Солнечные батареи: технология и экономика

Fakir> Мне не совсем понятно, почему переходы, использующие менее энергичные фотоны, располагаются в глубине слоя, по убывающей.

Wild (educated ) guess:
Какова толщина слоев? Может это те самые четверть длины волны на которые ЕМ волна проникает в диэлектрик?

Вряд ли... фиг знает, конечно, какая там толщина слоёв, в статье об этом напрямую не говорится, но в спектролабовских проспектах даются величины суммарной толщины трёхслойного фотоэлемента около 140-175 микрон. Так что явно отдельно взятый слой имеет толщину на порядки больше, чем доли микрона.

Тогда может быть технологические причины: чем слой выше, тем больше примесей...
Во всяком случае наоборот делать сильно сложнее.

Fakir> Рисунок, показывающий соотношение мощностей, выдаваемых разными слоями (при солнечном спектре).
Fakir> Мне не совсем понятно, почему переходы, использующие менее энергичные фотоны, располагаются в глубине слоя, по убывающей.
- Может, речь о том, что попросту меньше фотонов проникает сквозь верхние слои, потому моща, выдаваемая нижними, меньше?

Ну, что верхние слои в любом случае какую-то долю света поглотят - это понятно.
Непонятно, почему чем меньше энергия используемого слоем фотона, тем глубже этот слой лежит. На первый взгляд, логичнее было бы сделать наоборот - ведь проникающая способность фотона, как правило, тем выше, чем выше энергия (ну разве что применяемые материалы в этом диапазоне как раз в инверсную область попадают? но вероятность не оч. велика, ИМХО).

У меня пока одно объяснение: что, поскольку чем больше длина волны - тем меньше мощность, приходящаяся на эту долю спектра, считают, что бОльшие потери из меньшей части принесут меньший суммарный убыток.

Fakir> Ну, что верхние слои в любом случае какую-то долю света поглотят - это понятно.
Fakir> Непонятно, почему чем меньше энергия используемого слоем фотона, тем глубже этот слой лежит. На первый взгляд, логичнее было бы сделать наоборот - ведь проникающая способность фотона, как правило, тем выше, чем выше энергия (ну разве что применяемые материалы в этом диапазоне как раз в инверсную область попадают? но вероятность не оч. велика, ИМХО).
Fakir> У меня пока одно объяснение: что, поскольку чем больше длина волны - тем меньше мощность, приходящаяся на эту долю спектра, считают, что бОльшие потери из меньшей части принесут меньший суммарный убыток.
Ы?!
Но ведь фотоны бОльшей энергии просто не пролезут через материал с малой запрещенной зоной. В чем тогда смысл слоев?

Идея в том, чтобы маленькие фотоны свободно летели через прозрачные для них верхние слои и поглощались бы в "своем" слое (ну а верхние слои жрали мощные фотоны с минимумом потерь на термализацию).

Стоп, погодь! Чё-то я туплю... Что значит - "не пролезут"?! Это следует понимать, как "пролезут, но с потерями"? Но так потери же вроде - по делу, на "заброс" электронов? Или не так?

Почему "маленькие" фотоны свободно летят через верхние слои, что, они такие тонкие, что на всякое рассеяние-поглощение (вне перехода) плевать?

Fakir> Стоп, погодь! Чё-то я туплю... Что значит - "не пролезут"?! Это следует понимать, как "пролезут, но с потерями"? Но так потери же вроде - по делу, на "заброс" электронов? Или не так?
Fakir> Почему "маленькие" фотоны свободно летят через верхние слои, что, они такие тонкие, что на всякое рассеяние-поглощение (вне перехода) плевать?

Потери малоэнергичный фотонов менее сказываются на суммарном КПД. Т.е. Чем больше энергии в фотоне, тем он ценнее.

Да это естественно предположение, я сам так думал - см. выше:)
Но Татарин говорит, что они именно что свободно летят.

