RENEWABLE ENERGY
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
SOLAR POWER PLANTS
Статья поступила в редакцию 02.04.15. Ред. рег. № 2220 The article has entered in publishing office 02.04.15. Ed. reg. No. 2220
УДК 53.082.75
ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЕКАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ПРОИЗВОДСТВА ВИЭСХ С КОНТАКТНОЙ СЕТКОЙ НА ЛИЦЕВОЙ СТОРОНЕ
Б.А. Никитин, В.А. Гусаров, В.В. Харченко
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский пр., д. 2 Тел.: 8-905-549-01-21, 8-499-171-19-20, e-mail: cosinys50@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 06.04.15 Заключение совета экспертов: 10.04.15 Принято к публикации: 14.04.15
Работа посвящена экспериментальной оценке сопротивления растекания, основной составной части последовательного сопротивления планарных фотопреобразователей, величина которой существенно влияет на эффективность солнечного элемента. В процессе экспериментальных работ рассмотрены несколько подходов к решению поставленной задачи. В основном подходы основаны на исследованиях фрагмента кремниевой структуры, вырезанной из готового серийного преобразователя, позволяющего измерять сопротивление легированного слоя в продольном направлении.
Ключевые слова: легированный слой, контактная сетка, растекания кремниевой структуры.
ESTIMATION OF SIZE OF RESISTANCE OF SPREADING
OF SILICIC PHOTOCONVERTERS OF PRODUCTION OF VIESH WITH THE CONTACT GRID ON A FRONT SIDE
B.A. Nikitin, V.A. Gusarov, V.V. Kharchenko
The All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) 2, 1st Veshnyakovskii str., Moscow, 129128, Russia Tel.: 8-905-549-01-21, e-mail: cosinys50@mail.ru
Referred: 06.04.15 Expertise: 10.04.15 Accepted: 14.04.15
Work is devoted to experimental evaluation of resistance spread, the main part of the serial resistance planar photoconverters, which has a significant impact on the efficiency of the solar cell. In the process of experimental works considered several approaches to the solution of the task. The main approaches are based on the research portion of the silicon structures, carved from the finished serial converter, which allows you to measure the resistance of the doped layer in the longitudinal direction.
Keywords: doped layer, the contact grid, spreading of silicon structure.
№ 06 (170) Международный научный журнал
Борис Андреевич Никитин Boris A. Nikitin
Валентин Александрович Гусаров Valentin A. Gusarov
Валерий Владимирович Харченко Valeri V. Kharchenko
Сведения об авторе: канд. техн. наук., старший научный сотрудник ВИЭСХ. Образование: Всесоюзный заочный Политехнический институт (1966), инженер-электрик. Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоснабжение, энергоэффективность. Публикации: 186.
Information about the author: PhD, senior researcher, VIESH. Education: All-union in Absentia Polytechnic Institute, 1966, electricial engineer. Research area: renewable energy sources, energy supply, energy ef ficiency. Publications: 186.
Сведения об авторе: канд. техн. наук, зав. лабораторией ВИЭСХ.
Образование: Московский инженерно-строительный институт (1981), инженер-строитель. Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоснабжение, энергоэффективность. Публикации: 76.
Information about the author: PhD, head of laboratory, VIESH. Education: Moscow Engineering Building Institute, 1981, builder engineer. Research area: renewable energy sources, energy supply, energy efficiency. Publications: 76.
Сведения об авторе: д-р техн. наук, главный научный сотрудник ВИЭСХ. Образование: Ташкентский Политехнический институт (1961), инженер технолог. Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоснабжение, энергоэффективность. Публикации: 244.
Information about the author: DSc, main research worker, VIESH. Education: Tashkent Polytechnic Institute, 1961, process engineer. Research area: renewable energy sources, energy supply, energy efficiency. Publications: 244.
electrical engineer, civil engineer, engineermoscow institute of civil engineering
Эффективность работы кремниевого фотоэлектрического преобразователя (солнечного элемента) в значительной мере определяется величиной его последовательного сопротивления. Как показано в работе [1], последовательное сопротивление фотопреобразователя в основном определяется сопротивлением базового слоя и сопротивлением растекания вдоль легированного слоя.
Основной задачей экспериментальных и теоретических исследований является поиск путей снижения этих компонент последовательного сопротивления фотопреобразователя. Сопротивление базового слоя преобразователя можно уменьшить, либо увеличивая
в нем уровень легирования (не снижая времени жизни носителей заряда), либо уменьшая его толщину до размеров глубины проникновения в нее фотонов, длина волны которых определена границей поглощения данного полупроводника.
В той же работе [1] отмечено, что единственной величиной, которую в обычных конструкциях преобразователей нельзя принципиально устранить, является сопротивление растекания легированного слоя полупроводниковой структуры.
