5.4. Эффективность фотоэлектрического преобразования солнечного излучения

Фотоэлектрические характеристики и значения КПД нескольких типов тонкопленочных кремниевых солнечных элементов, изготовляемых различными методами, представлены в табл. 5.1. В следующих разделах будут рассмотрены факторы, ълияющие на характеристики этих элементов.

5.4.1 Фотоэлектрические характеристики

КПД солнечных элементов размером см (с просветляющими покрытиями из создаваемых из кремниевых пленок, осаждаемых на многократно используемые подложки с последующей лазерной рекристаллизацией, достигает в условиях при Снижение КПД элементов большей площади связано главным образом с уменьшением плотности тока короткого замыкания. Такие элементы при выходных параметрах имеют КПД, равный 9,93%.

(см. скан)

Основной причиной, ограничивающей возможность улучшения характеристик солнечных элементов на основе пленок, осаждаемых на многократно используемые подложки и состоящих из большого количества зерен, по-видимому, является высокая плотность дислокаций (на отдельных участках возрастающая до

Солнечные элементы на основе эпитаксиальных кремниевых пленок, выращиваемых на подложках из металлургического кремния (после его очистки с помощью одного из вариантов метода зонной плавки — так называемого метода теплообменника) с удельным сопротивлением , в условиях обладают КПД до 12 % [19]. Улучшению характеристик этих элементов способствует изотипный переход, образующийся (без применения дополнительных технологических операций) между эпитаксиальной пленкой и подложкой. Робинсон и др. [19] сообщали о получении КПД более солнечных элементов на основе тонких эпитаксиальных пленок осаждаемых химическим методом из паровой фазы на подложки из очищенного металлургического кремния с поликристаллической структурой. и др. [2] разработали элементы большого размера на основе эпитаксиальных пленок выращиваемых на подложках из металлургического кремния, КПД которых в условиях составляет (при площади (при площади ), а значения и заключены в пределах (более крупным элементам соответствуют меньшие значения напряжения холостого хода и плотности тока короткого замыкания). Как показали измерения, эффективная диффузионная длина неосновных носителей заряда в этих элементах равна 15... 25 мкм.

Варабисако и др. [17] с помощью химического осаждения из паровой фазы изготовили поликристаллические кремниевые солнечные элементы на подложках из металлургического кремния с КПД (в условиях Эти элементы имеют относительно большую площадь ( и состоят из фотоактивного слоя -типа толщиной 25 мкм, поверхностного слоя типа толщиной 0,5 мкм и просветляющего покрытия из Низкие значения плотности тока короткого замыкания (при отсутствии просветляющего покрытия вызваны слишком малой диффузионной длиной фотогенерированных носителей в активном слое, которая, согласно измерениям, составляет 7... 11 мкм. Установлено, что влияние границ зерен на фототок не столь значительно. Аналогичные результаты получены этими же авторами при исследовании солнечных элементов на основе тонких дендритных пленок кремния, осажденных на подложки из оксида алюминия [22]. Диффузионная длина электронов в -слое, найденная расчетным путем по измеренной спектральной зависимости чувствительности этих элементов,

приблизительно равна 1 мкм. Исследование элементов с помощью сканирующего лазерного луча показало, что в области границ зерен изменение фототока составляет лишь 10 % и что низкая диффузионная длина носителей заряда обусловлена поэтому не дефектами структуры, а глубокими примесными уровнями.

