7.7 Селенид меди и индия (CuInSe2)

Селенид меди и индия обладает чрезвычайно благоприятными свойствами как материал для создания фотоэлектрических преобразователей с гетеропереходом. Поглощение света в этом полупроводнике сопровождается прямыми оптическими переходами, что позволяет ввести менее жесткие требования к величине диффузионной длины неосновных носителей заряда. легко получить в виде пленок как так и -типов проводимости, поэтому на основе данного материала могут быть созданы элементы с гомогенным и гетерогенным переходами. Ширина запрещенной зоны близка к оптимальной для преобразования солнечного излучения в наземных условиях. Поскольку степень несоответствия параметров кристаллических решеток (структура халькопирита) и (гексагональная структура) составляет лишь 1,2%, образуют идеальный гетеропереход. Значения энергий сродства к электрону этих материалов приблизительно равны между собой, поэтому на границе раздела отсутствует пик в зоне проводимости.

Возможность получения высокоэффективных приборов на основе гетероперехода реализована при создании монокристаллических элементов [48—50]. При интенсивности излучения солнечных элементов площадью составляет 12%, При изготовлении элементов на химически полированную монокристаллическую подложку из наносят слой толщиной с использованием коаксиального изотермического двухкамерного испарителя, содержащего Осаждение осуществляют со скоростью около 0,15 мкм/мин при температуре испарителя 350°С и температуре подложки в пределах Просветляющим покрытием служит получаемый методом вакуумного испарения слой . В интервале длин волн 0,55. ..1,25 мкм спектральное распределение коэффициента собирания однородно и его значения составляют 0,7.. .0,8. Границы спектрального диапазона чувствительности элементов в коротковолновой и длинноволновой областях соответствуют краям поглощения Солнечные элементы большей площади обладают пониженным поскольку из-за наличия микротрещин в кристаллах напряжение холостого хода уменьшается.

После того как были получены пленки селенида меди и индия [51, 52], появилась возможность создания исключительно

методом вакуумного испарения тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом Рассмотрим эти элементы более подробно.

7.7.1, Процесс изготовления

На основе создают тонкопленочные солнечные элементы на металлизированных подложках фрон-тально-барьерной (элемент освещается со стороны слоя или тыльно-барьерной (освещение со стороны CdS) конструкций [53]. При изготовлении фронтально-барьерного элемента слой толщиной 6...8 мкм наносят методом вакуумного испарения на подложку, нагретую до температуры 500 К. Образец извлекают из вакуумной камеры, и поверхность подвергают кратковременному травлению в 10 %-ном растворе Затем при температуре подложки 525 К с помощью вакуумного испарения (применяется испаритель, состоящий из двух лодочек, наполняемых выращивают тонкий (толщиной слой Регулируя количество испаряемого селена, изменяют тип проводимости пленок. Травление в необходимо для сенсибилизации структуры. Размер зерен в пленках обоих полупроводников составляет Другой способ изготовления элементов заключается в том, что все входящие в их состав слои осаждают методом вакуумного испарения в едином цикле, без разгерметизации системы. При создании тыльно-барьерных элементов пленку наносят на подложку с покрытием из золота непосредственно перед получением слоя (толщиной 5...6 мкм). Концентрация носителей заряда в пленках составляет Преимущественное направление роста пленок совпадает с направлением при этом ось структуры перпендикулярна плоскости подложки. Верхний сетчатый контакт создают из на поверхности (в тыльно-барьерном элементе) или из пасты на основе на поверхности (во фронтально-барьерном элементе). Готовые солнечные элементы отжигают при температуре 450 К и давлении Па в течение мин. Их КПД не превышает 5,7 %.

Недавно Балдхаупт и др. [54] сообщили о создании тыльно-барьерных солнечных элементов (с просветляющим покрытием) площадью на основе с переменным уровнем легирования, КПД которых в условиях достигает 9,53%. Схема конструкции элемента такого типа изображена на рис. 7.4. На подложку из оксида алюминия, покрытую слоем молибдена, методом вакуумного испарения (с использованием трех источников — наносят обогащенный медью слой

Рис. 7.4. Схема конструкции высокоэффективного тонкопленочного солнечного элемента на основе с переменным уровнем легирования [54].

При осаждении пленки легирующей примесью служит индий. Верхний контакт представляет собой алюминиевую сетку. В качестве просветляющего покрытия применяется пленка Термообработка элементов осуществляется при температуре 200°С в атмосфере водорода и аргона.

Тонкопленочные солнечные элементы на основе изготовляют также и методом пульверизации с последующим пиролизом [55] или посредством ионного распыления в сочетании с вакуумным испарением [56]. КПД этих элементов, как правило, не превышает 2 %.

