Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Солнечные элементы на основе сульфида меди
255
ких уровней, расположенных вблизи перехода, способствует еще большему уменьшению ее ширины.
Туннельные переходы носителей на энергетические уровни в области границы раздела приводят к понижению эффективной высоты барьера и, следовательно, уменьшению напряжения холостого хода. При термообработке молекулы кислорода и поступающие из Cu2S атомы меди достигают области пространственного заряда и образуют в CdS компенсирующие акцепторные уровни, в результате чего эта область расширяется. Благодаря данному эффекту уменьшается вероятность туннелирования носителей, увеличивается эффективная высота барьера и повышается напряжение холостого хода. Формирующийся на поверхности CuxS слой Си20 или СиО снижает скорость рекомбинации носителей, что приводит к возрастанию фототока. Уменьшение фототока элементов (при неизменном значении Voc), наблюдаемое при чрезмерном нагреве, объясняется либо ослаблением электрического поля на границе раздела вследствие перекомпенсации и значительного расширения области пространственного заряда, либо изменением фазового состояния CuxS из-за дефицита меди. Несоответствие параметров кристаллических решеток Cu2S и CdS является причиной появления механических напряжений в области границы раздела, а также упругих напряжений, простирающихся в объем структуры, под влиянием которых образуются энергетические уровни в запрещенной зоне. Объемные механические напряжения, по-видимому, компенсируются полями упругих напряжений дислокаций, возникающих в области границы раздела в процессе термообработки.
Дивейни и др. [87] считают, что термообработка элементов в течение 1 ч при температуре 190 °С и давлении —27 Па, а затем в течение 2 ч при температуре 170 °С в атмосфере водорода (такой режим используется при осуществлении крепления
Рис. 4.11. Изменение формы вольт-амперных характеристик тонкопленочных солнечных элементов на основе Cu2S — CdS в процессе термообработки. 1 — темновая характеристика, 2—4 — све товые характеристики.
256
Глава 4
контактной сетки методом прокатки) и их последующий прогрев при более низкой температуре обеспечивают условия для восстановления ранее образовавшихся оксидов меди. Появление при этом свободных атомов Си, улучшающих стехиометрию слоя CuxS, является основным положительным эффектом такой термообработки. При составах Cu^S, близких к стехиометрическому, возрастает диффузионная длина неосновных носителей [78] и вследствие этого повышается эффективность их собирания. Увеличению фототока элементов способствует также сплавление Zn и Си в процессе термообработки, сопровождающееся образованием высокоотражающего слоя a-фазы латуни, благодаря которому возможно повторное прохождение света через слой Cu2S. Под влиянием последнего эффекта фототок возрастает примерно на 15 %.
Согласно данным Пфистерера и др. [53], оксидный слой элементов состоит из Си20 и не содержит СиО. Авторами не обнаружено также присутствия CuS04. Полагают, что Си20 формируется только при наличии свободных атомов меди, источниками которых могут служить осаждаемая пленка Си или сульфид меди (поскольку при термообработке в тлеющем разряде, возбуждаемом в водороде, возможно восстановление CuxS). Авторами работ [53, 83] отмечены следующие характерные особенности элементов непосредственно после их изготовления и термообработки: 1) нестехиометричность состава Cu^S и высокая скорость поверхностной рекомбинации (по завершении мокрого химического процесса); 2) улучшенная стехиометрия сульфида меди при сохранении низкой эффективности элементов вследствие образования на их поверхности барьера Шоттки Си—Cu2S (после нанесения пленки Си или термообработки в тлеющем разряде в атмосфере водорода); 3) наличие окна из Си20, способствующего снижению скорости поверхностной рекомбинации, и близкий к стехиометрическому состав сульфида меди, обеспечивающий высокие значения диффузионной длины электронов (при оптимальных условиях термообработки на воздухе); 4) наличие слоя CuxO (1 <х<2), вызывающего повышение скорости поверхностной рекомбинации, и низкие значения диффузионной длины электронов из-за нарушения стехиометрии CuxS (в результате перегрева элементов или при продолжительной выдержке в кислородсодержащей атмосфере).
Лоферски и др. [85] высказали предположение, что в результате термообработки на поверхности CuxS образуется широкозонный слой окна из CuxSr/Oi-y. Акрамов и др. [84] наблюдали увеличение тока короткого замыкания и напряжения холостого хода при термообработке элементов на воздухе. Значения коэффициента выпрямления, найденные из темновых вольт-ампер-ных характеристик, увеличиваются в результате термообработки с 102 до 103, а шунтирующее сопротивление возрастает
Солнечные элементы на основе сульфида меди
257
в 2... 5 раз. По мнению авторов работы [84], содержащиеся в неотожженных элементах микрокластеры меди могут закорачивать переход. Диффузия меди в процессе термообработки приводит к разрушению кластеров, образующих шунтирующие каналы. Амит [102] предполагает, что закорачивание перехода вызывают тонкие слои Cu2S, образующиеся вдоль границ зерен. Под действием термообработки эти слои разрушаются, в результате чего каналы для протекания шунтирующего тока исчезают. Акрамов и др. [84], Касвелл и Вудс [86], а также Амит [102] наблюдали увеличение ширины области пространственного заряда в CdS у элементов, прошедших термообработку. Акрамов и др. [84] считают, что расширение компенсированной области в слое CdS способствует более полному поглощению падающего излучения и повышению эффективности собирания неосновных носителей заряда, что приводит к увеличению фототока. Чувствительность элементов в длинноволновой области спектра при этом существенно возрастает.
