Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
6.5.1 Конструкции элементов
В настоящее время КПД преобразования энергии более 5 % имеют аморфные солнечнее элементы трех типов. Схемы их конструкций изображены на рис. 6.8.
6.5.1.1 Элементы с барьером Шоттки
Солнечные элементы с барьером Шоттки (см. рис. 6.8, а), процесс изготовления которых наименее сложен, обычно применяются для исследовательских целей. Основным недостатком элементов этого типа является относительно низкое напряжение холостого хода (не превышающее 0,6 В). Один из возможных способов изготовления элементов с барьером Шоттки состоит в последовательном осаждении на молибденовую подложку тонкого слоя (толщиной ~20 нм), легированного фосфором а-Si: Н, слоя нелегированного а-Si: Н и нанесении методом вакуумного испарения пленки палладия толщиной около 5 нм. Наличие легированного слоя а-Si: Н способствует улучшению фотоэлектрических и диодных характеристик элементов [39].
6.5.1.2 Элементы со структурой металл — диэлектрик — полупроводник
При создании солнечных элементов со структурой металл— диэлектрик — полупроводник (см. рис. 6.8, б) на поверхность нелегированного а-Si:Н наносят тонкий слой диэлектрика
320
Глава 6
(толщиной ~2...3 нм), а затем осаждают пленку металла с большой работой выхода, подобного платине. Для того чтобы в полупроводниковый слой могло поступать достаточное количество света, металлическая пленка должна иметь малую толщину (~5 нм). Просветляющее покрытие (например, слой Zr02 толщиной ~45 нм) позволяет снизить потери излучения на отражение [30].
6.5.1.3 Элементы с р — i — /г-структурой
Разработаны две модификации конструкции солнечных элементов с р—i—n-структурой (см. рис. 6.8, в), обеспечивающие хорошие фотоэлектрические характеристики. В первом случае используется стальная подложка, на которой создаются легированный бором слой a-Si: Н толщиной ~20 нм, слой нелегированного a-Si: Н толщиной ~0,5 мкм и легированный фосфором слой a-Si:H толщиной ^8 нм [39]. Изготовление элемента завершается осаждением на поверхность внешнего слоя a-Si: Н, имеющего проводимость я-типа, пленки ITO толщиной 70 нм, которая служит одновременно фронтальным контактом и просветляющим покрытием [39].
Солнечные элементы с р — i — я-структурой второго типа [109] освещаются через стеклянную подложку, на которую нанесены слои ITO и металлокерамики (Pt—SiCb) толщиной
— 60 нм и —10 нм соответственно. Металлокерамический слой служит хорошим электрическим контактом к тонкой (толщиной ~8 нм) пленке a-Si: Н p-типа проводимости. Толщина нелегированного слоя составляет 0,6... 0,8 мкм. На поверхности внешнего слоя п-типа толщиной 20 нм создается тыльный контакт, который представляет собой пленку Ti толщиной 0,1 мкм или двухслойную систему Ti — А1.
6.5.2 Фотоэлектрические характеристики
КПД солнечных элементов с р — i — я-структурой площадью 1,19 см2 на основе гидрогенизированного аморфного кремния, изготовленных в исследовательских лабораториях, фирмы RCA [39], превышает 5%. Наиболее высокое напряжение холостого хода (0,91 В) получено у элементов со структурой второго типа, тогда как максимальные значения КПД 6,1 % и плотности тока короткого замыкания (—12 мА/см2 в условиях АМ1) имеют элементы со структурой первого типа, освещаемые со стороны верхнего слоя п-типа проводимости. Наибольшее значение коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики солнечных элементов с р—i—я-структурой составляет около 0,61, а элементов с барьером Шоттки — 0,674.
Солнечные элементы на основе аморфного кремния
321
Рис. 6.9. Спектральная зависимость коэффициента собирания Q носителей заряда в солнечном элементе на основе a-Si : Н с р—i—/г-структурой 1-го типа [39].
На рис. 6.9 показана кривая спектральной зависимости коэффициента собирания носителей заряда в солнечных элементах с р — i — ^-структурой первого типа. Наблюдаемое уменьшение коэффициента собирания в коротковолновой области вызвано главным образом потерями излучения вследствие его поглощения в верхнем легированном слое. Понижение чувствительности элементов в длинноволновой области связано с уменьшением коэффициента поглощения света в нелегированном a-Si: Н [110]. Плотность тока короткого замыкания, рассчитанная с помощью данной спектральной характеристики, в условиях АМ1 составляет 9,27 мА/см2. Однако значение этой величины, измеряемое при солнечном освещении, из-за наличие рассеянного света, как правило, на 15... 20 % выше расчетного.
Диодный коэффициент освещенных элементов с р — i — /г-структурой равен —1,1 [39], что свидетельствует о слабой рекомбинации носителей в области перехода. Аналогичное значение диодного коэффициента получено у солнечных элементов с барьером Шоттки [111]. Несмотря на то что световые характеристики элементов на основе a-Si: Н б'лизки к идеальным, их темновые вольт-амперные характеристики оказываются плохими. Эти результаты можно объяснить, предположив, что протекание тока обусловлено либо процессами в области пространственного заряда [5], либо эффектом Пула — Френкеля
11 Заказ № 1939
322
Глава 6
[39]. В некоторых случаях плохие выпрямляющие свойства элементов при отсутствии освещения могут быть связаны с релаксацией проводимости в полупроводнике [112]. Следует отметить, что у солнечных элементов всех типов на основе a-Si: Н, как и у элементов со структурой Cu2S — CdS, наблюдается пересечение темновых и световых вольт-амперных характеристик.
