Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
5.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В первом приближении при выборе материалов для создания гетеро-структурной пары можно руководствоваться следующими правилами:
1. Должны отсутствовать ’’пички” на краях зоны проводимости (или
189
валентной зоны), ухудшающие прохождение фотогенерированных носителей. Это условие выполняется, если ДЕс = Х\ ~Хг < 0 и AEV = Хг ~Xi + + AEg2 — &Egl >0 (см. 2.3.1 и 2.3.2).
2. Для максимального увеличения Vd и Voc АЕс (или AEV в случае поглощающего слоя п-типа) должна быть как можно ближе к нулю.
3. Для повышения эффективности преобразования ширина запрещенной зоны Egi поглощающего слоя должна находиться в интервале от 1,4 до 1,6 эВ.
4. Для расширения спектрального диапазона пропускания солнечного излучения ширина запрещенной зоны Eg2 поверхностного слоя должна быть как можно больше, при этом материал должен оставаться низкоомным.
5. Необходимо выбирать материалы с малым несоответствием параметров кристаллических решеток.
6. Материалы должны иметь близкие значения коэффициентов теплового расширения, поскольку в большинстве случаев гетеропереходы образуются при повышенных температурах.
Проблема несоответствия параметров решеток достаточно сложна. Хотя при малых несоответствиях не гарантируются большие значения КПД, а при больших иногда встречаются солнечные элементы с высоким КПД, тем не менее, как правило, предпочтительнее материалы с меньшим несоответствием решеток. Примером, когда малое несоответствие параметров решеток еще не означает возможность получения высокого КПД, служит структура ZnSe-GaAs. До сих пор солнечные элементы на основе этой структуры не оправдывали возлагавшихся на них надежд из-за недостаточной эффективности собирания фотогенерированных носителей заряда1. Влияние несоответствия параметров решеток и дефектов на границе раздела обсуждалось в гл. 2 (см; также Fahrenbruch, Aranovich, 1979]. Как правило, необходимо, чтобы относительные деформации emf, обусловленные этим несоответствием, не превышали 1%, тем не менее при emf > 1% нет строгой корреляции между свойствами перехода и значением emf. Во многих случаях при больших несоответствиях параметров кристаллических решеток квантовая эффективность снижается лишь незначительно, однако появляются токовые утечки, снижающие Voc и //.
Тройные соединения типа AlxGaj _xAs и Zn^Cd! _XS дают дополнительную степень свободы в выборе ширины запрещенной зоны или постоянной решетки. Четверные соединения типа AlxGa1_xAsJ)P1_y и CuxInj-^SeyTej.y представляют две степени свободы и в принципе позволяют одновременно подобрать оптимальные ширину запрещенной зоны и параметр кристаллической решетки. Конечно, цена этих степеней свободы — дополнительное усложнение системы.
Поскольку в высокоэффективных солнечных элементах коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики почти постоянен (ff — 0,75 0,90), простой количественной мерой качества гетеропереходных пар по
1 В этих элементах КПД не превышает 8-9% [Gaugash е. а., 1976; Balch, Anderson, 19721.
190
отношению к эффективности фотоэлектрического преобразования может служить произведение JscVoc. Предполагая, что t)q (X) = 1, значение Jsc при известной разности Egl —,Egi можно приблизительно оценить, проинтегрировав поток фотонов, воспользовавшись данными рис. 3.3. Напряжение холостого хода Voc пропорционально контактной разности потенциалов Vd = Egl — 8п — 5р + ДЕс, где ДЕс <0; 8п=Ес - Ер\ 8р = = EF - Ev, причем в рассмотрение'не включены гетеропереходы с Д Ес> > 0. Неполный список гетероструктурных пар, являющихся возможными кандидатами для создания на их основе высокоэффективных солнечных элементов, а также их параметры приведены в табл. 5.1. Количественная мера качества гетеропереходов, названная мерой эффективности преобразования Vmerit’ вычислена при //= 0,75 и VoJVd = 0,65*.
Аналогичные таблицы составлялись и ранее [Milnes, Feucht, 1972¦ Fahrenbruch, 1977], в том числе подробные с указанием характеристик солнечных элементов, изготовленных на основе как гомогенных, так и гетерогенных р - «-переходов.
При изготовлении гетеропереходных солнечных элементов возникают дополнительные проблемы, связанные со взаимной диффузией элементов, образованием соединений на межфазной границе раздела, влиянием удельного электрического сопротивления материалов, эффектом фиксации уровня Ферми на границе раздела и влиянием оксидных слоев, образующихся до и в процессе выращивания структур.
При температурах выращивания взаимная диффузия может проявляться слабо или сильно. В первом случае диффузионный перенос материала вызывает изменения лишь степени легирования. Здесь примером может служить диффузия Си и CdS при изготовлении гетероперехода Cu*S -CdS; степень легирования CdS медью в этом случае определяет свойства гетероперехода.
Во втором случае взаимная диффузия может привести к формированию на металлургической границе перехода промежуточного (третьего по счету) слоя. В качестве примера на рис. 5.1 показаны две спектральные зависимости чувствительности, соответствующие двум солнечным элементам на основе структур p-CdTe -я-ZnSe, изготовленных методом газотранспортного осаждения в замкнутой системе при достаточно высоких температурах (около 600°С) и двух слегка различающихся условиях [Buch е. а., 1977]. В одном из элементов имеется промежуточный слой и-CdSe (Eg — 1,74 эВ), который бесполезно поглощает фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны и-CdSe. Спектральная зависимость чувствительности другого элемента указывает на наличие промежуточного слоя p-ZnTe (Eg — 2,3 эВ), который сам по себе обусловливает относительно высокие значения 1}q , однако препятствует собиранию всех фотогенерированных в CdTe носителей, кроме горячих.
