Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
1,2399 0,9956 0,6898 0,5635 0,4769 Л, мкм
Рис. 5.13. Нормированная зависимость коэффициента собирания Q от энергии hv (длины волны X) фотонов в случае солнечного элемента Au-n-Al0 43Gao 57AS-л-GaAs с барьером Шоттки. Варьируемая переменная - толщина d ’слоя AlGaAs. Для сравнения показана спектральная зависимость коэффициента собирания Au - GaAs элемента
стым слоем (например, d = 200 нм), так как с ростом VR снижается влияние различия ширины запрещенных зон в AlGaAs и GaAs.
Снижению A Eg способствует наличие области переменного состава на границе гетероперехода. Подобные измерения вновь возрождают интерес к моделям, основанным на концепции скачков потенциала в гетеропереходных структурах.
210
Неопгимизированный солнечный элемент Аи —и-AlGaAs —и-GaAs имел Voc = 0,88 В и r)s =10,5% (имитатор АМ1, без просветления, толщина слоя AlGaAs 30 нм) [Yang е. а., 1980]. Более полное рассмотрение устройств, содержащих двухслойную гетероструктуру с барьером Шоттки, проведено в [Lee, Pearson, 1980].
5.3. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ InP
Структура CdS-InP является примером истинного гетероперехода, в котором совпадение периодов кристаллических решеток и чистота границы раздела играют важную роль в прохождении через него тока. Высокоэффективные солнечные элементы на основе этой структуры получали методами испарения в вакууме, химического осаждения из паровой фазы и газотранспортной реакции в замкнутом объеме.
Фосфид индия — прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,34 эВ, близкой к оптимальной для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Как во всех гомопереходах на основе прямозонных полупроводников, эффективность элементов на основе гомоперехода в InP ограничена потерями, обусловленными рекомбинацией на освещаемой поверхности [Galavnov е. а., 1967]. Тем не менее потенциальные возможности InP можно реализовать в конструкциях элементов с гетеропереходами.
Индий — сравнительно дорогой металл (по данным 1980 г. стоимость небольших партий In составляет 2000 долл. за 1 кг), в земной коре содержится 0,14-10_4% этого металла (содержание меди 64-10~4%). Фосфор, несмотря на распространенность и дешевизну в неочищенном виде, стоит после очистки дорого (при продаже небольшими партиями стоимость полупроводниково-чистого фосфора — 4000 долл. за 1 кг). Кристаллы InP выращивают методом Чохральского, причем во избежание нарушения стехиометрии над расплавом поддерживают высокое давление или покрывают его жидким защитным составом.
Исследования гетеропереходов до 1974 г. не проводили, возможно, ввиду отсутствия высокосовершенных монокристаллов InP p-типа проводимости. В первом солнечном элементе на основе гетероструктуры и-CdS-p-InP был получен КПД 12,5% [Wagner е. а., 1975]. Выбор сульфида кадмия для создания этого гетероперехода не случаен: постоянная решетки фосфида индия, имеющего структуру цинковой обманки, равна 0,586 нм, а соответствующий ему параметр \fla сульфида кадмия, имеющего структуру вюрцита, равен 0,586 нм, и поэтому между плоскостью (111) InP и базисной плоскостью гексагонального кристалла CdS несоответствие параметров решеток составляет всего лишь 0,32%. Более того, длины тетраэдрических атомных связей в InP и в CdS равны 0,2533 и 0,2532 нм соответственно, и, следовательно, характер ориентации InP некритичен, что и было экспериментально подтверждено.
В первых солнечных элементах слои CdS осаждали путем испарения в вакууме на монокристаллы InP с удельным сопротивлением 0,4 Ом-см, легированные кадмием. Квантовая эффективность в спектральном диапазоне от 0,55 до 0,91 мкм составляла 0,70, а малое значение Ja = 5*
211
х 10“9 А/см2 при рекомбинационно-генерационном механизме прохождения тока свидетельствовало о хорошем соответствии параметров решеток материалов, образующих гетеропереход. Коэффициент полезного действия 12,5% получен при относительно низкой солнечной освещенности 53 мВт/см2 (облачный день в Нью-Джерси); другие характеристики: Voc = 0,63 В\JSC = 15 мА/см2 и//= 0,71 (без просветления).
Было обнаружено, что термический отжиг при Т — 600° С в неокисляющей среде улучшает характеристики солнечного элемента со структурой CdS-InP, приводя их к значениям Voc = 0,72 В и r?s = 14% [Shay е. а.,
1976]. Последующий 15-минутный отжиг при температурах ниже 550° С не оказывал никакого воздействия на свойства р —и-перехода, указывая на высокую стабильность работы элемента. Предполагая, что оптимальные характеристики р—и-перехода получают при формировании гомоперехода в InP, путем экстраполяции получили расчетные максимальные значения выходных параметров фотопреобразователя CdS-InP: Voc = = 0,85 В; Jsc = 20 мА/см2; //= 0,75 ит?5 = 17,2%.
Дальнейшее улучшение характеристик фотопреобразователей было достигнуто за счет применения метода химического осаждения CdS на InP в потоке H2S — Н2 в проточной системе [Shay е. а., 1977; Bettini е. а., 1978]. При соответствующей молярной концентрации H2S (около 2%) в газовом потоке поверхность InP непрерывно подвергается травлению при образовании и сублимации сульфидов индия; на этой чистой поверхности происходит образование сульфида кадмия, который предохраняет поверхность InP от взаимодействия с H2S. При осаждении на монокристалл InP были получены солнечные элементы со следующими характеристиками: Voc = 0,79 В; Jsc = 18,7 мА/см2; //= 0,735 и rjs = 15,0% при АМ2. Емкостные измерения этих элементов подтвердили наличие резкого перехода с контактной разностью потенциалов (1,0±0,15) В.