7.7.2 Фотоэлектрические характеристики

Вольт-амперная характеристика высокоэффективного тонкопленочного солнечного элемента тыльно-барьерной конструкции площадью на основе с просветляющим покрытием показана на рис. 7.5. При освещении имитатором солнечного излучения, воспроизводящим условия (интенсивность света — солнечные элементы имеют следующие выходные параметры: при отсутствии просветляющего покрытия при использовании просветляющего покрытия из

Казмерски и др. [53] получили фронтально-барьерные элементы на основе (в едином технологическом цикле) с КПД 4,4 %. Солнечные элементы, у которых слой подвергается химическому травлению, имеют более низкий КПД (2,46%), вероятно, вследствие повышенного последовательного сопротивления, обусловленного загрязнением поверхности (и появлением на ней уровней энергетических состояний) в процессе травления и выдержки на воздухе. При интенсивности излучения выходные параметры солнечных

элементов площадью равны: изготовлении в едином цикле) и осуществлении травления слоя Тыльно-барьерные элементы обладают повышенной эффективностью (их КПД составляет при благодаря более полному поглощению света при наличии окна из и лучшим характеристикам перехода. Кроме того, как показывают результаты исследований (методом оже-спектроскопии) химического состава, элементы тыльно-барьерной конструкции имеют более резкий переход [57]. У элементов, подвергавшихся химическому травлению, на границе раздела обнаружен слой оксида.

На рис. 7.6 изображена кривая спектральной зависимости коэффициента собирания носителей заряда в тонкопленочном солнечном элементе на основе с переменным уровнем легирования, имеющем КПД 9,53 % [54]. Коэффициент собирания имеет высокие (более 0,85) и почти одинаковые значения в интервале длин волн (вся область чувствительности элемента охватывает диапазон Спектральное распределение коэффициента собирания носителей в элементе с КПД 5,7 %, изготовленном Казмерски и др. [54], однородно при однако значения в этой области существенно ниже

Рис. 7.5. Вольт-амперная характеристика тонкопленочного солнечного элемента на основе с переменным уровнем легирования, измеренная в условиях при интенсивности излучения [54].

Рис. 7.6. Кривая спектральной зависимости коэффициента собирания носителей заряда в тонкопленочном солнечном элементе на основе [54].

Балдхаупт и др. [54] подробно изучили влияние термообработки, осуществляемой при температуре и различном составе атмосферы, на характеристики элементов. Авторы отмечают, что в результате отжига ток короткого замыкания возрастает независимо от состава окружающей среды, в то время как напряжение холостого хода и коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики увеличиваются при термообработке в смеси водорода с аргоном или на воздухе и понижаются при отжиге в чистом водороде или вакууме.

Казмерски и др. [57] исследовали методом оже-спектроскопии тонкопленочные солнечные элементы на основе изготовленные в едином технологическом цикле и подвергнутые термообработке продолжительностью при температуре 600 К. Авторы установили, что кадмий диффундирует из в пленку трехкомпонентного соединения Энергия активации этого процесса равна а коэффициент диффузии атомов кадмия составляет При температурах, не превышающих 575 К, диффузия меди в почти не наблюдается. Поскольку при низких температурах существует в виде единственной фазы, а атомы меди, находящиеся в кристаллической решетке халькопирита, прочно связаны с другими атомами, элементы на основе. должны обладать большей стабильностью, чем приборы со структурой [53]. Всесторонних испытаний солнечных элементов на основе не проводилось, однако, учитывая, что за период, равный нескольким неделям, их напряжение холостого хода и ток короткого замыкания уменьшаются незначительно, можно предположить, что эти элементы относительно стабильны.

Свойства переходов в солнечных элементах на основе подробно не изучались. Согласно имеющимся данным [53], ток, проходящий в прямом направлении, связан с напряжением экспоненциальной зависимостью, а диодный коэффициент равен что свидетельствует о преобладании рекомбинационно-генерационного механизма дротекания тока. Балдхаупт и др. выполнили анализ потерь энергии в высокоэффективных элементах с переменным уровнем легирования. Авторы установили, что последовательное сопротивление элементов составляет 1,2 Ом, шунтирующее сопротивление Ом, плотность обратного тока насыщения — и диодный коэффициент - 1,3. По их мнению, уменьшение последовательного сопротивления до 0,5 Ом позволит повысить КПД до 10,6%. Исследована возможность создания солнечных элементов данного типа, содержащих слои вместо . У тонкопленочных элементов со структурой площадью получен КПД 10% [58].

В заключение следует отметить, что разработано несколько новых трех-, четырех- и пятикомпонентных соединений меди, предназначенных для изготовления солнечных элементов. Фотоэффект обнаружен в тонкопленочных структурах с гетеропереходами созданных методом вакуумного испарения [45]. У элементов на основе достигает 2,55%. Тонкопленочные солнечные элементы на основе полученные с помощью вакуумного испарения в сочетании с ионным распылением, имеют При использовании крупнозернистых керамических пленок Методом пульверизации с последующим пиролизом созданы четырех- и пятиком-понентные сплавы которые согласуются с по параметрам кристаллических решеток и значениям ширины запрещенной зоны. Однако солнечные элементы на основе этих материалов еще не изготовлены.