Глава 4. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА МЕДИ

4.1 Введение

Сульфид меди обладает чрезвычайно благоприятными свойствами, позволяющими использовать его в фотоэлектрических преобразователях энергии, причем наиболее удачными являются его сочетания с Природные запасы химических элементов, входящих в состав довольно велики, поэтому неудивительно, что среди различных типов тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей наиболее широко исследованы солнечные элементы с гетеропереходом Результатом проведенных разработок явилось создание тонкопленочных солнечных элементов со структурой имеющих КПД 9,15% [6], и элементов на основе с КПД 10,2% [7]. Теоретический анализ показал, что для тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей типа реально достижимы значения соответственно [8, 9].

Первые сообщения о солнечных элементах на основе появились более четверти века назад. В 1954 г. Рейнольде и др. [10] после проведения термообработки медных контактов к впервые обнаружили в данной структуре фотоэффект при энергиях фотонов, меньших ширины запрещенной зоны На начальном этапе изучение солнечных элементов на основе осуществлялось исследовательскими группами фирм и Станфордского университета (США), а также фирм (Франция), и (Великобритания). На этом этапе был разработан ряд методов изготовления тонкопленочных солнечных элементов, а уровень технологии, достигнутый к концу 60-х — началу 70-х годов, обеспечил получение элементов малой площади с при низкой воспроизводимости их характеристик. Типичные значения КПД крупных солнечных элементов составляли 3...4%.

В ходе исследований возникло несколько проблем, связанных с процессом изготовления и эксплуатацией солнечных элементов, которые в то время решить не удавалось. К их числу относились необратимое ухудшение выходных параметров элементов, низкое напряжение холостого хода, невоспроизводимость состава слоя и отсутствие надежной герметизации. Разработки проводились в основном на эмпирической основе при недостаточно глубоком понимании процессов, происходящих в солнечных элементах. Таким образом, данный этап характеризуется невысоким уровнем как теоретических исследований, так и практических результатов.

В 70-е годы работы по созданию тонкопленочных элементов со структурой выполнялись главным образом в университете шт. Делавэр, Штуттгартском и Станфордском университетах, в лабораториях Photon Power (США), CNRS (Франция) и лаборатории тонких пленок Индийского технологического института (г. Дели). Новый этап исследований отмечен созданием высокоэффективных солнечных элементов, изготовлением модулей и панелей элементов, разработкой метода осаждения пленок посредством пульверизации раствора с последующим пиролизом, значительным повышением стабильности элементов и достижением воспроизводимости их характеристик. В результате проведенных исследований и разработок были модифицированы и усовершенствованы ранее применявшиеся методы изготовления, а также повышено качество используемых материалов. Эмпирические поиски путей усовершенствования технологических процессов уступили место более целенаправленным и согласованным действиям, основанным на большом количестве теоретических исследований элементов, включающих анализ причин их выхода из строя, а также выявление и устранение источников потерь излучения и носителей заряда. Установлено, что генерация фототока происходит в основном в слое и после признания важной роли этого слоя солнечные элементы такого типа, известные под названием элементов на основе было предложено переименовать в элементы на основе Для объяснения особенностей характеристик солнечных элементов разработано несколько теоретических моделей, базирующихся на данных о физических, электронных и оптоэлектронных свойствах элементов.

Солнечные элементы с гетеропереходом привлекают внимание благодаря реальной возможности их широкого применения в качестве наземных фотоэлектрических преобразователей энергии; кроме того, изучение свойств гетероперехода представляет значительный научный интерес. В структуре наблюдается ряд эффектов и явлений, которые характерны для неидеальных гетеропереходов и вызваны несоответствием параметров кристаллических решеток и энергий сродства к электрону указанных материалов, наличием глубоких

ловушечных уровней, а также существованием зависимости напряженности электрического поля в переходе от напряжения смещения и длины волны падающего света. Поэтому солнечные элементы со структурой можно рассматривать как удобный объект для исследования явлений, происходящих в гетеропереходах. Действительно, основная часть современных научных представлений о тонкопленочных фотоэлектрических приборах с гетеропереходом основана на тех знаниях, которые накоплены при изучении элементов со структурой Еще одна особенность этих солнечных элементов состоит в том, что они являются, по-видимому, единственным типом фотоэлектрических преобразователей, которые в тонкопленочном исполнении обладают более высоким чем аналогичные монокристаллические элементы

Результаты исследований солнечных элементов со структурой проводившихся в течение многих лет, отражены в большом количестве публикаций и недавно представлены рядом авторов в виде обзоров Для ознакомления с наиболее ранними разработками в этой области можно рекомендовать обзор Стэнли [2], в который включены все литературные данные, опубликованные до 1975 г. Однако значительная часть информации, относящейся к этому периоду, устарела, и ее необходимо дополнить новыми сведениями, полученными в ходе активных исследований на протяжении последних нескольких лет. В этой главе будут обсуждаться только наиболее современные данные о состоянии разработок тонкопленочных солнечных элементов со структурой