Кстати, джентльмены, вообще валите сюда всё, кто что знает про космические СБ, особенно про конструкцию (т.е. не только физику фотоэлемента), а конструкцию вообще - каркасы, электрику, поворотные механизмы, покровные стёкла и т.п.
А то мне как раз статью про СБ заказали, и, похоже, срок - позавчера

Fakir> Стоп, погодь! Чё-то я туплю... Что значит - "не пролезут"?! Это следует понимать, как "пролезут, но с потерями"? Но так потери же вроде - по делу, на "заброс" электронов? Или не так?
Так. Но тогда почему бы не сделать один слой с наименьшей энергией?

Fakir> Почему "маленькие" фотоны свободно летят через верхние слои, что, они такие тонкие, что на всякое рассеяние-поглощение (вне перехода) плевать?
Не, не плевать. Но они зато вне фундаментального поглощения. Переходы "зона-зона" их не волнуют, для них САМ материал (не границы, а сам) - прозрачен. А вот для фотонов с энергиями выше материал просто черный.

Совсем туплю я заполночь... может, по пунктам процесс распишешь? Летит, значица, фотон, влетает в...
И почему сам материал для них прочен-та?

>Так. Но тогда почему бы не сделать один слой с наименьшей энергией?

Не улавливаю смысла

Наверное с этим вопросом с этот раздел:

не обязательно черный - у обычного полированного
кремния в УФ коэфициент отражения 60 -75 процентов ....

Fakir> Совсем туплю я заполночь... может, по пунктам процесс распишешь? Летит, значица, фотон, влетает в...
Fakir> И почему сам материал для них прочен-та?
Вот смотри (очень грубо): есть материал с шириной запрещенной зоны 1эВ. Ниже запрещенной - валентная зона, выше - зона проводимости. ОК?
Что это значит? Это значит, что существует непрерывное множество переходов из валентной зоны в зону проводимости, причем минимальная энергия перехода - 1эВ. Так?
Летит фотон меньшей энергии, скажем, пол-эВа. Влетает в материал и... летит себе дальше, потому что никто его поглотить не может. Переходов нет. Прозрачен материал для таких фотонов - вот как кварц прозрачен для видимого света (по той же причине, кстати).
Если кто и может поглотить фотон, то какая-нить примесь, или дефект, у которого-таки есть переходы. Но примесей и дефектов мало по определению этих понятий. Рассеять его можно на неоднородностях, послать обратно на границах сред... это все да. Но не поглотить материалом.

Зато фотон с энергией бОльшей, чем 1эВ, в этом материале кто угодно поглотит: на первом же атоме может спотыкнуться. Бо переходы есть, и они разрешены. Вся матрица - сплошной поглотитель.

Теперь смотри на эти слои: если ты первым поставишь германий, то с большой вероятностью он сожрет все больше 0.6эВ. Но при этом выдаст с каждого фотона, будь тот хоть 3эВа, ровно 0.6эВ (ну, не строго ровно, но грубо-около). Остальная энергия фотона рассеется по матрице. Налицо свинство и потери.
Поэтому делают конструкцию, которая сначала аккуратно жрет большие фотоны (и выдает высокое напряжение, соответсвенно их энергии), затем поменьше (и выдает - соответственно), затем самые малые.

Минимум зряшней термализации - высокий КПД.

Ессно, на переотражение-рассеяние, и пр.пр. Потери тоже есть. Поэтому даже теоретики предсказывают, что более 8-9 слоев не имеет смысла. Даже по их теории.

На практике и четыре-то - сомнительно, ИМХО.

valture> не обязательно черный - у обычного полированного
valture> кремния в УФ коэфициент отражения 60 -75 процентов ....
Заморозьте кремний, уберите пленку окисла, посветите единичным фотоном.
Будет черным, как пить дать.

Ага, вроде понял в основном. Непонятным остаётся только, почему фотон 3-хэвный непременно полностью поглотится-то? Не отдаст часть энергии и проскочит дальше, а именно обязательно полностью поглотится, перегнав всё, что выше 0,6 эВ в решётку?

А насчёт четырёх слоёв - дык вся статья от au как раз про них. Причём ажно 2000 года. Всё вроде достаточно зашибись, см. картинки.