С целью увеличения эффективности преобразователя легированный слой (он же мертвый слой для поглотившейся в нем значительной коротковолновой
№ 06 (170) Международный научный журнал
части фотонного потока солнечного излучения) делается предельно тонким (около 1 мкм). По этому тонкому легированному слою, вдоль него, протекает генерированный в преобразователе рабочий ток. Его заметное (из-за тонкости слоя) сопротивление при достаточно больших рабочих токах до 40 мА/см2 приводит к существенному падению напряжения преобразователя.
В указанной выше работе приведена оценка сопротивления легированного слоя полупроводника для современного уровня промышленной технологии, которая составила величину 3 Ом для фрагмента квадратной формы слоя и которая не зависит от длины выбранного квадрата.
Целью настоящей работы является попытка оценки величины сопротивления растекания кремниевых фотоэлектрических преобразователей, серийно выпускаемых в ВИЭСХ с восьмидесятых годов прошлого века.
Для этого из готового фотопреобразователя ФЭП-100 была вырезана центральная часть длиной 90 мм и шириной 30 мм, содержащая поперечные тонкие контактные полосы. К концам вырезанной структуры были припаяны луженые шинки с целью измерения токов и напряжений. Виды этой структуры показаны на рис. 1.
Рис. 1. Структура кремниевой пластины, вырезанной из преобразователя ФЭП-100 и подготовленной к плановым экспериментам: 1 - поперечные контактные полоски (металл); 2 - лицевые (2 шт.) шинки (металл); 3 - легированный слой полупроводника (n-тип); 4 - обедненная область - область р-л-перехода; 5 - базовый слой полупроводника (p-тип);
6 - тыльная продольная шинка (металл) Fig. 1. Structure of silicon wafer, carved from a ФЭП-100 and prepared for the planned experiments: 1 - transverse contact strips (metal); 2 - two facial splints (metal); 3 - the doped semiconductor layer (n-type); 4 - depletion region - the region of p-n-junction; 5 - the base semiconductor layer (p-type); 6 - the rear longitudinal splint (metal)
Первый подход к оценке величины сопротивления растекания подготовленной кремниевой структуры заключался в непосредственном измерении величины сопротивления легированного слоя с помощью мультиметра между двумя лицевыми шинками. Сопротивление всего легированного слоя, заключенного между двумя лицевыми шинками, составило: 35 Ом - в темновом режиме; 3,5 Ом - в условиях засветки на уровне АМ-1,5.
В связи с тем, что опорное напряжение мульти-метра в режиме измерения сопротивлений 2К составляет величину 3,0 В, что существенно превышает потенциал на /»-«-переходе кремниевого фотопреобразователя, то полученные результаты измерений сопротивления следует рассматривать как результирующие трех параллельно соединенных ветвей в соответствии с оговоренной выше структурой преобразователя согласно рис. 2.
Рис. 2. Схема параллельного соединения трех токопроводящих ветвей в кремниевой структуре при измерении сопротивления между лицевыми шинками А и Б Fig. 2. The scheme of parallel connection of three conducting branches in silicon structure at measurement of resistance between front splints A and Б
На рисунке: Ллег - искомая величина сопротивления легированного слоя; Лбазы - сопротивление базового слоя с возможным влиянием /-«-перехода (продольное); Яп.р и Яр.п - сопротивления базового слоя (поперечного с учетом влияния /-«-перехода относительно тыльного контакта (шинки).
Измеренные значения сопротивлений между тыльной шинкой и лицевыми А и Б составили: Лпрям = 346 Ом; Лобр = 1700 Ом.
Если принять, что сопротивление легированного слоя равно сопротивлению базового слоя (поскольку концентрации легированного слоя и базового слоя отличаются на два порядка, на столько же в обратную сторону могут отличаться и толщины этих слоев), то искомая величина Ллег будет близка к 70 Ом.
Более тонкую корректную оценку сопротивления легированного слоя фотопреобразователя первый подход дать не может.
Второй подход к оценке сопротивления легированного слоя кремниевой структуры с /-«-переходом заключался в пошаговом измерении падения напряжения при подаче на шинку А относительно тыльной шинки С небольшого (до 0,5 В) напряжения согласно схеме рис. 3.
№ 06 (170) Международный научный журнал
На рис. 5 показано изменение этого приращения по длине легированного слоя исследуемой структуры.
Рис. 3. Схема подачи на кремниевую структуру напряжения
от внешнего источника питания и измерения падений напряжений на тонких контактных полосках лицевой стороны Fig. 3. The scheme of giving on silicon structure of tension from the external power supply and measurement of falling of tension on thin contact strips of the face
На рисунке: 1 - кремниевая структура с p-n-переходом; А и Б - лицевые шинки; С - тыльная шинка; ХИ - химический источник тока (батарейка); ~ R - переменный резистор; Amp - измеритель тока; Vo - измеритель
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.