Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

Использование тянущих электростатических полей, рост проводимости р+-слоя при одновременном увеличении его прозрачности, благодаря чему большее количество света будет попадать в слой объемного заряда, многократное отражение света от границ пленки внутри нее, применение отражающих контактов из алюминия, серебра, хрома позволяют улучшить свойства перспективных тонкопленочных элементов из аморфного кремния, например, получить Ux.x≈l,l В и Iκз≈15–20 мА/см2, что даже при коэффициенте заполнения вольт-амперной характеристики не более 0,6 означает достижение КПД около 10 %.

Увеличения КПД солнечных элементов из аморфного кремния следует добиваться одновременно с улучшением стабильности их характеристик, ибо фотопроводимость некачественных пленок α-Si: H может уменьшиться в десять раз и более за семь-восемь часов непрерывного освещения, а при нагреве выше 300o C начинается экзодиффузия водорода из пленок, резко ухудшающая их параметры. Улучшению стабильности и качества пленок аморфного кремния способствует трехстадийный метод их получения. Сначала на подложку наносится пленка α-Si, не содержащая водорода (методом испарения в высоком вакууме с помощью электронного луча или термически). Скорость конденсации этого слоя 2–5 А/с. Затем проводится отжиг, уплотняющий пленку и уменьшающий количество и объем микропустот. После этого осуществляется гидрогенизация пленок α-Si при обработке в водородной плазме с использованием сильноточных плазменных источников, позволяющих получить ионы водорода с энергией 20–25 кэВ, насыщающие пленки аморфного кремния на глубину до 0,3 мкм. Таким методом получаются стабильные пленки высокого качества, вероятно, за счет практического отсутствия микропустот в них.

Стабилизации свойств и увеличению фотопроводимости таких пленок способствуют также лазерный отжиг, ионное легирование, подогрев подложки до 200–400 °C при их нанесении. У солнечных элементов с р — i — n-структурой и прозрачным проводящим окном из диоксида олова КПД достигает 7,5 %, а по некоторым сообщениям даже 10 %, хотя подобные рекордные цифры относятся к элементам весьма малой площади (несколько мм2), у которых резко уменьшена опасность закорачивания переходов. Еще более высокие КПД (около 12 % в эксперименте и 15–18 % — в ближайшем будущем) удается получить, создавая каскадные структуры из трех материалов в аморфном состоянии — карбида кремния (в качестве широкозонного верхнего окна) и расположенных под ним слоев кремния и германия.

Из-за высокого последовательного сопротивления аморфных солнечных элементов КПД солнечных батарей на их основе не превышает 2–3 % (велики потери на коммутацию). Несмотря на относительно невысокий КПД, уже в настоящее время небольшие экономичные солнечные батареи, состоящие из восьми последовательно соединенных солнечных элементов из аморфного кремния, вырабатывающих мощность всего лишь 4,5 мкВт/см2 при свете люминесцентной лампы (освещенность около 300 люкс), широко используются на практике для электропитания малогабаритных электронных часов и калькуляторов со световыми индикаторами на жидких кристаллах. Спектральная чувствительность элементов из аморфного кремния в близкой к ультрафиолетовой области солнечного спектра превосходит чувствительность солнечных элементов из монокристаллического кремния (рис. 4.6) и напоминает спектральную зависимость чувствительности человеческого глаза, что делает перспективным применение таких элементов также в фото- и киноэкспонометрах.

Рис. 4.6. Спектральная зависимость коэффициента собирания кремниевых солнечных элементов

1 — аморфный кремний с р — i—n-структурой и пленкой ITО со стороны падающего света; 2 — монокристаллический кремний с р-n-переходом на глубине 0,3 мкм

Рис. 4.7. Спектральная чувствительность фронтально-барьерного (1, 3) и тыльно-барьерного (2) солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия при различной толщине слоя сульфида меди

1, 2 — сотни ангстрем; 3 — тысячи ангстрем

Длительное время лидирующее положение среди тонкопленочных солнечных элементов занимали различные гетероструктуры на основе тонких пленок соединений A11Bv1, особенно сульфида кадмия. В первых солнечных элементах из этого полупроводникового материала для создания разделяющего барьера на поверхность сульфида кадмия наносились полупрозрачные слои серебра, меди, золота, платины. Практически все последующие солнечные элементы были получены на основе гетероперехода сульфид меди — сульфид кадмия, причем сульфид меди образовывался путем замещения атомов кадмия атомами меди в ходе химической реакции (при температуре 90–95 °C) сульфида кадмия с однохлористой медью в жидкой или твердой фазе. В последнем случае однохлористая медь предварительно наносилась на поверхность пленок сульфида кадмия напылением в вакууме.

Первый метод называется «мокрым». При его использовании поверхность солнечных элементов и самого гетероперехода носит развитый характер из-за многочисленных углублений и выступов зерен, увеличившихся в ходе химического травления. Это обстоятельство уменьшает коэффициент отражения света от поверхности солнечных элементов, но увеличивает обратный ток насыщения.

По второму методу, получившему название «сухого», образуется почти планарный гетеропереход, плоскопараллельный по отношению к подложке, но фоточувствительность пленок сульфида меди, получаемых в ходе реакции в твердой фазе, несколько уступает фоточувствительности пленок, образующихся «мокрым» способом.

Различают два типа тонкопленочных солнечных элементов на основе распространенной гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия: тыльно-барьерный и фронтально-барьерный.

При фронтально-барьерной конструкции пленка сульфида кадмия осаждается в квазизамкнутом объеме в вакууме на подогреваемую до 200–300° G подложку из молибдена, полиимидной пленки или медной фольги, покрытой слоем цинка. Затем «сухим» или «мокрым» способом создается слой сульфида меди. Контакт к этому слою наносится в виде сетки из медных полос, испаряемых в вакууме через трафаретные маски, или создается приклейкой с помощью токопроводящей пасты позолоченной медной сетки (или ее прижимом липким слоем защитной полимерной пленки).

При изготовлении тыльно-барьерных солнечных элементов на подогреваемую стеклопленку или пластину из стекла с прозрачным токопроводящим слоем оксидов олова и индия (ITO) наносится слой сульфида кадмия и создается гетеропереход сульфид меди — сульфид кадмия, причем медный контакт к слою