. Кремний наиболее сильно легирован бором на самой поверхности. В глубь кристалла концентрация убывает до тех пор, пока на глубине примерно 0,00254 мм не достигает такого низкого значения, что уже преобладает материал n-типа — основная часть кристалла кремния, легированная мышьяком. Это изменение типа проводимости определяет положение перехода. Еще глубже в кристалле, за пределами перехода, концентрация бора падает до нуля. Разница между числом атомов мышьяка и бора на различных глубинах создает градиент электрического поля, который, как указывалось ранее, собирает пары электрон — дырка.

Кроме диффузионного насыщения, остаются еще весьма существенные проблемы создания подходящих контактов и изготовления корпуса готового элемента для защиты от механических повреждений и влияния погоды. Обе эти проблемы должны быть решены таким образом, чтобы элемент имел хорошие электрические характеристики в течение длительного периода времени. Возвращаясь к фиг. 3, мы видим, что после диффузионного насыщения пластинка кремния CO всех сторон окружена слоем материала р-типа. Как видно из чертежа, р-слой удаляется затем с части нижней поверхности и создается контакт к основной части кристалла. Выполнением контактов к р-слою завершается изготовление электрической части конструкции.

Тонкий р-слой так легко нарушается, что изготовление контактов методами сплавления или сварки практически невозможно. Контакты в первых солнечных элементах были выполнены просто нанесением кистью слоев металлических лаков поверх омедненных частей элемента, но такие контакты со временем портятся. Впоследствии было опробовано много других методов, например металлические слои получались путем наплавки, электроосаждения и конденсации металлических паров. Потребуются дополнительная работа и длительные испытания, прежде чем будет найден наилучший тип контакта; то же самое можно сказать и о проблеме изготовления корпуса элемента. До настоящего времени элементы заключались в твердые блоки из прозрачной пластмассы и в блоки из поропластов. Использовались различные формы и размеры корпуса, причем некоторые из них были выполнены из прозрачной пластмассы, отлитой в форме линз, чтобы получить наилучшую фокусировку солнечного света на поверхность элемента. И процессе экспериментальных исследований было разработано несколько перспективных методов изготовления контактов и корпусов, так что, по-видимому, ни та, ни другая проблема не создаст серьезных затруднений.

Все эти переменные, определяющие действие солнечных элементов, позволяют получить довольно широкий диапазон электрических характеристик. Некоторые наиболее важные теоретические данные, которые должны быть учтены при конструировании с целью получения наилучших электрических характеристик, приведены ни фиг. 5. На этом графике нанесены три кривые. Кривая А дает распределение солнечной энергии (в относительных долях от максимальной энергии, принятой за единицу) по различным длинам волн. Эта кривая была построена на основании опубликованных данных, полученных в ясную погоду при нахождении солнца в зените и перпендикулярном падении света. Кривая Б дает относительное число фотонов при бесконечно малых приращениях длин волн; она получается из кривой А путем умножения на длину волны. Кривая В есть кривая чувствительности при коротком замыкании для кремниевого солнечного элемента; она была выведена с помощью спектрометра, приспособленного для получения равных количеств энергии при различных длинах волн, а также путем подгонки значений чувствительности в соответствии с количеством энергии, получаемой за счет солнечного света. Кривые Б и В также даны в относительных долях от максимального значения, принятого за единицу. Для сравнения приведены приблизительные пределы видимого спектра.

Чтобы правильно интерпретировать данные, приведенные на фиг. 5, нужно учесть следующее. Левая часть диаграммы соответствует фотонам, имеющим большую энергию, так что для получения данного количества энергии нужно меньшее число фотонов. Наоборот, в правой части диаграммы для получения того же количества энергии требуется большее число фотонов. Это очевидно из диаграммы: например, при относительной энергии 0,6 кривая Б, определяющая число фотонов, проходит ниже кривой распределения солнечной энергии А в левой части диаграммы и выше ее — в правой.

Следует отметить, что солнечный элемент не чувствителен к фотонам, имеющим длины волн больше 1,1 мк (длина волны 1,1 мк соответствует энергии примерно 1,0 эв). Эти фотоны малой энергии свободно проходят через кремний и не создают пар электрон—дырка. Все фотоны, имеющие длину волны меньше 1,1 мк, будут иметь более чем достаточно энергии для образования пары электрон-дырка; эта избыточная энергия переходит в тепловую энергию. Энергия дополнительно теряется еще потому, что некоторые из фотонов с высокой энергией создают пары электрон—дырка слишком близко к поверхности или слишком далеко от перехода, чтобы быть «собранными» на переходе. Условия таковы, однако, что в этом элементе «собирается» максимальное число электронов и дырок (т. е. элемент показывает максимальную чувствительность) при длине волны приблизительно 0,75 мк, около границы между областями видимого и инфракрасного света.

