Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
245
5.3.1. Краткий исторический обзор
Эффективные солнечные элементы могут быть созданы на основе пленки a-Si : Н толщиной ~ 1 мкм, полученной разложением силана (SiH4) в тлеющем разряде [1]. При этом используются его превосходная фотопроводимость и высокий коэффициент оптического поглощения в пределах видимой области солнечного спектра.
Солнечные элементы на основе аморфного кремния обладают рядом практических преимуществ по сравнению с использованием обычного кристаллического кремния: более низкая температура наращивания; возможность формирования перехода в процессе осаждения; простота получения солнечных элементов большой площади. Кроме того, солнечные элементы на основе a-Si: Н могут создаваться на различных подложках, таких как стекло, полимер или керамика, покрытые проводящим слоем, а также на металлических листах. Среди последних наиболее часто используется подложка из нержавеющей стали.
Первое сообщение [45] о солнечных элементах с Pt/a-Si : Н-барьером Шоттки на подложке из нержавеющей стали с к.п.д. до 5,5 % было опубликовано в 1976 г. В 1978 г. исследовательская группа Университета г. Осака также сообщила (46] о создании солнечных элементов со структурой оксиды индия-олова (ОИО)/рч-н/не-ржавеющая сталь (Нерж. ст.) с к.п.д. 4,5 %. Эти показатели относились к солнечным элементам малой площади (несколько квадратных миллиметров). Фирма "Fuji Flectric" сосредоточила свои усилия на разработке солнечных батарей большой площади на основе аморфного кремния и весной 1979 г. появилось сообщение о создании солнечной батареи с барьером Шоттки на подложке из нержавеющей стали площадью 49 см2. В 1980 г. [47] были созданы солнечные элементы со структурой 0#(9/р-1-л/Нерж. ст. площадью примерно 1 см2 и к.п.д. >6 7г>; а затем на батарее площадью 100 см2 был получен к.п.д. > 4 % [ 27].
Для достижения более высокой эффективности преобразования солнечной энергии в 1981 г. [48] фирмой "Fuji Flectric" в качестве слоя со стороны окна в солнечном элементе со структурой ОНО/ ii-i-p/Нерж. ст. была использована микрокристаллическая пленка Si: Н. Показано, что оптические свойства этой пленки являются подходящими для ее использования в качестве слоя со стороны окна. Были также улучшены характеристики солнечных батарей большой площади путем оптимизации параметров конструкции и расположения элементов. Начальным этапом практического применения солнечных батарей в качестве источников силовой энергии явилось исследование модульных структур и стабильности солнечных элементов на основе a-Si : Н.
В данной работе представлены результаты последних исследований солнечных элементов на основе a-Si:H, включая исследования, проводившиеся в Японии в 1981 г.
5.3.2. Подложки из нержавеющей стали
В общем случае листовые металлы пригодны в качестве подложек для солнечных элементов большой площади на основе аморфного кремния в силу их высокой электро- и теплопроводности и чрезвычайно высокой механической прочности. Среди металлических подложек наиболее часто используются подложки из нержавеющей стали," поскольку она коррозионностойка и совместима с пленкой аморфного кремния.
Поверхность листа нержавеющей стали, на которую наносится a-Si: Н, должна быть отполирована так, чтобы в пленке аморфного кремния не образовывались поры. С целью получения гладкой поверхности нержавеющей стали с шероховатостью, лежащей в диапазоне 0,01-0,1 мкм Rmax, механически обработанные с помощью абразива листы подвергались электролитической полировке. Согласно данным Учида [27], на характе-
ZOO 250 300 350 TS,°C
Рис. 5.3.1. Изменение морфологии поверхности a-Si : Н слоя с н-/-/>-сгр> кг) рой, сформированного на полированной нержавеющей стали, при изменении уровня легирования бором и температуры подложки (Карасава и Хаюаши)
ристики элемента почти не влияют поры в a-Si.: Н, выращенном на полированной нержавеющей стали с указанной выше шероховатостью поверхности. При использовании морфологии роста пленок a-Si: Н с и-/-р-струк-турой (общая толщина 5400 А), осаждаемых на полированную нержавеющую сталь выявлено, что состояние поверхности в значительной мере определяется условиями осаждения р-слоя, который первым формируется на нержавеющей стали. На рис. 5.3.1 представлено изменение морфологии поверхности при изменении температуры осаждения и уровня легирования В2Н6. Заштрихованная часть является той областью, в которой наблюдается образование дефектов на поверхности. Поскольку шероховатость поверхности является потенциальным источником пор в a-Si; Н, р-слой должен осаждаться при надлежащих условиях (см. рис. 5.3.1).
Коэффициенты термического расширения a-Si: Н и нержавеющей стали существенно различаются. Солнечные элементы в процессе коммутации, герметизации и службы подвергаются действию различных температур. Термомеханические напряжения из-за изменения температуры будут влиять на характеристики элементов. Для оценки этого влияния приведены термоциклические испытания и испытания на изгиб солнечных элементов на основе a-Si: Н, выполненных на подложках из нержавеющей стали размером 7X7 см2 [49]. Результаты испытания (табл. 5.3.1) показывают, что после 10 термических циклов какого-либо заметного изменения характеристик элементов не наблюдается. Внешний вид элементов также не изменился при обычных условиях испытания. Только при очень жест-