Кстати, саму структуру-то (см. предыдущ. стр.) не откомментируешь? Я вот не пойму - чего это сверху всё так хитро, полоска контакта, отражающий слой какой-то... Чего и куда он отражает?! Неужели внутреннее отражение от границ слоёв настолько велико, что имеет смысл переотражать свет назад? И как он тогда, пардон, вообще будет проникать в этот бутерброд?

Fakir> Ага, вроде понял в основном. Непонятным остаётся только, почему фотон 3-хэвный непременно полностью поглотится-то? Не отдаст часть энергии и проскочит дальше, а именно обязательно полностью поглотится, перегнав всё, что выше 0,6 эВ в решётку?
Ну смотри сам: есть переход из валентной зоны в зону проводимости на 3эВа. Допустим, фотон поглощается (поглощается полностью, на то он и квант), и переводит электрон в зону проводимости (с избыточной энергией). Порождается электронно-дырочная пара или экситон с избыточной энергией 3-0.6=2.4эВ... Побежали по решетке...
Каким боком что-то полетит дальше? Чтобы что-то полетело, нужно сначала это что-то излучить, а как? Вся избыточная энергия 2.4эВ - в кинетической энергии электрона и дырки. И она будет рассеяна в фононы.
В принципе, возможна излучательная рекомбинация: выбросили электрон в зону проводимости, тот пробежался по решетке, что-то рассеял, встретился с дыркой, излучил, покоцаный фотон полетел куда-то еще.

Но в любом случае, все что было рассеяно, тебе пользы не принесло, пары-то - не осталось, растаскивать полем уже нечего. А без встречи с дыркой электрон в зоне проводимости свет излучить не может: "некуда приземляться", опять же - нет перехода.

Fakir> А насчёт четырёх слоёв - дык вся статья от au как раз про них. Причём ажно 2000 года. Всё вроде достаточно зашибись, см. картинки.
Сомневаюсь я чуток в экономической пользе этого дела. Ты сам-то - как топик обозвал?

Fakir> Кстати, саму структуру-то (см. предыдущ. стр.) не откомментируешь? Я вот не пойму - чего это сверху всё так хитро, полоска контакта, отражающий слой какой-то... Чего и куда он отражает?! Неужели внутреннее отражение от границ слоёв настолько велико, что имеет смысл переотражать свет назад? И как он тогда, пардон, вообще будет проникать в этот бутерброд?
А где там отражающий слой?
И не диэлектрическое ли там зеркало (отражаем одно, просветляем для другого)?

Fakir:

AR - Anti-Reflection coating. Чтобы почти всё падающее шло унутрь и не улетало назад. Известно с древних времён под названием "просветляющая оптика".
Насчёт защитных стёкол. Не знаю что там на советских, может и сапфиры, но амы ставят цериевое боросиликатное стекло желаемой толщины и свойств (чем толще, тем тяжелее и целее будет панель). Делает JDS Uniphase (Solar Cell Covers - Radiation-Resistant Glass) JDSU - JDS Uniphase Corporation - Optical Products - Test & Measurement Solutions for Communications - 200к штук таких на МКС летало (на 2004).
Пдф(ы) вывешивать не надо — не будем писать в колодец Оно к вам тунеллировало пока я смотрел как растёт трава Где там переходы видно по стрелочкам: между соприкасающимися n и p слоями (но не между n++ и p++ слоями, на которых показывают стрелочки с указанием "туннельный переход"). Страница 456 на эту тему. Вообще вопросы про тонкости технологии (зачем там под контактом то) наверняка обречены остаться без вразумительного ответа — можно только гадать. Но по их картинкам ясно что это не "активный" компонент элемента, а скорее всего технологический. Кстати, проверьте почту. Там в библиографии есть и ссылка на 5J, хотя самой статьи о них пока под рукой нет.

Татарин
>Допустим, фотон поглощается (поглощается полностью, на то он и квант), и переводит электрон в зону проводимости (с избыточной энергией).

Эта... Может, я продолжаю тупить, но почему фотон не может рассеяться на электроне валентной зоны так, чтобы электрон перебросило через запрещённую зону? А фотон рассеянный дальше полетел.

