Солнечные элементы

Была обнаружена повышенная чувствительность экспериментальных солнечных элементов в коротковолновой области спектра, что объясняется преобладающим (над эффектом ухудшения параметров диффузии неосновных носителей в области повышенной концентрации) влиянием введенного тянущего поля сложной конфигурации.

Вольт-амперные характеристики солнечных элементов с двуслойной структурой легированной области также значительно лучше, чем у обычных. Плотность нагрузочного тока с единицы полезной площади таких солнечных элементов при глубине залегания p-n– перехода 1,0–1,2 мкм на 9–17 % выше, чем у элементов с экспоненциальным распределением примесей в легированном слое такой же глубины.

Таким образом, обоснованное теоретически и воспроизведенное экспериментально двухступенчатое распределение примесей приводит к значительному улучшению вольт-амперных и спектральных характеристик солнечных элементов даже при сравнительно большой глубине залегания p-n– перехода (l_л—1,2 мкм), что позволяет не только увеличить КПД элементов, но и использовать для токосъема с легированного слоя простые, дешевые и надежные электрические контакты, получаемые, например, химическим осаждением никеля. Проблема создания надежных омических контактов, удешевления и автоматизации их нанесения — одна из наиболее сложных в современной технологии изготовления солнечных элементов.

Резко увеличить коротковолновую спектральную чувствительность кремниевых солнечных элементов можно также, используя пассивирующую пленку, например, диоксида или нитрида кремния. Пленка содержит встроенный электрический заряд и вместе с тонким легированным слоем кремния, как и у солнечных элементов с тянущим полем в легированной области, будет образовывать двуслойную структуру п — п⁺ или р⁺ — р, позволяющую приблизить тянущее электростатическое поле к поверхности, уменьшить эффективную скорость поверхностной рекомбинации и улучшить собирание избыточных носителей заряда, созданных коротковолновым излучением, поглощенным вблизи поверхности солнечного элемента.

В одной из работ, например, подобная структура п⁺— n– типа была осуществлена на низкоомных кремниевых монокристаллических подложках с удельным сопротивлением 0,1–0,3 Омxсм путем бомбардировки ионами фосфора с энергией 10 кэВ и плотностью пучка ионов от 2,5x10¹² до 2,5x10¹⁵ см^{– 2}. После бомбардировки проводился термический отжиг пластин в течение 30 мин при 850^o G в атмосфере водяного пара и кислорода для электрической активации внедренной примеси фосфора. Одновременно на поверхности вырастала пленка диоксида кремния толщиной 2000 А и производилось ее легирование фосфором и бором из подложки. Для уплотнения пленки диоксида кремния осуществлялся еще один термический отжиг в сухом кислороде в течение 1 ч при 700^o C (показатель преломления пленки при этом повышался до 1,48). Чтобы восстановить время жизни неосновных носителей в базовых слоях (подложках) после двух высокотемпературных отжигов образцы выдерживались при 550^o G в течение 2 ч. Медленным травлением толщина плёнки диоксида кремния доводилась до значения 1000 А, оптимального для просветления поверхности. Методом фотолитографии в пленке вытравливались окна для контактных полос из обычной трехслойной композиции: титан — палладий — серебро.

Распределение примесей фосфора и бора в легированной пленке SiO₂ и в верхнем слое кремния было получено с помощью метода спектроскопии вторичных ионов. Мелкозалегающий p-n– переход располагался на глубине 0,35 мкм.

Распределение примеси, как и при контролируемой диффузии через анодную окисную пленку, имеет двухступенчатый профиль (с небольшим скачком концентрации примеси на границе раздела SiO₂—Si). Следовательно, в этом случае также образуется тянущее электростатическое поле повышенной эффективности, что подтверждается высоким коэффициентом собирания в коротковолновой области солнечного спектра у полученных элементов. Для них также характерно необычайно большое значение U_x._x, равное 0,645 В, что объясняется высоким барьером на p-n– переходе, обусловленным не только выбором низкоомных подложек для базового слоя, но и влиянием легированной поверхности пленки. Это было подтверждено прямым экспериментом: после удаления пленки травлением U_x._x уменьшилось до обычных значений (менее 0,6 В).

Влияние поверхностной пассивирующей пленки на коэффициент собирания в коротковолновой области спектра и U_x.x солнечных элементов было продемонстрировано еще в одном эксперименте: после образования пассивирующей пленки обе эти величины возрастали. Глубина залегания p-n– перехода под пассивирующей пленкой составляла 0,3 мкм при слоевом сопротивлении 60 Om/? (p-n-переход получен диффузией бора в легированные подложки n– кремния толщиной 300 мкм). Поверх тонкой пассивирующей пленки SiO₂ наносилось просветляющее покрытие из нитрида кремния SiN_x. При 25-кратной интенсивности наземного солнечного излучения КПД полученных элементов со структурой р⁺—р на освещаемой поверхности составил 18 %. При обычной однократной освещенности I_?._з 33 мА/см², U_x._x=0,62 В.