В связи с этим следует отметить, что значение 0,75 мк весьма близко к длине волны, которой соответствует максимум числа фотонов солнечного света, определяемых кривой Б. Этот факт указывает на то, что кремний близок к идеальному материалу для преобразователей солнечной энергии. В данном случае р-слой имел глубину 0,00254 мм. Для более тонких слоев пик чувствительности будет иметь место при длинах волн, меньших 0,75 мк, ближе к фиолетовому концу спектра; но если мы заинтересованы главным образом в максимальном превращении солнечной энергии в электрическую, то имеет смысл получить пик чувствительности вблизи инфракрасной области.

Так как подернутое дымкой или отчасти облачное небо более прозрачно для инфракрасных лучей, чем для ультрафиолетовых, чувствительность к инфракрасным лучам также свидетельствует о том, что плохие световые условия не являются препятствием для выгодного использования элемента. Если день начинается сплошной облачностью на небе, а затем погода постепенно улучшается, благодаря чему прогрессивно возрастает количество солнечного света, то мы получим изменяющиеся характеристики, приведенные на фиг. 6. На графике, приведенном на этой фигуре, отложены ток короткозамкнутого элемента и напряжение разомкнутой цепи в зависимости от процента интенсивности прямого солнечного света. Ток линейно возрастает, а напряжение быстро увеличивается до своего максимального значения.

Кривые, приведенные на фиг. 6, представляют лишь предельные условия разомкнутой и короткозамкнутой цепей. В промежуточных условиях для различных внешних нагрузок мы можем построить кривую мощности, подобную приведенной на фиг. 7. При полном солнечном освещении мощность элемента достигает максимума при напряжении, несколько более низком, чем это отвечает оптимальной чувствительности при разомкнутой цепи. Это значение оптимальной мощности было использовано для определения к. п. д. элемента, в данном случае равного примерно 6%. Это значение было получено при рабочей температуре 25°. При более высоких температурах выходное напряжение падает, но сила тока возрастает, так что изменение к. п. д. не очень велико в приемлемом интервале рабочих температур.

При значениях интенсивности солнечного света, меньших 100%, кривые мощности получаются подобными приведенной на фиг. 7 с пиком мощности всегда при одном и том же напряжении, а именно около 0,3 в на каждый элемент. Это означает, что прибор постоянного вопрос, как будет работать батарея в течение длительного периода времени. Так как со времени изобретения этого прибора прошло относительно мало времени, то точные данные о его долговечности не могут быть сейчас представлены. Однако интересно отметить, что в одной из первых демонстраций элемента солнечная батарея была использована для питания мотора, вращавшего маленький диск; этот диск непрерывно вращался при обычном внешнем освещении в течение целого года, прошедшего после демонстрации. Рассматриваемый вопрос лучше демонстрируется на диаграммах, приведенных на фиг. 8 и 9. Солнечная батарея, состоящая из пяти элементов, соединенных в серии, с общей площадью около 10 см2, была смонтирована в месте, освещаемом солнцем, и заряжала аккумуляторную батарею. Изменения силы зарядного тока непрерывно записывались в течение нескольких месяцев. На фиг. 8 показаны записи для трех дней с различными условиями погоды. Отчетливо выявляется общий ход кривых от утра к полудню и далее к вечеру с резкими пиками и провалами, вызванными изменением облачности. Кривые этого типа показывают, что некоторые облачные образования, отражающие солнечный свет, могут действительно привести к более высоким чувствительностям, чем чувствительность при безоблачном небе. На фиг. 9 приведены средние значения силы тока за полмесяца и месяц. Здесь опять заметны отклонения, обусловленные средними изменениями условий погоды. Видно также, что чувствительность уменьшается осенью, когда дни становятся короче, и увеличивается после зимнего солнцестояния. Дополнительные сведения по этому вопросу могут быть собраны после того, как мы сможем точно определить размеры солнечной батареи для проведения той или иной работы.

Хотя здесь приводятся данные последних исследований, полученных в течение прошлого года, настоящая статья основана все же главным образом на результатах предварительной работы. После изобретения солнечной батареи отдел усовершенствования лаборатории Белл изготовил элементы, гораздо более усовершенствованные, чем первые, экспериментальные модели. Лучшие из первых элементов имели к. п. д. около 6%. К. п. д. новых элементов возрос до 8%, а к. п. д. некоторых элементов достиг даже 11%, что является чрезвычайно хорошим результатом, учитывая трудности, присущие этой проблеме.