6.5 Солнечные элементы на основе гидрогенизированного аморфного кремния

Для изготовления солнечных элементов применяют пленки осаждаемые как в тлеющем разряде, так и с помощью высокочастотного ионного распыления. В настоящее время лучшие характеристики имеют элементы на основе пленок получаемых в тлеющем разряде [14, 37— 39]. Их КПД составляет тогда как при использовании пленок создаваемых методом ионного распыления, КПД солнечных элементов не превышает 2%. В предыдущих разделах отмечалось, что пленки, осаждаемые посредством ионного распыления, не обладают такими структурными и электронными свойствами, которые необходимы для изготовления высокоэффективных приборов. Однако проведенные недавно исследования гидрогенизированного аморфного кремния, получаемого методом ионного распыления при высоком парциальном давлении аргона [22, 24], показали, что, при определенных условиях осаждения образуются пленки, по своим структурным и электронным свойствам не уступающие выращиваемым в тлеющем разряде. Данные о характеристиках солнечных элементов на основе этих пленок еще не опубликованы.

Ретроспективный обзор результатов разработок солнечных элементов на основе выполнен несколькими авторами [37, 39, 42]. Мы же ограничимся рассмотрением характеристик современных солнечных элементов и исходя из существующих представлений о происходящих в них процессах проанализируем механизмы потерь энергии. Основная часть приведенных данных относится к элементам на основе пленок осаждаемых в тлеющем разряде.

(см. скан)

Рис. 6.8. Схемы конструкций солнечных элементов на основе а — структура с барьером Шоттки; б - структура металл — диэлектрик — полупроводник; -структура.

6.5.1 Конструкции элементов

В настоящее время КПД преобразования энергии более имеют аморфные солнечнее элементы трех типов. Схемы их конструкций изображены на рис. 6.8.

6.5.1.1 Элементы с барьером Шоттки

Солнечные элементы с барьером Шоттки (см. рис. 6.8, а), процесс изготовления которых наименее сложен, обычно применяются для исследовательских целей. Основным недостатком элементов этого типа является относительно низкое напряжение холостого хода (не превышающее 0,6 В). Один из возможных способов изготовления элементов с барьером Шоттки состоит в последовательном осаждении на молибденовую подложку тонкого слоя (толщиной легированного фосфором слоя нелегированного и нанесении методом вакуумного испарения пленки палладия толщиной около Наличие легированного слоя способствует улучшению фотоэлектрических и диодных характеристик элементов [39].

6.5.1.2 Элементы со структурой металл — диэлектрик — полупроводник

При создании солнечных элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (см. рис. 6.8, б) на поверхность нелегированного наносят тонкий слой диэлектрика

(толщиной ~2...3 нм), а затем осаждают пленку металла с большой работой выхода, подобного платине. Для того чтобы в полупроводниковый слой могло поступать достаточное количество света, металлическая пленка должна иметь малую толщину Просветляющее покрытие (например, слой толщиной позволяет снизить потери излучения на отражение [30].

6.5.1.3 Элементы с p-i-n-структурой

Разработаны две модификации конструкции солнечных элементов с -структурой (см. рис. 6.8, в), обеспечивающие хорошие фотоэлектрические характеристики. В первом случае используется стальная подложка, на которой создаются легированный бором слой толщиной слой нелегированного толщиной и легированный фосфором слой толщиной [39]. Изготовление элемента завершается осаждением на поверхность внешнего слоя имеющего проводимость -типа, пленки толщиной которая служит одновременно фронтальным контактом и просветляющим покрытием [39].

Солнечные элементы с -структурой второго типа [109] освещаются через стеклянную подложку, на которую нанесены слои и металлокерамики толщиной — соответственно. Металлокерамический слой служит хорошим электрическим контактом к тонкой (толщиной пленке -типа проводимости. Толщина нелегированного слоя составляет На поверхности внешнего слоя -типа толщиной создается тыльный контакт, который представляет собой пленку толщиной или двухслойную систему

6.5.2 Фотоэлектрические характеристики

КПД солнечных элементов с -структурой площадью на основе гидрогенизированного аморфного кремния, изготовленных в исследовательских лабораториях, фирмы [39], превышает 5%. Наиболее высокое напряжение холостого хода (0,91 В) получено у элементов со структурой второго типа, тогда как максимальные значения и плотности тока короткого замыкания в условиях имеют элементы со структурой первого типа, освещаемые со стороны верхнего слоя n-типа проводимости. Наибольшее значение коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики солнечных элементов с -структурой составляет около 0,61, а элементов с барьером Шоттки — 0,674.

