Солнечные элементы

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 U_x.x?l,l В и I_?з?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 ?-Si: H может уменьшиться в десять раз и более за семь-восемь часов непрерывного освещения, а при нагреве выше 300^o 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 ?-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 ?-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 A¹¹B^v1, 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 сульфида меди в этом случае может быть сплошным, полученным испарением слоя меди, поскольку тыльно-барьерный тонкопленочный элемент освещается со стороны стекла.

Толщина слоя сульфида кадмия обычно составляет от 2 до 40 мкм, слоя сульфида меди от 0,05 до 0,15 мкм. Ширина запрещенной зоны сульфида меди 1,2 эВ, сульфида кадмия 2,4 эВ, спектральная чувствительность тыльно-барьерных элементов (рис. 4.7, кривая 2) в коротковолновой области отсутствует — в данном случае верхний по отношению к свету слой сульфида кадмия служит окном-фильтром, поглощающим практически все излучение с длиной волны короче 0,5 мкм. Спектральная чувствительность фронтально-барьерного солнечного элемента на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия (кривая 1) и тыльно-барьерного (кривая 2) получена для изготовленных «мокрым» методом элементов со слоем сульфида меди толщиной несколько сотен ангстрем. При увеличении толщины слоя сульфида меди до 0,15 мкм спектральная чувствительность фронтально-барьерных элементов в длинноволновой области спектра, как показывают измерения, проведенные в ряде работ, резко увеличивается (см. рис. 4.7 кривая 3). Эффект влияния термообработки, проведенной после изготовления элемента и нанесения контактных медных полос на его рабочую поверхность, на характеристики фронтально-барьерного солнечного элемента на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия состоит в резком увеличении его спектральной чувствительности практически при всех длинах волн в диапазоне от 0,3 до 1,1 мкм.

Вероятно, происходящая при термообработке диффузия атомов меди из контактов в поверхностный слой элементов улучшает как стехиометрический состав слоя сульфида меди, так и его фоточувствительность. Положение длинноволнового края чувствительности элементов до термообработки соответствует краю поглощения сульфида кадмия (E_g=2,4 эВ). Это дает основание предположить, что коротковолновая область чувствительности фронтально-барьерных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия обусловлена сульфидом кадмия, в то время как чувствительность во всех остальных областях спектра — слоем сульфида меди.

Экспериментально полученные в разных странах тонкопленочные солнечные элементы на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия в основном (при измерениях на наземном Солнце) имеют КПД 4–7 %, однако уже получены отдельные элементы с КПД, превышающем 10 % при измерениях на имитаторе наземного Солнца.

Для такого резкого увеличения КПД были использованы предложенные ранее усовершенствования, в частности сочетание напыленных контактов к сульфиду меди с контактной сеткой, приклеенной к ним токопроводящей пастой, что резко снижает последовательное сопротивление элементов. Кроме того, слой сульфида меди был создан не «сухим» способом, позволяющим увеличить U_x.x до 0,58 В, но повышающим потери на отражение, а «мокрым», однако концентрация соляной кислоты в растворе, травящем поверхность сульфида кадмия перед обработкой в однохлористой меди, была уменьшена и одновременно было увеличено время травления. В результате высота выступов пирамидальной формы на поверхности готовых элементов не превышала 1 мкм, что позволило резко уменьшить потери на отражение, получить I_?з=22,2?24,7 мА/см² и в то же время сохранить U_x.x на уровне 0,54–0,58 В при высоком коэффициенте заполнения вольт-амперной характеристики.