Если базовый слой обычных элементов, например р– типа, легирован неравномерно и концентрация акцепторов у p-n– перехода ниже, чем в глубине слоя, то в нем, так же как в легированном слое, возникает электростатическое поле, помогающее собиранию созданных светом в базовом слое избыточных носителей заряда (в этом случае действует не только диффузионный, но и дрейфовый механизм собирания). Это, с одной стороны, уменьшает напряжение холостого хода из-за роста обратного тока насыщения при уменьшении потенциального барьера (при снижении степени легирования базы у p-n– перехода), а с другой — приводит к значительному ухудшению диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей заряда (при увеличении степени легирования отдаленных от p-n– перехода областей базового слоя). Оба отмеченных явления могут в значительной степени снизить эффект улучшения коэффициента собирания, обусловленный введением тянущего поля в базовый слой (обычно равномерно легированный) за счет его неоднородного легирования. При сравнительно небольших перепадах концентраций в базовом слое (10¹⁷ у p-n– перехода, 10¹⁸– 10¹⁹ см^{– 3} в глубине базы) можно увеличить КПД и длинноволновую спектральную чувствительность кремниевых элементов путем введения тянущего поля, сохранив на достаточно высоком уровне диодные параметры p-n-перехода и время жизни неосновных носителей заряда в базовом слое.

Модели солнечных элементов с тянущим полем значительной протяженности в базе вскоре были вытеснены моделью с резким изотипным переходом^[7] р — р⁺ или п — n⁺– переход у тыльного металлического контакта.

Для создания высокоэффективных солнечных элементов можно было бы использовать почти собственный кремний, продиффундировав примеси n- и p-типа с обеих сторон кремниевой пластины таким образом, чтобы получить на необходимом расстоянии от поверхности p-n– переход и одновременно оптимальный градиент примеси с другой стороны пластины.

При получении солнечных элементов n⁺ — р — р⁺– или р⁺ — п — n+-структур оказалось, что создать очень тонкий изотипный р — р⁺– или п — п⁺– переход у тыльного металлического контакта технологически намного проще, чем тянущее поле значительной протяженности, а практически столь же полезно для увеличения собирания избыточных неосновных носителей из базового слоя. Потенциальный барьер на изотипном переходе, полученный подлегированием базового перехода с тыла, отражает неосновные носители от тыльного контакта, увеличивая их эффективную диффузионную длину, и фактически сводит к нулю скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела базовый слой — тыльный металлический контакт. Несколько уменьшается также обратный ток насыщения элементов. Тыльный подлегированный слой создается термодиффузией, ионной бомбардировкой или впеканием алюминия (в случае p– слоя) с последующей термообработкой. Глубина подлегированного слоя обычно колеблется от 0,2 до 0,5 мкм, а распределение примесей практически повторяет аналогичное распределение в верхнем легированном слое солнечных элементов.

Преимущества солнечных элементов с изотипным переходом у тыльной поверхности сказываются в том случае, когда диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое больше толщины базового слоя или по крайней мере равна ей. Это требование приводит к необходимости использовать для создания базового слоя достаточно чистый полупроводниковый материал с повышенным удельным сопротивлением или уменьшать толщину базового слоя до значений, меньших диффузионной длины носителей заряда в данном материале. В настоящее время получены зависимости диффузионный длины L и времени жизни ? носителей заряда от удельного сопротивления ? базового слоя кремния, позволяющие выбрать необходимую толщину базового слоя определенного удельного сопротивления (или, наоборот, определить удельное сопротивление при заданной толщине слоя) для солнечного элемента с эффективно используемым изотипным переходом у тыльного контакта. Эти данные могут привлекаться лишь для качественных оценок. При проведении точных расчетов необходимо учитывать, что диффузионные характеристики неосновных носителей зависят не только от удельного сопротивления, но и от типа проводимости кремния, метода его получения, предшествовавшей обработки. Использование изотипного перехода позволяет применять для получения базовых слоев высокоэффективных солнечных элементов кремнии с очень высокими значениями времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда, которые характерны для кремния с почти собственной проводимостью (так называемой i– проводимостью).

Солнечные элементы с p — i — n- или p⁺ — i — п⁺– структурой и их модификации обладают исключительно высокой чувствительностью в длинноволновой области спектра. Форма вольт-амперной характеристики элементов близка к прямоугольной, поскольку благодаря высокому уровню возбуждения в условиях освещения солнечным светом омическое падение напряжения в базовой области сводится к минимуму (при освещении высокоомного базового слоя концентрация неравновесных носителей значительно выше, чем равновесных). Большое исходное значение диффузионной длины неосновных носителей заряда в высокоомном материале увеличивает срок службы таких солнечных элементов в радиационных поясах Земли.