Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
82. RandM.J., Roberts J.F. - J. Electrochem. Soc., 115 (1968) 423
83. Veprek S. etal. - Philos. Mag., B43 (1981) 527.
5. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ
5.1. ФИЗИКА ПРИБОРА И ОПТИМАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ
Й. XAMARABA, X. ОКАМОТО (Yoshihiro Hamakawa, Hiroaki Okamoto. Faculty of Engineering Science, Osaka University)
В статье рассматриваются некоторые новые вопросы в области физики и разработки солнечных элементов на основе аморфного кремния. Обосновывается понятие фотовольтаического эффекта дрейфового типа и области его применимости. Для объяснения фотовольтаическнх характеристик a-Si р-/-л-перехода на основе аморфного кремния вводится новая модель переноса носителей, приводящая к понятию переменной границы перехода.
Показано, что на основе этой модели могут бить объяснены не только фотоврль-таические свойства, но и охарактеризовано качество пленок аморфного кремния, Описывается также определение диффузионного потенциала в терминах электроотражения.
Проведены исследования по оптимизации фотовольтаических характеристик приборов с р i-n-переходом и инвертированным р-/-«-переходом в зависимости от их некоторых расчетных параметров. Рассмотрено современное состояние н достижения научно-исследовательских работ, связанные с улучшением характеристик
приборов. Обсуждаются реальные пределы к.п.д. для приборов на основе аморфного кремния с р-1-п-гомопереходом и с а-5іС/а-5і гетеропереходом; результаты сравниваются с к.п.д. солнечных элементов на основе кристаллического кремния.
5.1.1. Краткий исторический обзор
Первые работы по 'солнечным элементам на ocHqBe аморфного кремния были выполнены Карлсоном н Вронски [1], а в 1977 г. (2] были созданы солнечные элементы с барьером Шоттки Pt/a-Si: Н, имеющие к.п.д. 5,5 %. Достижение такого уровня к.п.д. на начальной стадии разработок в значительной мере способствовало привлечению внимания ученых к области фотовольтаических исследований. Следующим шагом можно считать достижение группой Хамакава [ 3] в Университете г. Осака весной 1978 г. к.п.д. = 4,5 % на элементе со структурой оксиды индия-олова/р-1-п/нержавеющая сталь. Такой тип структуры ^солнечного элемента имеет несколько преимуществ: 1) довольно легко и с хорошей воспроизводимостью можно изготовить элементы большой площади; 2) с точки зрения будущего массового производства процесс получения такой структуры с заданными параметрами элемента поддается лучшей возможности контролирования. Действительно, большинство солнечных элементов, производимых в настоящее время на основе a-Si имеют этот тип структуры.
Основное отличие фотовольтаического процесса в солнечном элементе на основе a-Si от процесса только на одном p-n-переходе заключается в наличии высокого электрического поля ?(х) в области генерации носителей. Как показано на рис. 5.1.1 [ 4, 5 ], внутреннее электрическое поле в /-слое изменяется очень резко в зависимос-
Рис. »5.1.1. Энергетический профиль запрещенной зоны, распределение пространственного заряда н внутреннего электрического поля в солнечных элементах с р-/-«-переходом на основе a-Si:
ЗП - зона проводимости; УФ - уровень Фермн; ВЗ - валентная зона; / - источник кулоновской энергии; р - плотность пространственного заряда: Е - электрическое поле
209
208
14-537
ти как от плотности состояний в запрещенной зоне, так и от распределения введенных пространственных зарядов. В то же время из-за очень малой подвижности носителей, присущей аморфным полупроводникам, при рассмотрении процесса генерации фотоносителей в a-Si : Н р-/-п-солнечных элементах следует учитывать и процесс ступенчатой рекомбинации [4, 5]. Кроме того, процесс собирания фотогенерированных носителей в значительной мере определяется внутренним электрическим полем и его распределением (8, 9].
Полевая зависимость вероятности генерации фотоносителей была рассчитана в работе [ 101 для аморфного селена. Расчеты для a-Si выполнены независимо группами в Университете г. Осака и Морта и др. [ 71. Результаты, полученные этими двумя группами, совпадают. В работе Окамото и др. [9] рассчитана и подтверждена экспериментально вероятность собирания фотоносителей в зависимости от электрического поля в p-i-«-переходе на основе a-Si. Зависимость фотовольтаического эффекта от напряженности электрического поля непосредственно определяет свойства солнечного элемента. Например, как показано на рис. 5.1.2, наблюдаемые ВАХ для p-i'n-перехода на основе a-Si и для р- n-перехода в монокристалле существенно различаются.
Что касается вопросов динамики носителей заряда в a-Si, процесса из возбуждения и рекомбинации, а также физики приборов (солнечных элементов) на основе a-Si, то более подробная информация приведена в работах [5, 6, 9]. Результаты этих фундаментальных исследований позволяют заключить, что вероятность образования фотоносителей и эффективность их собирания в зависимости от электрического поля вычисляются с учетом ступенчатой рекомбинации и рекомбинации зона-зона в объеме и на поверхностях аморфного кремния [11, 12). Как следует из работы (9), ступенчатая рекомбинация не столь существенна в a-Si: Н - материале среднего качества, используемом в настоящее время в солнечных элементах, поскольку энергия фотона падающего света намного больше оптической ширины запрещенной зоны. Кроме того, из анализа процесса собирания, фотоносителей [13] установлено, что существует непосредственная зависимость характеристик фотоэлектрического прибора и его расчетных параметров от качества пленки a-Si.
