Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

последовательного сопротивления элементов, в частности, за счет оптимизации свойств пленки ITO, а также размеров и толщины контактной сетки на верхней освещаемой поверхности элементов.

Рис. 4.4. Спектральная зависимость чувствительности (1) и коэффициента собирания (2) солнечного элемента с гетероструктурой ITO — SiOx — Si (монокристаллический кремний n-типа с удельным сопротивлением ρ = 10 Ом×см).

Рис. 4.5. Спектральная зависимость коэффициента поглощения кремния

1 — монокристаллический; 2 — нелегированный аморфный с водородом; 3,4 — аморфный n- и р — типа соответственно

Для получения дешевых и в то же время достаточно эффективных солнечных элементов перспективно использование кремниевых слоев, полученных на графитовых пластинках или пленках (так называемого «кремния на графитовой ткани»).

Типичный процесс изготовления дешевых и высокоэффективных солнечных элементов, как показано в ряде детальных исследований, состоит из следующих этапов:

распыление расплава металлургического кремния и его очистка посредством многократного выщелачивания в водной среде;

осуществление направленной кристаллизации расплава на поверхности термостойких графитовых пластин, лент или тканей (служащих подложками), в результате которой образуются слои металлургического кремния р+-типа с низким удельным сопротивлением (0,01 Ом×см), состоящие из довольно крупных кристаллитов;

последовательное выращивание эпитаксиального слоя p-Si толщиной ~25 мкм с удельным сопротивлением 0,1–1,0 Ом×см и неоднородно легированной пленки n+-Si толщиной ~10 мкм методом химического осаждения из паровой фазы с использованием термически активированной реакции восстановления трихлорсилана (необходимая легирующая примесь содержится в водороде) при температуре подложки около 1150o C и средней скорости роста ~1 мкм/мин;

получение контактной сетки с помощью вакуумного испарения Ti и Ag через металлическую маску;

создание просветляющего покрытия из SnO2 путем окисления тетраметилолова пои температуре 400o C в атмосфере Аr;

отжиг полученной структуры в атмосфере Не, стимулирующий диффузию примесей к границе зерен.

Графитовая пластина служит омическим контактом к р+-области элемента, достаточно структурно совершенные эпитаксиальные слои кремния обеспечивают эффективное образование и собирание носителей заряда, обладающих в таких слоях большим временем жизни, а низкоомная подложка из металлургического кремния p+-типа обусловливает появление электрического поля на границе раздела p-Si — p+-Si вблизи тыльной поверхности. Вследствие неоднородного легирования верхнего слоя n+-Si в нем образуется тянущее электрическое поле.

Проводимые испытания стабильности солнечных элементов рассмотренных моделей должны выявить физико-химическую совместимость всех слоев, использованных в таких многослойных структурах, при непрерывном освещении и повышенной температуре. Несомненно, однако, что для обеспечения длительной эксплуатации новых солнечных элементов потребуется тщательная герметизация и защита их от влияния внешней среды.

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния и других полупроводниковых материалов

В настоящее время большое число исследований посвящено тонкопленочным солнечным элементам на основе аморфного кремния, так называемого α-Si, — интересного полупроводникового материала, который получается в основном разложением соединений кремния в высокочастотном разряде в вакууме.

В первых исследованиях было показано, что число рекомбинационных центров в запрещенной зоне аморфного кремния, полученного, в разряде, на несколько порядков меньше, чем в кремнии, нанесенном на различные подложки методом испарения в высоком вакууме. Улучшению свойств аморфного кремния помогает включение в состав материала от 5 до 50 ат.% водорода, в результате чего образуется практически сплав кремния и водорода, что, в свою очередь, облегчает легирование материала фосфором или бором для создания проводимости п- или p-типа соответственно. В таком кремнии сохранен ближний порядок атомов, благодаря чему структура элементарной ячейки одинакова как для кристаллического, так и для аморфного состояний кремния, а оборванные связи, обусловливающие отсутствие дальнего порядка, частично восстанавливаются с помощью элементов с положительным электронным сродством, подходящих по радиусу атома, например, таких, как водород. Изучаются возможности дальнейшей модификации оптических и электрофизических свойств данного материала и улучшения его стабильности путем легирования фтором и углеродом.

Основным достоинством данного материала является высокий коэффициент поглощения а, более чем на порядок превышающий а монокристаллического кремния. На рис. 4.5 представлена зависимость α (λ) для аморфного кремния. Практически все фотоактивное для данного материала солнечное излучение поглощается в нем на глубине 1,5–2 мкм, что позволяет использовать для изготовления солнечных элементов в 50—100 раз меньше дорогостоящего полупроводникового материала.

Однако первые же результаты исследований аморфного кремния показали, что из-за малых значений времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в этом материале (L=0,05÷0,1 мкм) трудно получить на его основе солнечные элементы с высоким КПД. Ширина запретной зоны пленок из аморфного кремния составляет от 1,6 до 1,8 эВ в зависимости от условий их осаждения. Самые высокие значения КПД (от 3 до 7 %) были получены первоначально при использовании для создания солнечных элементов р — i—n-структур и барьеров Шоттки с платиной и хромом. Расширение области объемного заряда в элементах таких конструкций приводит к тому, что большая часть солнечного излучения поглощается непосредственно в этой области и тем самым обеспечивается дальнейший рост КПД. Легирование бором или фосфором способствует увеличению коэффициента поглощения (см. рис. 4.5), однако уменьшает время жизни носителей заряда. В результате солнечный элемент из аморфного кремния на основе p-n-или р — i—n-структуры имеет низкий коэффициент собирания в длинноволновой области спектра и пониженный в коротковолновой при плохом качестве п+- и р+-слоя. В этом отношении структуры с барьером Шоттки предпочтительнее — в них полнее собираются носители заряда, рожденные светом в тонких поверхностных слоях.

Напряжение холостого хода таких элементов достигает 0,8 В, однако плотность генерируемого фототока не превышает 12 мА/см2 при КПД около 5,5 % в условиях измерения на Солнце со спектром AM1.

Еще одна сложная проблема в области создания солнечных элементов из аморфного кремния — необходимость уменьшения переходного сопротивления контакт — полупроводниковый слой, которое у многих элементов составляет от 3 до 10 Ом×см2, что приводит к ухудшению вольт-амперной характеристики и