Наиболее значительное влияние на характеристики тонкопленочных солнечных элементов оказывает микроструктура фотоактивного слоя кремния. Микроструктура пленок существенно зависит от условий осаждения, а также от качества и природы материала подложки. Низкие значения напряжения холостого хода (не выше 0,1 В) и КПД (~0,05 %) солнечных элементов с барьером Шоттки и -переходом на основе поликристаллических кремниевых пленок, нанесенных на стальные подложки методом химического осаждения из паровой фазы, связаны с невысоким качеством микроструктуры пленок (средний размер зерен равен 2,5 мкм) и наличием в области перехода механических напряжений, вызванных несоответствием коэффициентов, теплового расширения кремния и стали [20]. При использовании пленок выращенных методом химического осаждения из паровой фазы на графитовых подложках и обладающих намного более совершенной микроструктурой, в условиях (при отсутствии у элементов просветляющих покрытий) получены значения которым отвечает КПД 1,4 % [20]. КПД солнечных элементов без просветляющих покрытий со структурой металлургический кремний, изготовленных с помощью химического осаждения из паровой фазы [21], в условиях ограничен (вследствие влияния границ зерен) значением однако при увеличении концентрации легирующей примеси в -области его можно повысить до 3,5%. Наличие легирующей примеси ослабляет активность границ зерен и приводит к возрастанию напряжения холостого хода и коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики, а также к уменьшению последовательного сопротивления элементов. Используя измеренные спектральные характеристики чувствительности солнечных элементов на основе пленок нанесенных на подложки из металлургического кремния посредством химического осаждения из паровой фазы, Чу и др. [16] определили эффективную диффузионную длину неосновных носителей и показали, что в элементах, изготовленных на возвышенных участках поверхности кремниевых пленок, ее значения равны 30...40 мкм, а в элементах, полученных в поверхностных углублениях (где фотоотклик уменьшается на 15...20%),- 15...20 мкм. Следует отметить, что углубления поверхности пленок обычно соответствуют областям, содержащим: большеугловые границы зерен.

КПД солнечных элементов (снабженных просветляющими покрытиями и имеющих площадь активной поверхности

на основе крупнозернистых (с размером зерен до ) поликристаллических пленок кремния, выращиваемых на керамических подложках, составляет при этом излучения Поскольку контакты к и -областям были выведены на одну и ту же поверхность, элементы обладали значительным последовательным сопротивлением, не позволившим получить более высокий КПД. Исследование элементов методом возбуждения тока световым лучом и результаты измерений тока, наведенного электронным лучом, показали, что наличие границ зерен ухудшает характеристики приборов, тогда как границы двойников не оказывают существенного влияния. Установлено, что диффузионная длина носителей лежит в пределах 6... 25 мкм.

В солнечных элементах, изготовленных из поликристаллических кремниевых пленок, нанесенных на керамические подложки, Фабр и Боде [26] наблюдали увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда с 6 мкм до 22 мкм при повышении плотности потока фотонов с . В условиях элементы имели при Возрастание диффузионной длины носителей можно объяснить заполнением содержащихся в пленках ловушечных уровней под действием света. Для плотности тока короткого замыкания характерна сверхлинейная зависимость от светового потока (здесь К — постоянная величина и плотность потока фотонов). Увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда при повышении интенсивности излучения отмечено также в солнечных элементах на основе профилированных кремниевых лент, получаемых вытягиванием из расплава через фильеры [27, 28]. Существование в этих элементах сильной зависимости диффузионной длины как от объемной скорости генерации носителей, так и от длины волны падающего излучения подтверждает предположение о том, что под действием света происходит заполнение ловушек, которые распределены по всему объему базовой области элемента.

Создаваемые в настоящее время тонкопленочные кремниевые солнечные элементы со структурой металл — диэлектрик — полупроводник не обладают высокой эффективностью. При использовании в элементах такого типа поликристаллических пленок кремния, нанесенных на керамические подложки, и пленок хрома [25, 29] получены значения КПД 6... 8%. Тонкопленочные кремниевые элементы со структурами металл -диэлектрик — полупроводник (снабженные просветляющими покрытиями из и полупроводник — диэлектрик — полупроводник (с покрытиями из [26] в условиях имеют КПД соответственно 3,9 и 1,6 % при плотностях тока короткого замыкания

5.4.2 Анализ свойств перехода

Диодные характеристики -переходов в тонких кремниевых пленках исследовались несколькими авторами [16, 17, 20— 23, 30] с целью изучения механизмов протекания тока и выявления параметров материала, влияющих на выходные характеристики элементов.

