7.3 Теллурид кадмия (CdTe)

Теллурид кадмия имеет благоприятную для эффективного преобразования солнечного излучения ширину запрещенной зоны (1,44 эВ) и относится к полупроводникам с прямыми оптическими переходами. Он является одним из немногих соединений элементов II — VI групп периодической системы, которые могут обладать проводимостью как так и -типов. Предельный теоретический КПД элементов с гетеропереходом составляет около 17 %.

Вследствие этого интерес к теллуриду кадмия не ослабевает. Солнечные элементы, в которых применяется в качестве фотоактивного слоя, можно разделить на три группы: 1) элементы, изготовляемые на массивных подложках из моно- или поликристаллического теллурида кадмия, с гомопереходом [15, 16] или гетеропереходом, образующимся при наличии окна из или элементы с гетеропереходом на основе монокристаллических подложек из или и эпитаксиального слоя тонкопленочные элементы с гетеропереходами а также гомогенным переходом в Массивные солнечные элементы на основе относящиеся к первой группе, обладают наилучшими характеристиками. Элементы второй группы, в которых применяются пленки осаждаемые на монокристаллические подложки, имеют довольно высокую стоимость, однако, поскольку они являются связующим звеном между массивными и тонкопленочными элементами, изучение их характеристик представляет значительный интерес. Для широкомасштабного применения подходят элементы лишь третьей группы. Они и будут наиболее подробно рассмотрены в данном разделе.

У солнечных элементов с гетеропереходом изготовляемых посредством эпитаксиального осаждения из паровой фазы на пластины [19], в настоящее время получен наиболее высокий равный в условиях (интенсивность излучения — при Если определить их КПД по отношению к активной поверхности, то его значение составит 11,7%. У солнечных элементов, создаваемых на подложках из с помощью вакуумного испарения [18], КПД (рассчитанный по отношению к активной поверхности) равен 7,9 7а при Элементы с гетеропереходом которых слой наносится методом ионного распыления [22], имеют КПД до 8 % при Спектральная область чувствительности элементов со структурой изготовляемых методом осаждения из паровой фазы [19], ограничена значениями длины волны 0,52 и 0,86 мкм, причем в диапазоне 0,58... 0,81 мкм кривая чувствительности имеет плоскую форму. Спектральные положения коротковолновой и длинноволновой границ области чувствительности определяются значениями ширины запрещенных зон соответственно и не зависят от напряжения смещения, которое влияет на эффективность собирания носителей заряда и, следовательно, на фототок. Другая интересная особенность этих элементов состоит в том, что разделяющий носители заряда

электронно-дырочный переход формируется не на границе раздела а в глубине слоя на расстоянии от его поверхности, равном нескольким микрометрам, что связано с образованием слоя в результате диффузии индия из Аналогично в элементах со структурой истинный переход располагается внутри кристалла а не на границе раздела поскольку в процессе ионного распыления образуется слой -типа проводимости.

При изготовлении структур пленки наносят на пластины методом пульверизации с последующим пиролизом [18]. Элементы такого типа имеют напряжения холостого хода соответственно 0,74 и 0,80 В, а их КПД равны 6,0 и Солнечные элементы с гомогенным переходом в обладают очень низким КПД, составляющим 3,25% при

Солнечные элементы с гетеропереходом при создании которых эпитаксиальный слой осаждается на монокристаллическую подложку из (служащую оптическим окном) газотранспортным методом в квазизамкнутом объеме, имеют напряжение холостого хода 0,61 В, коэффициент собирания носителей 0,85 и КПД 4,0%.

Далее будут рассмотрены процесс изготовления и фотоэлектрические характеристики различных тонкопленочных солнечных элементов на основе

7.3.1 Процесс изготовления

Тонкопленочные солнечные элементы на основе создают с помощью различных методов в следующих сочетаниях: трафаретная печать и окунание [26, 27], газотранспортное осаждение и окунание [28], обычное вакуумное и дискретное испарения [30], вакуумное испарение и окунание [31], а также осаждение из паровой фазы и вакуумное испарение [32] (во всех случаях метод, названный первым, применяется для осаждения слоя тогда как второй метод используется для получения другого полупроводникового слоя, образующего гетеропереход). Наиболее высоким обладают элементы с гетеропереходом на основе структуры стекло [27], изготовляемые методом трафаретной печати в сочетании с окунанием. Рассмотрим процесс их получения более подробно.

