Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Повышение удельной проводимости легированных пленок (при низкой концентрации дефектов) позволило бы уменьшить контактное сопротивление в элементах с р — i — я-структурой, которое обычно составляет —2... 5 Ом-см2, и благодаря этому увеличить коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики.
Поскольку в очень тонком (толщиной —10 нм) верхнем легированном слое элементов свободные носители заряда практически отсутствуют, наличие поверхностных состояний на границе раздела пленки ITO и легированного слоя a-Si: Н может привести к уменьшению диффузионного потенциала. Кроме того, если на границе раздела образуется высокоомный слой оксида, то происходящее при этом увеличение последовательного сопротивления элемента сопровождается снижением коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики.
6.5.4 Стабильность элементов
Полагают, что солнечные элементы на основе a-Si: Н обладают относительно высокой стабильностью. Деградацию характеристик, которая наблюдалась у некоторых элементов с барье-
Солнечные элементы на основе аморфного кремния
331
ром Шоттки и структурой металл — диэлектрик — полупроводник при воздействии влаги, можно предотвратить с помощью соответствующих герметизирующих покрытий [108]. Сообщалось, однако, что под влиянием термообработки в течение 1 ч при температуре 350° С или продолжительного воздействия солнечного излучения свойства пленок a-Si: Н в отдельных случаях изменяются [39, 99, 108] и характеристики элементов деградируют. Как показали результаты недавно проведенных исследований, ухудшение характеристик высокоэффективных солнечных элементов (с КПД 7... 8 %) очень существенно.
6.6 Новые разработки
Создание новых материалов, открытие ранее неизвестных физических явлений, появление новых идей — отличительные особенности современного этапа исследований аморфных полупроводников. В данном разделе будет перечислен ряд новых разработок, позволивших получить впечатляющие результаты, которые, правда, являются предварительными и требуют дополнительного подтверждения.
6.6.1 Новые материалы
В настоящее время исследуется возможность применения в фотоэлектрических преобразователях некоторых новых аморфных полупроводников. К этим материалам относятся: гидроге-низированный аморфный бор (а-В : Н) [68], халькогенидные стекла с тетраэдрическим расположением атомов на основе элементов II — IV — V групп периодической системы [40] и аморфные органические полупроводники [125].
Для создания пленок а-В : Н применяется метод осаждения в тлеющем разряде, который позволяет регулировать оптическую ширину запрещенной зоны полупроводника и получать ее значения, близкие к оптимальному теоретическому. При легировании а-В: Н кремнием или углеродом образуются пленки я-типа проводимости. Если в а-В : Н вводится фтор (при этом образуется соединение, аналогичное a-Si:F:H), то оптические и электрические свойства пленок существенно изменяются. В элементах с гетеропереходом а-В — a-Si: Н плотность тока короткого замыкания составляет —13 мА/см2.*
Фотоэффект наблюдается и в пленках аморфных органических полупроводников. У изготовляемых на их основе солнечных элементов недавно достигнут КПД около 1 % [125].
6.6.2 Новые технологические методы
Активно изучается несколько новых методов осаждения пленок a-Si: Н большой площади. Исследуется возможность полу* чения пленок a-Si: Н с помощью электролитического метода
332
Глава 6
[40]; их легирование осуществляется посредством совместного осаждения основного вещества и донорной (Li) или акцепторных (Ga и В) примесей. Измерения концентрации водорода показывают, что при температуре осаждения 35 °С в пленках содержится 30% Н, а при температуре 70°С— менее 1% Н. Отжиг пленок при температуре 350 ... 460 °С способствует электроактивации легирующих примесей.
Некоторые авторы [40] создавали пленки аморфного кремния методом магнетронного ионного распыления (при использовании реакционноспособных газов или легированных катодов) и на их основе изготовляли солнечные элементы с воспроизводимыми и регулируемыми характеристиками. Для нанесения пленок применялись системы как с плоским, так и с цилиндрическим катодами. Гидрогенизация и легирование аморфного кремния осуществлялись с помощью ионной имплантации. В магнетронных системах легированные пленки аморфного кремния п- и p-типов проводимости также были получены^по-средством ионного распыления при постоянном токе (в чистом аргоне) легированных монокристаллических кремниевых мишеней.
Изучается возможность создания солнечных элементов на основе пленок аморфного кремния, осаждаемых из паровой фазы и имплантируемых ионами водорода |[40]. Для получения тонких пленок a-Si: Н некоторые исследователи [68] применяют метод ионного осаждения. Легирование этих пленок галлием (в процессе совместного осаждения) позволяет значительно изменять их удельное электрическое сопротивление.
6.6.3 Новые конструкции преобразователей
Для повышения эффективности преобразования энергии предложено создавать каскадные системы, состоящие из последовательно расположенных элементов с р — i — ^-структурой [122, 126]. Максимальный КПД может быть достигнут при соответствующем сочетании значений ширины запрещенной зоны единичных элементов. Верхний солнечный элемент изготовляется из наиболее широкозонного материала, у остальных элементов ширина запрещенной зоны последовательно уменьшается. Сообщалось о получении широкозонных сплавов a-Si: С : Н [20, 127] и a-Si:0:H [128]. Ониси и др. [131] разработали высоковольтные интегральные каскадные преобразователи с КПД 8,7%, состоящие из последовательно соединенных солнечных элементов на основе SisN2, a-SiC : Н и a-Si: Sn. Согласно неопубликованным данным фирмы ECD (г. Трой, шт. Мичиган), у элементов на основе пленок a-Si: F: Н, осаждаемых в тлеющем разряде, получен КПД 9,2%. Представители фирмы RCA недавно объявили о создании тонкопленочных солнечных эле-
