Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
С помощью изящного эксперимента, состоявшего в изготовлении нескольких мезадиодов на отдельных участках поли-кристаллической эпитаксиальной пленки Si (выращенной на подложке из металлургического кремния) с различной микроструктурой и измерении их темновых вольт-амперных характеристик, Чу и др. [16] установили, что фотоэлектрические свойства элементов зависят от микроструктуры пленки. В полученных диодах реализуются два механизма протекания тока, которым отвечают п\ = 1 и я2> 1,5. Значения /si диодов, расположенных на возвышенных участках поверхности пленки Si и в углублениях, совпадают с /si монокристаллических эпитак-сильных диодов, имеющих аналогичные значения удельного сопротивления и толщины п- и p-областей. Плотности обрат-
V — в В.
Поликристаллические кремн. солн. элементы
287
ного тока насыщения /s2 диодов, находящихся на возвышенных участках, и монокристаллических диодов одинаковы. Повышенные значения /s2 диодов, изготовленных в углублениях поверхности пленки Si и содержащих хаотически ориентированные кристаллиты, дают основание предположить, что в области границ зерен содержится большое количество рекомбинационных центров. С помощью температурных зависимостей Js 1 и Js2 (см. рис. 5.4) определены соответствующие значения высоты барьеров Фб1 и ФВ2: для диодов, находящихся в углублениях, ФБ1 = 1,17 ... 1,24 эВ и ФБ2 = 0,53_0,63 эВ, а для диодов, рас-
положенных на возвышенных участках, ФБ1= 1,19... 1,24 эВ и ФВ2 = 0,58... 0,66 эВ. Эти значения согласуются с предсказанными теоретически, а именно: Фв\ = Её и Фв2=1/2?^.
Диодные характеристики солнечных элементов на основе тонких дендритных пленок кремния, получаемых на подложках из оксида алюминия [22], отличаются от ранее рассмотренных характеристик. Протекание темнового тока в этих элементах обусловлено процессами, происходящими в области пространственного заряда, причем ток изменяется пропорционально квадрату напряжения. Вероятно, важную роль в этих процессах играют глубокие примесные уровни.
5.4.3 Механизмы потерь
Как показывает проведенный выше анализ, характеристики тонкопленочных кремниевых солнечных элементов в значительной степени зависят от свойств границ зерен. Низкая эффективность собирания неосновных носителей заряда вследствие их интенсивной рекомбинации - на границах зерен и невысокое качество р—п-перехода являются двумя основными факторами, отрицательно влияющими на характеристики тонкопленочных поликристаллических солнечных элементов. К результатам оценочных расчетов некоторых авторов [23], определявших размер зерен, который обеспечивает достижение КПД выше 10%, следует относиться критически, поскольку на процесс переноса неосновных носителей заряда, помимо границ зерен, могут влиять глубокие примесные уровни, концентрация легирующей примеси, дефекты микроструктуры (например, дислокации и вакансии) и механические напряжения.
Кард и Хуанг [37] провели теоретическое исследование тонкопленочных кремниевых элементов с барьером Шоттки с учетом таких параметров, как концентрация^ легирующей примеси, размер зерен, разность потенциалов, возникающая на межзеренных границах, и плотность состояний на границах зерен. Кард и Янг [33] изучали влияние интенсивности излучения на высоту потенциального барьера на границах зерен. Важный результат, полученный в ходе исследований этих эле-
288
Глава 5
10‘
N
10
о
0,2
0,6
10-5 10'* 10_3 10_Z
V, В
г, см
?
а
Рис. 5.5. Теоретические зависимости относительного количества Nr границ зерен, содержащих активные рекомбинационные центры, от напряжения смещения У, приложенного к элементу с барьером’ Шоттки, при различных размерах зерен: 10~5 см (/), 10~4 см (2), 10-3 см (3) и 10“2 см (4) (^зависимости эффективной диффузионной длины Lef{ неосновных носителей заряда от размера зерен г при различных напряжениях смещения V (б) [37]; сплошные линии соответствуют высоте потенциального барьера на границах зерен Фё = 0,5 В, штриховые линии — = 0,6 В.
ментов, состоит в том, что относительное количество границ зерен, содержащих активные рекомбинационные центры, зависит от напряжения смещения (см. рис. 5.5, а) [37]. На рис. 5.5, б показаны зависимости эффективной диффузионной длины неосновных носителей заряда от размера зерен при различных напряжениях смещения для двух значений разности потенциалов на границах зерен. By и др. [38] изготовили солнечные элементы с барьером Шоттки на основе алюминия и поликристал-лического кремния и установили, что малоугловые границы зерен почти не влияют на вольт-амперные характеристики. Согласно измерениям, диодный коэффициент элементов, содержащих двойники и малоугловые границы зерен, равен 1,17. При наличии большеугловых границ зерен, на которых сосредоточены центры рекомбинации и ловушки, вольт-амперные и низкочастотные вольт-фарадные характеристики элементов существенно изменяются вследствие увеличения рекомбинационного тока и снижения эффективной подвижности носителей заряда.
Рекомбинационные процессы вызывают потери носителей заряда. Влияние микроструктуры и, следовательно, условий осаждения пленок на потери носителей изучено довольно подробно, тогда как детальных исследований потерь излучения
