Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

при производстве элементов из арсенида галлия применяются толстые дорогие подложки и трудоемкий процесс жидкостной или газовой эпитаксии для получения слоев твердого раствора алюминия в арсениде галлия, повторяющих совершенную структуру монокристаллической подложки;

в изготовлении тонкопленочных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия одновременно участвуют «сухой» (нанесение слоев сульфида кадмия на проводящие подложки) и «мокрый» (образование гетероперехода путем химической реакции в жидкой фазе между поверхностным слоем сульфида кадмия и однохлористой медью) методы.

В то же время очевидно, что успешное решение проблемы автоматизации процесса получения солнечных элементов основано на возможности создания технологии производства, включающей небольшое число однородных операций, а для удешевления изготовления элементов требуется переход ко все более тонким и недорогим слоям и широкому применению полимерных материалов (при сохранении, конечно, оптических и электрических характеристик элементов на достаточно высоком уровне).

В последнее время в этом направлении произошли существенные изменения, и достижения в создании простой технологии дешевых солнечных элементов наземного применения даже начинают использоваться в производстве солнечных батарей космического назначения.

Создается, например, методика получения кремния прямым восстановлением диоксида кремния; освоен способ непрерывного вытягивания лент кремния, позволяющий исключить из процесса производства дорогие и трудоемкие операции резки, шлифовки, химической и механической полировки пластин кремния; методом химической пульверизации получены просветляющие покрытия, контакты и пленки для легирования.

Такая технология может быть названа «химической». В то же время успешно разрабатывается «физическая» технология изготовления солнечных элементов, в которой нанесение просветляющих покрытий, контактов и внедрение легирующей примеси осуществляется ионной бомбардировкой в вакууме, а отжиг образовавшихся при этом дефектов в легированном слое — путем сканирования лазерным или электронным лучом, причем эти операции могут непосредственно следовать одна за другой.

Как правило, новые технологические процессы разрабатываются применительно к кремниевым солнечным элементам. Однако значительные успехи достигнуты и в улучшении качества и удешевлении солнечных элементов других типов.

Несмотря на заметные успехи на пути удешевления и упрощения технологии создания солнечных элементов, процесс их производства пока еще содержит десятки трудоемких операций. Вероятно, только кардинальное изменение основных этапов получения солнечных элементов позволит в ближайшем будущем полностью автоматизировать процесс их производства. Несколько активно разрабатываемых новых моделей солнечных элементов, возможно, позволят на практике решить эту задачу. Оптические и электрические характеристики таких элементов несколько отличаются (в частности, более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра) от характеристик традиционных солнечных элементов с p-n-переходом в гомогенном и гетерогенном полупроводниковых материалах.

Большинство таких моделей является той или иной модификацией барьера Шоттки — барьера между полупрозрачным слоем металла и полупроводником. Резкий изгиб зон в полупроводнике на границе с металлом создает разделяющий барьер, необходимый для работы солнечного элемента. Роль полупрозрачного металла могут также выполнять полупрозрачные проводящие оксидные пленки из широкозонных полупроводниковых материалов.

Параметры подобных солнечных элементов на основе кремния были постепенно улучшены и путем оптимизации свойств полупрозрачных металлических пленок доведены до уровня, характерного для монокристаллических кремниевых солнечных элементов с p-n-переходом; дорогостоящие металлические слои (серебро, хром, золото) в случае базового слоя из кремния успешно заменены полупрозрачными слоями из недорогого алюминия; резко увеличено напряжение холостого хода и уменьшен обратный ток насыщения в результате введения на границе барьера Шоттки очень тонкой (толщиной 10–20 А) пленки диоксида кремния, выращиваемой предварительно (перед нанесением верхнего полупрозрачного проводящего слоя) на поверхности кремния различными методами: термическим окислением на воздухе или в кислороде при 400oС в течение 20–30 мин, анодным электрохимическим окислением или выдержкой в подогретом до 60–70 °C растворе перекиси водорода в течение 2—15 мин, как сообщается в одной из работ.

Изгиб зон на поверхности полупроводника и разделяющий барьер можно получить также за счет оксидного слоя с сильным встроенным зарядом. Этот инверсионный слой, как, впрочем, и диффузионный легированный слой, может быть использован также для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации на освещаемой поверхности; разделение носителей заряда в этом случае осуществляется на р+- и n+-барьерах к базовому слою, расположенных с тыльной стороны элемента, что, кстати, облегчает коммутацию элементов в группы и модули солнечной батареи с помощью печатного монтажа.

Процесс изготовления всех перечисленных моделей солнечных элементов выгодно отличается от высокотемпературной термодиффузии (800–900oC), применяемой для получения p-n-перехода в кремнии, поскольку создание разделяющего барьера требует сравнительно низкой (200–400 °C) температуры. Барьеры Шоттки и МОП- или ПОП-структуры (металл — оксид — полупроводник или полупроводник — оксид — полупроводник) могут быть созданы не только на монокристаллических материалах, но и на поликристаллических и ленточных, а также на пленках из аморфного кремния.

Нанесение барьеров Шоттки или МОП-структур может быть осуществлено в едином технологическом цикле с получением контактов и просветляющих покрытий двумя способами:

все операций Проводятся в одной вакуумной камере или в ряде камер, соединенных шлюзами, с использованием трафаретных масок или «сухой» фотолитографии;

все операции осуществляются на воздухе или в среде инертного газа методами химической пульверизации, шелкографии, химического пли электрохимического нанесения.

Следует, однако, отметить, что высокие значения КПД (12–15 % в наземных условиях) солнечных элементов с барьером Шоттки, а также с МОП- и ПОП-структурами получены, как правило, с использованием изотипного р — р+- или п — n+-барьера на тыльной стороне базового слоя или подлегированных областей под контактами, образуемых термодиффузией примесей. Операция подлегирования вносит, конечно, в процесс изготовления элементов новых моделей стадию, плохо поддающуюся автоматизации. Для получения изотипного барьера в базе кремниевых солнечных элементов с барьером Шоттки и МОП- или ПОП-структурами осуществлялось вплавление алюминия, предварительно нанесенного на тыльную поверхность термическим испарением в вакууме или на воздухе в виде пасты с органическим связующим, а также создавались МОП- и ПОП-структуры, аналогичные тем, с помощью которых изготовляют верхний разделяющий барьер. В частности, слои Al — SiOx-p-Si использовались для создания разделяющего барьера, а слои Pt — SiOx-p-Si — тыльного изотипного барьера, причем слой платины мог быть сплошным. Эти усовершенствования говорят о возможности получения изотипных барьеров в базе солнечных элементов в едином автоматизированном технологическом цикле.

В качестве примера на рис. 4.4 представлена спектральная зависимость чувствительности и коэффициента собирания одного из солнечных элементов из монокристаллического кремния с ПОП-структурой и тонким промежуточным слоем (десятки ангстрем) оксида SiOx на поверхности кремния. Верхний прозрачный проводящий слой (пленка ITO)[8] был нанесен методом химической пульверизации из смеси оксидов индия и олова. Толщина этого слоя 700 А (при поверхностном слоевом сопротивлении около 120 Om∕□), вследствие чего он одновременно выполнял роль эффективного просветляющего покрытия. У полученных солнечных элементов при измерении на имитаторе внеатмосферного Солнца КПД составлял 10,8 %. Это значение может быть существенно увеличено путем снижения