Фельдман и др. [23] измерили вольт-амперные характеристики нескольких солнечных элементов на основе пленок кремния, полученных методом вакуумного испарения при различных температурах подложки и имеющих неодинаковый размер зерен, и установили, что темновые характеристики отвечают уравнению, содержащему два экспоненциальных члена с предэкспоненциальными множителями и диодными коэффициентами соответствующими диффузионному и рекомбинационно-генерационному механизмам протекания тока. Независимые измерения диффузионной длины носителей заряда и размера зерен показали, что уменьшается при возрастании диффузионной длины (что согласуется с теоретическими результатами), понижается при увеличении размера зерен вследствие уменьшения количества рекомбинационных центров.

Зависимости соответственно от диффузионной длины носителей и размера зерен показаны на рис. 5.1. Влияние размера зерен на напряжение холостого хода, плотность тока короткого замыкания и КПД элементов иллюстрируют рис. 5.2, а и б. На рис. 5.2, б представлены также теоретические зависимости КПД от размера зерен, полученные различными авторами [31—34]. Фельдман и др. [23] экстраполировали экспериментальные данные и показали, что при увеличении диаметра зерен до 30 мкм КПД элементов мог бы повыситься до 10%. Однако авторы отмечают, что, поскольку пленки кремния, осаждаемые методом вакуумного испарения, имеют столбчатую структуру, для получения зерен диаметром 30 мкм потребовалось бы нанести пленку толщиной 50 мкм. Согласно опубликованным результатам, солнечные элементы, изготовленные из кремниевых пленок, выращенных на графитовых подложках химическим методом из паровой фазы и состоящих из зерен размером 20... 30 мкм [35], имеют КПД, равный лишь 1,5% (т. е. такой же, как и элементы на основе пленок с размером зерен 5 мкм, осаждаемых с помощью вакуумного испарения), что свидетельствует о существенном влиянии на характеристики элементов несоответствия параметров кристаллических решеток материалов пленки и подложки, степени чистоты поверхности зерен и концентрации легирующей примеси.

Уравнение вольт-амперной характеристики -перехода в солнечных элементах на основе пленок кремния, получаемых

Рис. 5.1. Влияние диффузионной длины носителей заряда и размера зерен в пленке кремния на диффузионную и рекомбинационно-генерационную составляющие плотности обратного тока насыщения в солнечных элементах, изготовленных методом вакуумного испарения [23]. а) зависимость от диффузионной длины носителей; б) зависимость от размера зерен (предел разрешения метода поверхностной фото-э. д. с. - 4 мкм).

Рис. 5.2. а) Зависимости напряжения холостого хода и плотности тока короткого замыкания солнечных элементов, изготовленных методом вакуумного испарения, от размера зерен в пленке кремния; сплошная линия — теоретическая зависимость б) Зависимости КПД солнечных элементов от размера зерен в пленке кремния; 1-экспериментальные данные [23], 2—5 — результаты расчета различных авторов: 2— [32], 3 - [34], 4 - [31], 5 - [33].

химическим осаждением из паровой фазы, также содержит два экспоненциальных члена. Согласно данным Варабисако и др. [17], .

