Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
в-четвертых, возможность изменения коэффициента оптического поглощения, обусловленного сильными электрическими полями на меж-зеренных границах (эффект Франца—Келдыша) [Bujatti, Marcelja, 1972; Dow, Redfield, 1972].
1 Интерференционные максимумы (и минимумы) при Л = 2nrt, как правило, проявляются на спектральной зависимости Jsc, когда подобные пленки используются в качестве слоев оптического окна в гетеропереходных солнечных элементах.
216
Некогерентный характер рассеяния и незеркальность отражения и пропускания тонких поликристаллических пленок затрудняют измерения в них оптических характеристик. Данные, получаемые с помощью обычных спектрофотометров, в которых используются приемники с малой апертурой (примерно //10), относятся лишь к зеркальной компоненте пропускания, в то время как в солнечном элементе, для применения в котором предназначена такая пленка, полезный вклад будет также вносить и рассеянный свет. Эту проблему можно устранить, используя приемники с большой апертурой или интегрирующие сферы [Fagen, 1979].
Важным инструментом для измерения оптических постоянных и толщины поликристаллических пленок становится спектроскопическая эллипсометрия. Высокая точность этого метода позволяет обнаруживать небольшие изменения оптических постоянных материала, обусловленные влиянием межзеренных границ [Aspnes, 1976; Bashara, Azzam, 1976].
6.2. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ
Характер переноса заряда в поликристаллических материалах оказывает существенное влияние на КПД солнечных элементов, использующих эти материалы. Несмотря на то что фундаментальная теория электропереноса в однородных монокристаллических материалах была обсуждена в гл. 3, в большинстве случаев поведение тонких поликристаллических пленок нельзя непосредственно предсказать исходя лишь из известных и поддающихся интерпретации свойств соответствующего массивного материала.
Электрофизические характеристики таких слоев в значительной степени определяются свойствами поверхностей, окружающих кристаллиты, в особенности внутренними поверхностями или границами зерен [Leamy е. а., 1982]. В поликристаллических материалах можно выделить две группы явлений, связанных с межзеренными границами, которые оказывают важное влияние на фотоэлектрическое преобразование энергии.
Электрическое сопротивление. Имеется различие между микроскопическими значениями подвижностей и концентраций носителей заряда в каждом отдельном зерне и макроскопическими эффективными подвижностями и средними концентрациями носителей в слое. Во многих случаях подвижность носителей в слое, а следовательно, его электрическое сопротивление определяют потенциальные энергетические барьеры на границах между зернами. В этих случаях удельная электропроводность уже не зависит линейно от концентрации свободных носителей заряда, которая проявляется косвенно, главным образом через высоту потенциальных барьеров. В пленках со столбчатыми зернами, ориентированными по нормали к их поверхности, следует рассматривать перенос заряда вдоль (параллельный) и поперек слоя (поперечный перенос). Электрическое сопротивление, связанное с параллельным переносом, естественно, сильно зависит от свойств межзеренных границ, в то время как на сопротивление в поперечном направлении влияние границы зерен
217
мало. Возрастание удельного электрического сопротивления в солнечных элементах в первую очередь сказывается на снижении // и лишь слабо влияет на Jsc и Voc.
Рекомбинация в квазинейтральном поглощающем слое. Дефектные и примесные состояния на внешних и внутренних поверхностях кристаллитов обусловливают рекомбинацию избыточных носителей и тем самым снижают эффективное время жизни неосновных носителей заряда. В большинстве пленок, подходящих в качестве поглощающих слоев солнечных элементов, это обстоятельство приводит к небольшим снижениям значений Jsc и Voc. Внутренние области границ зерен имеют разупорядочен-ную структуру и связанную с этим уменьшенную ширину запрещенной зоны и повышенную поверхностную проводимость. Соприкосновение подобных межзеренных границ с обедненными областями обусловливает шунтирование и возрастание обратного тока насыщения р-п-перехода и, в конечном счете, снижает Voc и ff. Значения этих параметров в большинстве солнечных элементов с поликристаллическими слоями (в особенности из прямозонных широкозонных полупроводниковых материалов) значительно ниже, чем в изготовленных из соответствующих монокристаллических или псевдомонокристаллических материалов (см. 6.5.3).
Снижение последовательного сопротивления в поликристаллических солнечных элементах обычно не вызывает проблем при условии, что все остальные параметры оптимизированы. Например, влияние большого последовательного сопротивления, параллельного поликристаллическим слоям, можно почти полностью устранить нанесением прозрачного проводящего покрытия типа ITO или SnOx. В большинстве кремниевых элементов снижение Jsc и Voc, вызванное рекомбинационными потерями, в процентном отношении одинаково, a ff несколько выше. Однако в случае широкозонных прямозонных материалов преимущественно наблюдается снижение Voc и //, а значение rjq остается относительно высоким. Влияние контактирования границ зерен с р — и-переходом, по-видимому, наименее изученный из всех механизмов потерь процесс [Fossum е. а., 1980].