Рис. 6.9. Спектральная зависимость коэффициента собирания носителей заряда в солнечном элементе на основе -структурой 1-го типа [39].

На рис. 6.9 показана кривая спектральной зависимости коэффициента собирания носителей заряда в солнечных элементах с -структурой первого типа. Наблюдаемое уменьшение коэффициента собирания в коротковолновой области вызвано главным образом потерями излучения вследствие его поглощения в верхнем легированном слое. Понижение чувствительности элементов в длинноволновой области связано с уменьшением коэффициента поглощения света в нелегированном Плотность тока короткого замыкания, рассчитанная с помощью данной спектральной характеристики, в условиях составляет Однако значение этой величины, измеряемое при солнечном освещении, из-за наличие рассеянного света, как правило, на выше расчетного.

Диодный коэффициент освещенных элементов с -структурой равен —1,1 [39], что свидетельствует о слабой рекомбинации носителей в области перехода. Аналогичное значение диодного коэффициента получено у солнечных элементов с барьером Шоттки [111]. Несмотря на то что световые характеристики элементов на основе близки к идеальным, их темновые вольт-амперные характеристики оказываются плохими. Эти результаты можно объяснить, предположив, что протекание тока обусловлено либо процессами в области пространственного заряда [5], либо эффектом Пуда — Френкеля

[39]. В некоторых случаях плохие выпрямляющие свойства элементов при отсутствии освещения могут быть связаны с релаксацией проводимости в полупроводнике [112]. Следует отметить, что у солнечных элементов всех типов на основе как и у элементов со структурой наблюдается пересечение темновых и световых вольт-амперных характеристик.

В современных солнечных элементах с -структурой, у которых почти весь полупроводниковый слой обеднен носителями заряда, напряженность электрического поля в нелегированной области в режиме короткого замыкания составляет [39, 113].

В настоящее время у элементов площадью со структурой металл — диэлектрик — полупроводник на основе пленок осаждаемых в тлеющем разряде [14], в условиях достигнут КПД около 6,3%. В конструкцию элементов данного типа обычно входят: высокопроводящая пленка аморфного кремния -типа проводимости толщиной нанесенная на поверхность отражающего слоя молибдена, который служит тыльным контактом; фотоактивный слой нелегированного толщиной (для этого слоя характерны относительно низкая плотность локализованных состояний [6], а в рабочем режиме — небольшое последовательное сопротивление, поскольку в условиях его удельная фотопроводимость составляет слой диэлектрика толщиной пленка сплава (10%) толщиной — на основе металлов с большой работой выхода и просветляющее покрытие из толщиной которое является верхним слоем элемента.

Световая вольт-амперная характеристика солнечного элемента со структурой металл — диэлектрик — полупроводник, измеренная при интенсивности излучения показана на рис. 6.10. Этот элемент имеет следующие выходные характеристики: Возможности усовершенствования солнечных элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник связаны с оптимизацией параметров просветляющего покрытия (которое должно обеспечить минимальные потери излучения на отражение в спектральном диапазоне от ультрафиолетовой области до контактов, а также значений толщины слоя собственного аморфного кремния и -слоя [6].

Коэффициент выпрямления, найденный из темновых вольт-амперных характеристик элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник, при напряжении 0,5 В составляет —105. Диодный коэффициент равен 1,12, и его отклонение от значения, свойственного идеальному диоду вызвано наличием оксидного слоя [114]. Анализ темновых характеристик, основанный на предположении о существовании диффузионного

Рис. 6.10. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента на основе со структурой металл — диэлектрик — полупроводник площадь элемента интенсивность излучения

механизма протекания тока, показывает, что измеренному значению плотности обратного тока насыщения соответствует высота барьера [6]. Такое же значение получено исходя из температурной зависимости Диодный коэффициент освещенных элементов не изменяется при вариациях температуры в интервале 180... 300 К, и его значение равно единице.

Согласно данным Уилсона и др. [15], солнечные элементы на основе со структурой металл — диэлектрик — полупроводник, у которых на пленку аморфного материала нанесены слои при освещении имитатором солнечного излучения (интенсивность света — имеют КПД 4,8%. Основная часть пленки (общей толщиной — представляет собой нелегированный полупроводник, и лишь тонкий слой прилегающий к стальной подложке, обладает проводимостью -типа, что обеспечивает омический контакт. Солнечные элементы не снабжены просветляющими покрытиями; если же учесть эффект просветления, то их КПД составит 6,3%. При коэффициенте пропускания металлических контактов, равном 50%, и площади элементов — в условиях получены следующие выходные характеристики: Как показали выполненные Уилсоном и др. [16] исследования диодов с барьером Шоттки, носители, генерируемые вне области пространственного заряда, фактически не достигают перехода, что обусловливает необходимость создания тянущего электрического поля. При высокой температуре осаждения пленок чувствительность элементов в длинноволновой области возрастает, однако при этом ухудшаются их диодные характеристики.