>Сомневаюсь я чуток в экономической пользе этого дела. Ты сам-то - как топик обозвал?

А чего сомневаешься? Если мужики даже просто для исследований наклепали 17 тысяч образцов по 30 см² (см. рис.), и это еще 6 лет назад - наверное, на СБ геостационарника можно наклепать за цену, на которую клиент согласится.
Тем более пишут, что чем больше слоёв - тем медленнее падает мощность СБ в результате радиационной деградации. Так что выгода может быть аж с двух фронтов.

>И не диэлектрическое ли там зеркало (отражаем одно, просветляем для другого)?

Уи, натурально, оно. Не допёр.
А что за полосочка хитрая под контактом, нахрена там она?

Fakir> Татарин
>>Допустим, фотон поглощается (поглощается полностью, на то он и квант), и переводит электрон в зону проводимости (с избыточной энергией).
Fakir> Эта... Может, я продолжаю тупить, но почему фотон не может рассеяться на электроне валентной зоны так, чтобы электрон перебросило через запрещённую зону? А фотон рассеянный дальше полетел.
Комбинационное рассеяние? Ну, В ПРИНЦИПЕ, при соблюдении некоторых условий - может. Но какой-то это слишком хитрый маневр. ИМХО, для нормального советского фотона с длиной волны в полмикрона, да еще и в зоне поглощения матрицы, это нетипично.
Очень малы вероятности.

>>Сомневаюсь я чуток в экономической пользе этого дела. Ты сам-то - как топик обозвал?
Fakir> А чего сомневаешься? Если мужики даже просто для исследований наклепали 17 тысяч образцов по 30 см² (см. рис.), и это еще 6 лет назад - наверное, на СБ геостационарника можно наклепать за цену, на которую клиент согласится.
Fakir> Тем более пишут, что чем больше слоёв - тем медленнее падает мощность СБ в результате радиационной деградации. Так что выгода может быть аж с двух фронтов.
А... в этом смысле... Логично.

Fakir> А что за полосочка хитрая под контактом, нахрена там она?
Под контактом?
Фиг его знает. Прям так сразу не скажу.

Fakir> А что за полосочка хитрая под контактом, нахрена там она?

Может, чтобы от диода Шоттки уйти? Т.е. избавиться от эффекта Шоттки.

au
>AR - Anti-Reflection coating. Чтобы почти всё падающее шло унутрь и не улетало назад.

(рвёт волосы на голове, пеньки посыпает пеплом)
Позор, позор!
Глаз схватился за Reflection, а Anti мимо проскочил...
Из чего его делают, кстати?

>амы ставят цериевое боросиликатное стекло желаемой толщины и свойств

Какая примерна толщина?

>(чем толще, тем тяжелее и целее будет панель).

Ну это понятно - даже 0,05 мм стекла считается хорошей защитой в радиационных поясах даже для кремния.

>Пдф(ы) вывешивать не надо — не будем писать в колодец Оно к вам тунеллировало пока я смотрел как растёт трава

Нда? Такой строгий режим нераспространения?

>Где там переходы видно по стрелочкам: между соприкасающимися n и p слоями

Смотрю - и не вижу
Либо те стрелочки, которые tunnel junction, либо те, которые Cells - но они не указывают на стык n и p слоёв...

>(но не между n++ и p++ слоями

А что это за слои, кстати?

>Страница 456 на эту тему.

Вот если на эту картинку смотреть - чего-то становится ясным, хоть и не прописано чётким языком, но становится непонятным назначение tunnel junctions...

>Но по их картинкам ясно что это не "активный" компонент элемента, а скорее всего технологический.

Хм, почему вы так считаете? Не слишком ли это сложно - такую хитрую структуру специально под контакт лепить?
У меня возникают смутные подозрения, что эта структурка, может, имеет отношение не к фотопреобразованию, а в электросхеме играет какую-то роль?

>Кстати, проверьте почту.

Нового ничего нет.

>Там в библиографии есть и ссылка на 5J, хотя самой статьи о них пока под рукой нет.

Это которая? Битым словом, во всяком случае, ничего нет.