Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 5
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
5.1. Введение
Моно- и поликристаллический кремний в виде массивных: образцов относится к наиболее подробно и глубоко исследованным полупроводниковым материалам. Технология получения а обработки кремния, а также изготовления электронных схем и приборов на его основе благодаря высокому уровню развития и быстрому совершенствованию до сих пор остается базовой технологией в электронной промышленности; при этом кремний занимает ведущее положение во всех областях электроники. Кроме того, кремний используется в оптоэлектронике, интегральной оптике и вычислительной технике.
Среди различных типов фотоэлектрических преобразователей лишь монокристаллические кремниевые солнечные элементы в настоящее время нашли широкое применение в солнечной энергетике (например, в системах энергообеспечения искусственных спутников). Большой практический опыт и знания, накопленные при производстве монокристаллических кремниевых солнечных элементов, обеспечивают возможность перехода к изготовлению тонкопленочных элементов и расширению объема их выпуска до уровня, необходимого для успешного развития новой отрасли промышленности — фотоэлектрической. Если к тому же учесть, что кремний относится к наиболее распространенным в природе химическим элементам, а монокристалличе-ские кремниевые солнечные элементы обладают высокой эффективностью (их КПД достигает 16... 19%), то кремний можно считать во всех отношениях перспективным материалом для создания тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей. Поэтому представляется удивительным, что до последнего времени разработке солнечных элементов на основе тонких пленок
Si уделялось столь мало внимания. Вероятно, первые [1] неудачные попытки изготовить высококачественные приборы ослабили интерес к исследованию кремниевых, преобразователей, и в дальнейшем более активно изучались другие полупроводниковые
Поликристаллические кремн. солн. элементы
275
материалы для тонкопленочных солнечных элементов: соединения II—VI групп периодической системы (CdS, CdTe) и III— V групп (GaAs).
Выполненные недавно в нескольких лабораториях исследования тонкопленочных кремниевых солнечных элементов привели к существенному улучшению их характеристик. На основе пленок Si, полученных методом химического осаждения из паровой фазы [2] на подложках из рекристаллизовацного металлургического кремния, изготовлены крупные элементы (площадью
30... 50 см2) с КПД 8... 9 %. При создании солнечных элементов из поликристаллических кремниевых пленок, подвергнутых лазерной рекристаллизации, и из пленок Si, осаждаемых в плазме высокого давления на многократно используемые молибденовые подложки (с их последующим отделением) [3], КПД элементов составляет 12% (при площади 2X2 см2) и 9,93% (при площади 28 см2). Разработано несколько новых методов осаждения кремния, позволяющих получать высококачественные тонкие пленки большой площади и применять их для создания фотоэлектрических приборов. В гл. 3 обсуждались свойства тонких поликристаллических пленок кремния, выращиваемых различными методами. В данной главе мы ограничимся описанием процесса изготовления тонкопленочных поликристаллических кремниевых солнечных элементов с указанием их выходных параметров. Солнечные элементы на основе аморфного кремния будут рассмотрены в гл. 6.
5.2. Современное состояние разработок массивных кремниевых солнечных элементов
В первую очередь будет кратко рассмотрено современное состояние разработок массивных моно- и поликристаллических солнечных элементов, что позволит затем оценить уровень достижений в области создания тонкопленочных кремниевых элементов1.
Благодаря ряду усовершенствований конструкции кремниевых солнечных элементов их КПД в течение последнего десятилетия увеличился до 16...19%. Основываясь на результатах расчета, выполненного Вольфом [4], Линдмайер и Эллисон [5] изготовили элементы, у которых за счет создания мелкозалега-ющего р — n-перехода и изменения структуры контактной сетки удалось значительно повысить чувствительность в коротковолновой области спектра и коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики. Эти солнечные элементы (получившие название фиолетовых) имеют КПД около 16%. Для уменьшения потерь излучения, вызываемых его отражением от фронтальной поверхности, вместо просветляющего покрытия из ок-
276
Глава 5
сида кремния SiOx, осаждаемого методом вакуумного испарения, стали применять покрытия на основе Та205, Се02 или ТЮ2. Значения показателя преломления этих материалов занимают промежуточное положение между показателями преломления кремния и стекла, благодаря чему они обеспечивают минимальное отражение света при наличии на поверхности элемента защитного стеклянного покрытия. При обработке поверхности кремниевых пластин, ориентированных относительно направления <100>, соответствующими травителями (например, КОН,. NaOH или гидратом гидразина) формируется рельеф, состоящий из пирамид, имеющих грани с ориентацией <111>. Поверхностные неровности такого типа вызывают многократное отражение света и служат как бы световыми «ловушками»,, уменьшающими потери излучения на отражение до очень низких значений. Солнечные элементы с текстурированной поверхностью, известные под названием неотражающих элементов, фирмы Comsat, имеют КПД 17... 18%. Усовершенствование тыльного омического контакта обычных солнечных элементов, с /2+—р- или р+—n-структурами, состоявшее в создании на поверхности базовой области низкоомного слоя кремния тога же типа проводимости, что и у базы, привело к появлению встроенного электрического поля вблизи тыльной поверхности. Под влиянием этого поля напряжение холостого хода достигла необычно высоких значений (~0,61 В); кроме того, увеличились коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики (~0,82) и плотность тока короткого замыкания (~49,6 мА/см2-в условиях АМО), повысилась чувствительность элементов в длинноволновой области спектра и уменьшилось переходное сопротивление омического контакта на границе с полупроводником [6—8]. В результате этого нововведения КПД элементов, в условиях АМ1 увеличился примерно до 19 %. Благодаря всем перечисленным усовершенствованиям полученные на практике значения фототока составили ~90 % от предельной теоретической величины, а напряжения холостого хода — 75... 80 % от расчетного значения [8].