Рис. 6.11. Зависимости плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечного элемента с барьером Шоттки на основе от температуры подложки при осаждении пленки [37].

Солнечные элементы обладают высокой эффективностью лишь в том случае, если пленка осаждается на подложку, нагретую дб температуры . В предыдущих разделах при обсуждении свойств пленок отмечалось, что именно при этих значениях температуры подложки концентрация дефектов минимальна. Зависимости плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечных элементов с барьером Шоттки, в которых используется платиновый металлический контакт, от температуры подложки приведены на рис. 6.11. Возрастание при повышении обусловлено увеличением оптической ширины запрещенной зоны коэффициента поглощения света и времени жизни носителей заряда. Повышение сопровождается понижением что является следствием уменьшения высоты барьера при увеличении Температурные зависимости напряжения холостого хода солнечных элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник и носят более сложный характер.

(см. скан)

Данные, представленные в табл. 6.4 [37], позволяют оценить степень влияния различных примесей на фотоэлектрические характеристики солнечных элементов на основе . В пленках получаемых в тлеющем разряде, содержится большое количество примесей, обычно присутствующих в камере, где осуществляется осаждение. Однако многие виды примесей, несмотря на их высокую концентрацию в пленках, незначительно ухудшают фотоэлектрические характеристики приборов. Тем не менее отрицательное влияние некоторых из них, например оказывается очень существенным. Кроме того, плохие характеристики имеют элементы на основе пленок, осаждаемых из смеси

В исследовательских лабораториях фирмы изготовлены крупные солнечные элементы (площадью которых превышает 3% [25]. КПД элементов площадью создаваемых японскими фирмами и составляет 5... 6%. В табл. 6.5 приведены характеристики солнечных элементов на основе изготовляемых различными методами.

6.5.3 Механизмы потерь

В данном разделе основное внимание уделяется характеристикам солнечных элементов с -структурой, однако результаты проведенного анализа в большинстве случаев справедливы и для других типов элементов на основе

В первых исследованиях солнечных элементов с барьером Шоттки [30, 31] было установлено, что низкая эффективность приборов связана главным образом с малой диффузионной длиной неосновных носителей заряда, которая в нелегированном составляет [39, 115]. Согласно оценочным расчетам, время жизни дырок в таком материале равно — а время жизни электронов [39]. Данные, недавно полученные Силлом и др. (см. работу Карлсона [39]), свидетельствуют о том, что плотностям тока соответствуют значения времени жизни дырок в пределах однако другими авторами [39] приводятся более высокие значения этого параметра

Отрицательное влияние на время жизни носителей могут оказывать дефекты нескольких типов. Источниками центров рекомбинации в служат ненасыщенные связи (образующиеся в результате экзодиффузии водорода) [116], полимерные цепочки или группы [80] и некоторые примеси, такие, как кислород, азот и фосфор [39]. В солнечных элементах с -структурой, имеющих концентрация атомов кислорода, как правило, составляет углерода — азота — (при содержании водорода 10... 14%).

(см. скан)

(см. скан)

Характеристики солнечных элементов на основе также ухудшаются под влиянием излучательной рекомбинации носителей заряда [117, 118]. В материалах с низкой подвижностью носителей интенсивность этого процесса возрастает вследствие значительного взаимного притяжения фотоге-нерированных электронов и дырок под действием кулоновских сил. Расчеты показывают, что в результате излучательной рекомбинации носителей заряда, генерируемых светом с длиной волны их потери в квазинейтральной области составляют 56%. При наличии электрического поля напряженностью В/см величина потерь этого вида снижается примерно до 30%. Потери носителей заряда, вызываемые излучательной рекомбинацией, уменьшаются также и при увеличении энергии фотонов, поскольку фотогенерированным носителям, обладающим более высокой начальной кинетической энергией, легче преодолеть кулоновское притяжение. Как показывают экспериментальные исследования, интенсивность излучательной рекомбинации в зависит от концентрации дефектов, поэтому в высококачественных пленках ее влияние может оказаться незначительным. Полагают, что потери тока короткого замыкания, связанные с излучательной рекомбинацией носителей, не превышают

Независимо от характера рекомбинационных процессов, протекающих в пленках эффективность солнечных элементов определяется в основном параметрами электрического поля в области пространственного заряда [31]. В высокоэффективных элементах на основе со структурой металл — диэлектрик — полупроводник и -структурой почти весь нелегированный слой обеднен носителями заряда. Анализ модели солнечного элемента с -структурой [39] показывает, что диффузионной длине дырок которая под действием поля (при нулевом напряжении смещения) возрастает до 3,5 мкм, соответствует коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики —0,6.