Чу и др. [20] отмечают, что солнечные элементы с барьером

Шоттки и -переходом, изготовленные из пленок нанесенных на стальные подложки методом химического осаждения из паровой фазы, обладают плохими диодными характеристиками. Диодный коэффициент элементов с -переходом и барьером Шоттки, рассчитанный исходя из прямых вольт-амперных характеристик, равен соответственно 3,9 и 2,8, тогда как для монокристаллических элементов с -переходом значение этого коэффициента составляет 1,8, а для идеальных барьеров Шоттки — 1. В тонкопленочных элементах с -переходом плотность обратного тока насыщения на несколько порядков величины выше, чем в монокристаллических элементах, имеющих аналогичный профиль распределения примесей, а в солнечных элементах с барьером Шоттки — существенно больше, чем в элементах с -переходом. Большие обратные токи в тонкопленочных элементах, создаваемых на подложках из стали, связаны с малым размером зерен в пленках и наличием механических напряжений в области перехода. В случае использования кремниевых пленок, нанесенных на подложки из графита [20], элементы обладают лучшими выпрямляющими свойствами. Значение диодного коэффициента, найденное из прямых вольт-амперных характеристик данных элементов и равное сравнимо с его значением в монокристаллических элементах, что свидетельствует о слабом влиянии границ зерен в этих пленках на процесс протекания тока. Обратные токи в элементах, изготовляемых на графитовых подложках, по меньшей мере на порядок величины ниже, чем в элементах на подложках из стали.

Чу и Сингх [21] установили, что пассивация границ зерен с помощью сильного легирования способствует улучшению темновых вольт-амперных характеристик солнечных элементов на основе пленок нанесенных на подложки из металлургического кремния посредством химического осаждения из паровой фазы. Авторами также отмечено, что параметры как прямых, так и обратных вольт-амперных характеристик солнечных элементов со структурой металлургический кремний значительно превосходят соответствующие параметры элементов со структурой металлургический кремний, причем улучшение свойств перехода сопровождается улучшением фотоэлектрических характеристик. Основываясь на результатах измерений тока, наведенного электронным лучом, и вольт-амперных характеристик, Сигер и др. [30] приходят к выводу о том, что насыщение границ зерен поликристаллических солнечных элементов водородом оказывает благоприятное влияние на их параметры. Гидрогенизация элементов позволяет заметно улучшить темновые вольт-амперные характеристики (см. рис. 5.3) и очень существенно понизить обратный ток. В другой работе, выполненной Сигером и

Рис. 5.3. Темновые вольт-амперные характеристики поликристаллических кремниевых солнечных элементов с -переходом непосредственно после изготовления 2) и после обработки в водородной плазме в течение 16 ч при температуре 350 °С и давлении Ток измеряется в А, напряжение V — в В.

Рис. 5.4. Температурные зависимости диффузионной и рекомбинационно-генерационной составляющих плотности обратного тока насыщения диодов, изготовленных на возвышенных участках пленки кремния и в углублениях поверхности [16].

Джинли [36], подобраны режимы процесса гидрогенизации, обеспечивающие устранение всех потенциальных барьеров (которые могут быть обнаружены известными способами) на границах зерен, заключенных в поверхностном слое кремния толщиной 0,2... 0,5 мм. Важными параметрами, определяющими эффективность процесса пассивации, являются форма разряда, возбуждаемого в водороде, плотность плазмы, а также температура и качество поверхности слоя поликристаллического кремния.

С помощью изящного эксперимента, состоявшего в изготовлении нескольких мезадиодов на отдельных участках поликристаллической эпитаксиальной пленки (выращенной на подложке из металлургического кремния) с различной микроструктурой и измерении их темновых вольт-амперных характеристик, Чу и др. [16] установили, что фотоэлектрические свойства элементов зависят от микроструктуры пленки. В полученных диодах реализуются два механизма протекания тока, которым отвечают Значения диодов, расположенных на возвышенных участках поверхности пленки и в углублениях, совпадают с монокристаллических эпитаксильных диодов, имеющих аналогичные значения удельного сопротивления и толщины и -областей.

Плотности обратного тока насыщения диодов, находящихся на возвышенных участках, и монокристаллических диодов одинаковы. Повышенные значения диодов, изготовленных в углублениях поверхности пленки и содержащих хаотически ориентированные кристаллиты, дают основание предположить, что в области границ зерен содержится большое количество рекомбинационных центров. С помощью температурных зависимостей рис. 5.4) определены соответствующие значения высоты барьеров для диодов, находящихся в углублениях, а для диодов, расположенных на возвышенных участках, Эти значения согласуются с предсказанными теоретически, а именно: и

Диодные характеристики солнечных элементов на основе тонких дендритных пленок кремния, получаемых на подложках из оксида алюминия [22], отличаются от ранее рассмотренных характеристик. Протекание темнового тока в этих элементах обусловлено процессами, происходящими в области пространственного заряда, причем ток изменяется пропорционально квадрату напряжения. Вероятно, важную роль в этих процессах играют глубокие примесные уровни.