Схема поперечного сечения солнечного элемента, создаваемого печатным методом, изображена на рис. 7.1, а. Подложкой служит пластина боросиликатного стекла (марки покрытая прозрачным проводящим слоем . С использованием пасты, состоящей из и пропиленгликоля, методом трафаретной печати в атмосфере

Рис. 7.1. (см. скан) Конструкция и характеристики солнечных элементов на основе изготовляемых методом трафаретной печати [37]. а) схематическое изображение поперечного сечения элемента; б) темновая и световая (2) вольт-амперные характеристики элемента площадью (интенсивность изучения в условиях кривая зависимости коэффициента собирания носителей заряда от длины волны света

азота при температуре около на подложку наносят пленку толщиной с удельным сопротивлением . Далее таким же способом в атмосфере азота при температуре применяя пасту на основе легированного индием, и пропиленгликоля, получают слой толщиной 10 мкм с удельным сопротивлением . Погружая образец на несколько секунд в горячий раствор, содержащий ионы меди, в поверхностной области с помощью реакции замещения формируют слой . И наконец, элементы отжигают при температуре в течение 10 мин, а затем для получения контакта к слою печатным методом наносят пасту на основе а на поверхности создают паяный контакт из сплава . В изготовляемых в настоящее время солнечных элементах размером 4X4 см, которые впоследствии используются для сборки модулей мощностью 1 Вт (каждый модуль состоит из 25 единичных элементов), пленку из дорогостоящего материала заменяют слоем с низким удельным сопротивлением, а пленку более стабильным контактным слоем из графита (эти слои получают печатным методом). Кроме того, вместо создают нелегированный сравнительно высокоомный слой поскольку в такой структуре фотоэффект наблюдается не на переходе а на границе раздела

7.3.2 Фотоэлектрические характеристики

Первые тонкопленочные элементы с гомогенным переходом в изготовленные Водаковым и др. [33], при облучении солнечным светом обладали Дальнейшие разработки [29] привели к повышению КПД до (при интенсивности излучения и получению Солнечные элементы с гетеропереходом созданные Кузано [28], имели (при использовании монокристаллического теллурида кадмия) и (при нанесении тонкой пленки Для тонкопленочных элементов характерны более высокие значения однако составляет а (у монокристаллических элементов и КПД равен Крупные тонкопленочные солнечные элементы (площадью имеют еще более низкие значения что обусловлено большим последовательным сопротивлением, уменьшающим коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики. У тонкопленочных солнечных элементов со структурой изготовленных Джасти и др. [31], получены Большое последовательное и малое шунтирующее сопротивления вызывают снижение . У разработанных Бонне и Рабенхорстом [32] термостойких тонкопленочных солнечных элементов на основе (стабильных при температурах, достигающих при интенсивности излучения

Вольт-амперные характеристики рассмотренных в разд. 7.3.1 тонкопленочных солнечных элементов на основе создаваемых методом трафаретной печати, изображены на рис. 7.1, б. У элементов малой площади при интенсивности излучения получены следующие значения выходных параметров: Аналогичные элементы площадью при замене пленки контактным слоем графйта имеют [26]. Модуль мощностью состоящий из таких элементов, при интенсивности излучения обладает следующими параметрами:

Спектральная характеристика чувствительности тонкопленочного солнечного элемента на основе изготовленного печатным методом, с контактом из показана на рис. 7.1, в. Кривая имеет четко выраженные области спада, соответствующие краям оптического поглощения (слой нефотоактивен). Аналогичные характеристики получены Кузано [28] при исследовании тонкопленочных элементов со структурой

В неопубликованных данных фирмы Ксаксодержится

информация о создании методом газотранспортного осаждения в квазизамкнутом объеме тонкопленочных солнечных элементов на основе

Рис. 7.2. Профили распределения концентрации теллура (1) и серы (2) в тонкопленочном солнечном элементе на основе после термообработки в оптимальном режиме, определенные методом рентгеновского микроанализа (масштаб кривой 2 по оси ординат уменьшен в 3 раза); штриховая линия — кривая распределения тока, наведенного электронным лучом, по толщине элемента [26].

7.3.3 Анализ характеристик перехода

Тонкопленочные солнечные элементы со структурой изготовленные Кузано [28], обладают плохими выпрямляющими свойствами: их диодный коэффициент составляет —2,7, а коэффициент выпрямления — лишь Диодные характеристики элементов на основе пленок создаваемых методом трафаретной печати, не изучались. Однако некоторые сведения о расположении перехода и его электронных свойствах можно получить из результатов исследования элементов методом рентгеновского микроанализа и измерения тока, наведенного электронным лучом. На рис. 7.2 изображены профили распределения концентрации теллура и серы в солнечном элементе на основе полученном печатным методом и подвергнутом термообработке, определенные методом рентгеновского микроанализа, а также кривая распределения по толщине элемента величины тока, наведенного электронным лучом [26]. Накаяма и др. [26], анализируя данные измерений тока, наведенного электронным лучом, приходят к выводу о том, что при оптимальном режиме термообработки электронно-дырочный переход у высокоэффективных элементов располагается на границе раздела так как в результате диффузии меди из образуется слой При очень жестком режиме термообработки элементов медь проникает также и в слой что приводит к увеличению последовательного сопротивления и ухудшению выходных характеристик. При наличии у элементов со структурой изготовляемых печатным методом, слоя графита термообработка не вызывает интенсивной диффузии акцепторной примеси в тогда как

вследствие диффузии меди в на ранее фотоэлектрически неактивной границе раздела образуется разделяющий носители заряда электронно-дырочный переход Благодаря тому что слой графита препятствует проникновению акцепторной примеси в элементы обладают более высокой стабильностью.