Основываясь на результатах моделирования численными методами элементов с -структурой, Свартц [119] приходит к выводу о том, что их характеристики в значительной степени зависят от качества слоев, содержащих легирующие примеси. Легирование пленок приводит к увеличению концентрации дефектов — это было установлено многими исследователями [5, 35, 39, 120, 121]. При оптимальных концентрациях примесей в солнечных элементах с -структурой (в этом случае при осаждении -слоя в добавляют 0,01 объемную долю а при нанесении -слоя — объемных доли [30, 31]) время жизни неосновных носителей заряда в легированных пленках имеет очень низкие значения, поэтому данные пленки, хотя и поглощают излучение, но не участвуют

Рис. 6.12. а) Спектральные зависимости коэффициента собирания носителей заряда в солнечных элементах на основе -структурой при толщине верхнего легированного слоя -типа, равной Зависимости плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечного элемента на основе -структурой от толщины -слоя [39]; элемент освещен со стороны -слоя.

в собирании носителей [110]. Влияние толщины верхнего легированного слоя -типа проводимости на коэффициент собирания носителей иллюстрирует рис. 6.12, а [122]. Отчетливо видно, что чувствительность элементов в коротковолновой области спектра существенно изменяется при вариациях толщины этого слоя. Поскольку в коэффициент поглощения света с длиной волны равен — высокая эффективность собирания носителей в коротковолновой области может быть достигнута при толщине верхнего слоя менее 10 нм.

На рис. 6.12, б показаны кривые зависимостей плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечного элемента с -структурой от толщины -слоя, через который свет поступает в элемент При увеличении толщины -слоя понижается вследствие уменьшения коэффициента собирания носителей в коротковолновой области, возрастание же при малых значениях его толщины вызвано повышением напряженности встроенного поля, о чем свидетельствует резкое увеличение

Несмотря на то что оптическая ширина запрещенной зоны нелегированного равна значения диффузионного потенциала в солнечных элементах с -структурой составляют лишь Согласно результатам измерений электрических характеристик, в легированных фосфором пленках уровень Ферми расположен на ниже зоны проводимости [124], тогда как в образцах, легированных бором,— на выше валентной зоны [121]. По мере приближения уровней Ферми к краям соответствующих зон величина возрастает. В связи с этим важное значение имеет сообщение о создании высокопроводящих пленок (с удельной проводимостью не менее которых уровень Ферми отстоит от зоны проводимости на 0,05 эВ [6]. Некоторыми исследователями [25] получены высокопроводящие пленки и -типа, которые так же, как и пленки имеют микрокристаллическую структуру (размер зерен равен

Повышение удельной проводимости легированных пленок (при низкой концентрации дефектов) позволило бы уменьшить контактное сопротивление в элементах с -структурой, которое обычно составляет и благодаря этому увеличить коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики.

Поскольку в очень тонком (толщиной верхнем легированном слое элементов свободные носители заряда практически отсутствуют, наличие поверхностных состояний на границе раздела пленки и легированного слоя может привести к уменьшению диффузионного потенциала. Кроме того, если на границе раздела образуется высокоомный слой оксида, то происходящее при этом увеличение последовательного сопротивления элемента сопровождается снижением коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики.

6.5.4 Стабильность элементов

Полагают, что солнечные элементы на основе обладают относительно высокой стабильностью. Деградацию характеристик, которая наблюдалась у некоторых элементов

с барьером Шоттки и структурой металл — диэлектрик — полупроводник при воздействии влаги, можно предотвратить с помощью соответствующих герметизирующих покрытий [108]. Сообщалось, однако, что под влиянием термообработки в течение при температуре 350° С или продолжительного воздействия солнечного излучения свойства пленок в отдельных случаях изменяются [39, 99, 108] и характеристики элементов деградируют. Как показали результаты недавно проведенных исследований, ухудшение характеристик высокоэффективных солнечных элементов очень существенно.