5.4.3 Механизмы потерь

Как показывает проведенный выше анализ, характеристики тонкопленочных кремниевых солнечных элементов в значительной степени зависят от свойств границ зерен. Низкая эффективность собирания неосновных носителей заряда вследствие их интенсивной рекомбинации на границах зерен и невысокое качество -перехода являются двумя основными факторами, отрицательно влияющими на характеристики тонкопленочных поликристаллических солнечных элементов. К результатам оценочных расчетов некоторых авторов [23], определявших размер зерен, который обеспечивает достижение КПД выше 10%, следует относиться критически, поскольку на процесс переноса неосновных носителей заряда, помимо границ зерен, могут влиять глубокие примесные уровни, концентрация легирующей примеси, дефекты микроструктуры (например, дислокации и вакансии) и механические напряжения.

Кард и Хуанг [37] провели теоретическое исследование тонкопленочных кремниевых элементов с барьером Шоттки с учетом таких параметров, как концентрация легирующей примеси, размер зерен, разность потенциалов, возникающая на межзеренных границах, и плотность состояний на границах зерен. Кард и Янг [33] изучали влияние интенсивности излучения на высоту потенциального барьера на границах зерен.

Рис. 5.5. Теоретические зависимости относительного количества границ зерен, содержащих активные рекомбинационные центры, от напряжения смещения У, приложенного к элементу с барьером Шоттки, при различных размерах зерен: и ; зависимости эффективной диффузионной длины неосновных носителей заряда от размера зерен при различных напряжениях смещения [37]; сплошные линии соответствуют высоте потенциального барьера на границах зерен штриховые линии

Важный результат, полученный в ходе исследований этих элементов, состоит в том, что относительное количество границ зерен, содержащих активные рекомбинационные центры, зависит от напряжения смещения (см. рис. 5.5, а) [37]. На рис. 5.5, б показаны зависимости эффективной диффузионной длины неосновных носителей заряда от размера зерен при различных напряжениях смещения для двух значений разности потенциалов на границах зерен. Ву и др. [38] изготовили солнечные элементы с барьером Шоттки на основе алюминия и поликристаллического кремния и установили, что малоугловые границы зерен почти не влияют на вольт-амперные характеристики. Согласно измерениям, диодный коэффициент элементов, содержащих двойники и малоугловые границы зерен, равен 1,17. При наличии большеугловых границ зерен, на которых сосредоточены центры рекомбинации и ловушки, вольт-амперные и низкочастотные вольт-фарадные характеристики элементов существенно изменяются вследствие увеличения рекомбинационного тока и снижения эффективной подвижности носителей заряда.

Рекомбинационные процессы вызывают потери носителей заряда. Влияние микроструктуры и, следовательно, условий осаждения пленок на потери носителей изучено довольно подробно, тогда как детальных исследований потерь излучения

до сих пор не проводилось. Поскольку кремний относится к полупроводникам с непрямыми оптическими переходами и имеет низкий коэффициент поглощения, для достаточно полного использования света необходимы пленки большой толщины. В тонкопленочных кремниевых солнечных элементах толщиной 30... 50 мкм значительная доля поступающего излучения теряется вследствие недостаточного поглощения. Кроме того, имеются потери излучения, связанные с отражением, наличие которых также приводит к уменьшению тока короткого замыкания. На поверхность солнечных элементов, как правило, наносят просветляющие покрытия, однако нет уверенности в том, что они оптимальны для тонкопленочных элементов.