Фотоэлектрические приборы на основе тонких пленок изучены недостаточно глубоко. Солнечные элементы со структурами создаваемые на монокристаллических подложках из методом газотранспортного осаждения в квазизамкнутом объеме, при интенсивности излучения имеют напряжения холостого хода, равные соответственно 0,61 и 0,56 В, и плотности токов короткого замыкания — 0,75 и [25]. На монокристаллических подложках из посредством вакуумного испарения изготовлены элементы с гетеропереходом которых при интенсивности света [34]. Электрические и фотоэлектрические свойства перехода определяются соответствующими свойствами исходного кремния.

На основе создают тонкопленочные солнечные элементы на стеклянных подложках как фронтально-барьерной, так и тыльно-барьерной конструкций [35]. При изготовлении тыльно-барьерных элементов на стеклянную пластину наносят методом вакуумного испарения пленки (толщиной 0,3 и 0,5 мкм соответственно), образующие контактную сетку, слой сульфида кадмия (беспримесного или легированного индием) толщиной 10 мкм, слой толщиной и пленку толщиной 0,5 мкм, которая служит тыльным контактом. У элементов с нелегированным слоем в условиях Полагают, что при уменьшении удельного сопротивления слоя повысится напряжение холостого хода, а в результате оптимизации химического состава увеличится ток короткого замыкания. Низкие значения обусловлены большим контактным сопротивлением границы раздела металла с

Благодаря усовершенствованию [41] процесса изготовления тонкопленочных элементов на основе в условиях получены следующие выходные параметры: Установлено, что осаждение на подложки, нагретые до невысокой температуры и создание рельефа на поверхности пленки (путем ее травления в перед осаждением способствуют улучшению характеристик элементов.

Тонкопленочные солнечные элементы со структурой металл— диэлектрик — полупроводник на основе получают посредством осаждения методом вакуумного испарения на стеклянную подложку (с покрытием из хрома толщиной при температуре 425 °С слоя толщиной 2 мкм со скоростью Слой имеет поликристаллическую структуру с осью с, ориентированной перпендикулярно подложке. Состав пленок приближается к стехиометрическому; концентрация носителей заряда равна а значения их подвижности заключены в пределах Затем на поверхность с помощью вакуумного испарения наносят тонкий (толщиной 4... 5 нм) слой диэлектрика или и осаждают пленку золота толщиной 20 нм, оптический коэффициент пропускания которой составляет Готовый образец подвергают термообработке продолжительностью 10... 30 мин в атмосфере азота при температуре ниже 200 °С.

КПД тонкопленочных солнечных элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник на основе превышает 5%, при этом (интенсивность излучения Существенное влияние на спектральную характеристику чувствительности элементов оказывает отражение излучения от металлического слоя. При указанной толщине пленки золота минимум коэффициента отражения и максимум на кривой спектральной чувствительности соответствуют длине волны света При использовании просветляющего покрытия форма кривой значительно изменяется. Коэффициент собирания носителей заряда в коротковолновой части спектра выше, чем в длинноволновой, что свидетельствует о низкой концентрации рекомбинационных центров в области перехода и о малой диффузионной длине носителей внутри пленки Расширение области пространственного заряда за счет изменения профиля концентрации легирующей примеси, по-видимому, позволит повысить эффективность собирания носителей.

Согласно результатам измерений вольт-фарадных характеристик, диффузионный потенциал равен 0,75 В. Полагают, что его значение должно увеличиться при повышении уровня легирования. Однако легирование пленок кадмием приводит к сужению области пространственного заряда и, следовательно, уменьшению коэффициента собирания носителей. При осуществлении диффузии селена для компенсации в поверхностном слое донорных уровней, связанных с присутствием кадмия, напряжение холостого хода повышается до 0,7 В. Из вольт-амперных характеристик найдены следующие значения параметров перехода: диодный коэффициент плотность обратного тока насыщения и высота барьера

При оптической ширине запрещенной зоны селенида кадмия, равной 1,7 эВ, напряжение холостого хода солнечных элементов на его основе может составить Для увеличения необходимо повысить уровень легирования. Если же, помимо этого, с помощью просветляющего покрытия уменьшить потери излучения на отражение, а за счет увеличения диффузионной длины неосновных носителей заряда повысить коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, то можно ожидать возрастания КПД элементов этого типа до

Гарсиа и Томар [37] изготовили на стеклянных подложках, покрытых слоем цинка, тонкопленочные солнечные элементы со структурой Пленка толщиной наносилась на подложку при температуре 425 К методом вакуумного испарения при давлении Па. На поверхности выращивался слой толщиной 3...7 мкм. Совместно с осаждались соответственно. С помощью вакуумного испарения напылялась верхняя контактная сетка из индия. При интенсивности излучения солнечные элементы имели -1,5%.