Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
КПД солнечных элементов (снабженных просветляющими: покрытиями и имеющих площадь активной поверхности 1 см2)
282
Глава 5
на основе крупнозернистых (с размером зерен до 4x0,4 см) по-ликристаллических пленок кремния, выращиваемых на керамических подложках, составляет 9,6 %, при этом Jsc = 26,8 мА/см2 (интенсивность излучения 100 мВт/см2), КОС = 0,53 В и FF = 0,675. Поскольку контакты к р- и /г-областям были выведены на одну и ту же поверхность, элементы обладали значительным последовательным сопротивлением, не позволившим получить более высокий КПД. Исследование элементов методом возбуждения тока световым лучом и результаты измерений тока, наведенного электронным лучом, показали, что наличие границ зерен ухудшает характеристики приборов, тогда как границы двойников не оказывают существенного влияния. Установлено, что диффузионная длина носителей лежит в пределах 6... 25 мкм.
В солнечных элементах, изготовленных из поликристалличе-ских кремниевых пленок, нанесенных на керамические подложки, Фабр и Боде [26] наблюдали увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда с 6 мкм до 22 мкм при повышении плотности потока фотонов с 1013 до 3-1017 см-2* с-1. В условиях АМ1 элементы имели КПД 6,2 % при Voc = 0,495 В, Jsc = 23 мА/см2 и FF = 0,55. Возрастание диффузионной длины носителей можно объяснить заполнением содержащихся в пленках ловушечных уровней под действием света. Для плотности тока короткого замыкания характерна сверхлинейная зависимость от светового потока /sc = /СФ1,05 (здесь К — постоянная величина и Ф — плотность потока фотонов). Увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда при повышении интенсивности излучения отмечено также в солнечных элементах на основе профилированных кремниевых лент, получаемых вытягиванием из расплава через фильеры [27, 28]. Существование в этих элементах сильной зависимости диффузионной длины как от объемной скорости генерации носителей, так и от длины волны падающего излучения подтверждает предположение •о том, что под действием света происходит заполнение ловушек, которые распределены по всему объему базовой области элемента.
Создаваемые в настоящее время тонкопленочные кремниевые солнечные элементы со структурой металл — диэлектрик — полупроводник не обладают высокой эффективностью. При использовании в элементах такого типа поликристаллических пленок кремния, нанесенных на керамические подложки, и пленок хрома [25, 29] получены значения КПД 6... 8%. Тонкопленочные кремниевые элементы со структурами металл (Ti)—диэлектрик — полупроводник (снабженные просветляющими покрытиями из ТЮ2) и полупроводник — диэлектрик — полупроводник (с покрытиями из ITO) [26] в условиях АМ1 имеют КПД соответственно 3,9 и 1,6 % при плотностях тока короткого замыкания 21,6 и 25 мА/см2.
Поликристаллические кремн. солн. элементы
283-
5.4.2 Анализ свойств перехода
Диодные характеристики р—я-переходов в тонких кремниевых пленках исследовались несколькими авторами [16, 17, 20— 23, 30] с целью изучения механизмов протекания тока и выявления параметров материала, влияющих на выходные характеристики элементов.
Фельдман и др. [23] измерили вольт-амперные характеристики нескольких солнечных элементов на основе пленок кремния, полученных методом вакуумного испарения при различных температурах подложки и имеющих неодинаковый размер зерен, и установили, что темновые характеристики отвечают уравнению, содержащему два экспоненциальных члена с пред-экспоненциальными множителями /si и Js2 и диодными коэффициентами /2i = 1 и п2 = 2, соответствующими диффузионному и рекомбинационно-генерационному механизмам протекания тока. Независимые измерения диффузионной длины носителей заряда и размера зерен показали, что /si уменьшается при возрастании диффузионной длины (что согласуется с теоретическими результатами), a /s2 понижается при увеличении размера зерен вследствие уменьшения количества рекомбинационных центров.
Зависимости /si и Js2 соответственно от диффузионной длины носителей и размера зерен показаны на рис. 5.1. Влияние размера зерен на напряжение холостого хода, плотность тока короткого замыкания и КПД элементов иллюстрируют рис. 5.2, а и б. На рис. 5.2, б представлены также теоретические зависимости КПД от размера зерен, полученные различными авторами [31—34]. Фельдман и др. [23] экстраполировали экспериментальные данные и показали, что при увеличении диаметра зерен до 30 мкм КПД элементов мог бы повыситься до 10%. Однако авторы отмечают, что, поскольку пленки кремния, осаждаемые методом вакуумного испарения, имеют столбчатую структуру, для получения зерен диаметром 30 мкм потребовалось бы нанести пленку толщиной 50 мкм. Согласно опубликованным результатам, солнечные элементы, изготовленные из кремниевых пленок, выращенных на графитовых подложках химическим методом из паровой фазы и состоящих из зерен размером 20... 30 мкм [35], имеют КПД, равный лишь 1,5% (т. е. такой же, как и элементы на основе пленок Si с размером зерен 5 мкм, осаждаемых с помощью вакуумного5 испарения), что свидетельствует о существенном влиянии на характеристики элементов несоответствия параметров кристаллических решеток материалов пленки и подложки, степени чистоты поверхности зерен и концентрации легирующей примеси.
