Главная > Разное > Тонкопленочные солнечные элементы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

4.4 Фотоэлектрические характеристики

В данной разделе будут приведены типичные рабочие характеристики тонкопленочных солнечных элементов на основе изготовляемых различными методами, а в следующем разделё мы рассмотрим влияние некоторых технологических процессов и свойств материалов на параметры этих элементов.

4.4.1 Вольт-амперные характеристики

В настоящее время наиболее эффективными являются тонкопленочные солнечнее Элементы с просветляющим пкрытием,

(см. скан)

Рис. 4.5. Вольт-амперные характеристики высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов на основе изготовленных методом испарения в сочетании с мокрымхимическим процессом [6, 7]; а — площадь элемента интенсивность излучения

У тонкопленочных солнечных элементов на основе площадью получаемых посредством окунания слоя осажденного методом испарения [6, 8], и снабженных просветляющим покрытием, в естественных условиях при интенсивности света которому отвечают Приведенные вышё результаты для солнечных элементов со структурами получены Холлом и др. [6-8] в университете шт. Дедавэр. На рис. 4.5 изображены вольтамперные характеристики высокоэффективных фронтально-барьерных тонкопленочных солнечных элементов на основе с просветляющим покрытием и отражающим контактом, изготовленных с помощью вакуумного испарения и мокрого химического процесса.

Тыльно-барьерные элементы, создаваемые в лаборатории авторов при использовании вакуумного испарения и проведении химической реакции в твердой фазе, обладают высоким током короткого замыкания и КПД-18]. Однако установлено, что в этих элементах дополнительный вклад в дают участки поверхности, находящиеся за пределами активной площади. Вследствие этого их реальный КПД имеет более низкое значение.

Хьюиг и др. [43] сообщали о том, что в условиях (при интенсивности излучения у герметизированных тонкопленочных элементов размером 7х7 см (при площади слоя изготовленных на стеклянных подложках и покрытием из методами вакуумного испарения и

окунания получен КПД 7,3% при фотоэлектрического преобразователя, состоящего из восьми элементов размером 7x7 см, которые соединены между собой с помощью интегральной схемы, созданной на общем для всех элементов защитном стеклянном покрытии, достигает 4,3 % [11].

Седон и др. [13] с помощью вакуумного испарения и окунания изготовили на медных подложках с покрытием из цинка элементы со структурой которые под имитатором солнечного излучения при интенсивности света имеют КПД до 6%, Ба-нерджи и др. [19] на стеклянных подложках с покрытием из при проведении сухого химического процесса получили тонкопленочные солнечные элементы на основе с просветляющими покрытиями. При интенсивности излучения элементов площадью в состав которых входит пленка чистого сульфида кадмия равен 6,5%, а соответствующие ему фотоэлектрические параметры имеют следующие значения:

Тыльно-барьерные солнечные элементы на основе площадью с отражающим контактом, изготовляемые методами вакуумного испарения и окунания на кварцевых подложках, покрытых слоем в условиях обладают КПД до 5,2% при Бхат и др. [18] у тыльно-барьерных элементов со структурой площадью созданных сухим методом на стеклянных подложках с покрытием из оксида олова легированного сурьмой, при интенсивности света получили значения напряжения холостого хода в пределах и др. [15] изготовили солнечные элементы с обратным расположением слоев, у которых освещаемый слой находится под При интенсивности излучения эти элементы имеют а соответствующее значение КПД равно 2%. В данном случае причиной низких КПД являются высокое последовательное сопротивление и малый ток короткого замыкания элементов вследствие неоптимальных значений толщины слоя и параметров контактной сетки. Изготовляемые в лаборатории авторов тонкопленочные элементы со структурой которых формирование слоя осуществляется в процессе электрохимической реакции, обычно имеют КПД 2... 3 % (конструкция этих элементов не оптимизировалась).

Тонкопленочные солнечные элементы на основе получаемые посредством пульверизации с последующим пиролизом, как правило, превосходят по эффективности элементы аналогичного типа, создаваемые с помощью вакуум

ного испарения. Мартинуцци и др. [56], а также Буньо и др. [41] сообщали об изготовлении тыльно-барьерных элементов площадью со слоем осаждаемым методом пульверизации, и пленкой выращиваемой в процессе окуйания, КПД которых при интенсивности солнечного излучения достигает 4,5%, а значения и равны соответственно и 0,56. Большое последовательное сопротивление элементов Ом) обусловливает низкий коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики. При использовании метода пульверизации Сингхом [29] были получены элементы площадью до 5,3%. КПД тыльно-барьерных солнечных элементов со структурой на стеклянных подложках, покрытых слоем полностью изготовленных методом пульверизации с последующим пиролизом, согласно сообщению Джордана [30], достигает 4,92%. Элементы площадью созданные Банерджи [19] на стеклянных подложках (с покрытием из оксида олова легированного сурьмой) и состоящие из слоя нанесенного методом пульверизации, и пленки выращенной при проведении мокрого химического процесса, при интенсивности света имеют В том случае, когда базовой областью элементов служит слой чистого сульфида кадмия, что отвечает Основными причинами довольно низких значений КПД солнечных элементов, создаваемых методом пульверизации, являются невысокое напряжение холостого хода и большое последовательное сопротивление, вызывающее уменьшение коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики. В неопубликованной работе Сингха сообщается о получении данным методом элементов, имеющих КПД около 7%. Мартинуцци недавно изготовил элементы с КПД 8%. В лаборатории авторов методом пульверизации созданы высокоэффективные тыльно-барьерные солнечные элементы усовершенствованной конструкции, у которых благодаря наличию изотопного тыльного барьера плотность тока короткого замыкания превышает Однако после непродолжительной выдержки элементов в обычных условиях уменьшается до значений

Тонкопленочные солнечные элементы, получаемые на покрытых золотом стеклянных подложках с помощью вакуумного испарения и ионного распыления [57], согласно результатам испытаний в естественных условиях при интенсивности света имеют максимальный КПД около 4 % У элементов со структурой полностью изготовленных методом ионного распыления [31, 58], отмечены существенно более низкие значения КПД. Солнечные элементы площадью согласно данным Андерсона и Джоната [58], при интенсивности

излучения имеют которым соответствует Мюллером и др. [31] получены элементы с КПД, не превышающим 1 %. Солнечные элементы, состоящие из слоя нанесенного методом ионного распыления, и пленки выращенной с помощью сухого химического процесса [33, 34, 58], в условиях обладают КПД около 1,2% при Невысокие значения в этих элементах связаны главным образом с низкой эффективностью собирания носителей вследствие малой напряженности электрического поля в области перехода в слое получаемом методом ионного распыления.

У солнечных элементов на основе изготовленных методом трафаретной печати [35] и испытанных при интенсивности излучения получен при элементов площадью на основе сульфида кадмия, нанесенного методом электрофореза, и сульфида меди, осажденного с помощью вакуумного испарения, не превышает 4,7%. У элементов большей площади приближается к солнечных элементов площадью со слоем нанесенным методом электрофореза, и пленкой выращенной посредством мокрого химического процесса, составляет 1 ... 2 %.

Отличительной чертой всех тонкопленочных солнечных элементов со структурой независимо от метода их изготовления, является наличие эффекта пересечения темновой и световой вольт-амперных характеристик. Этот эффект обусловлен существованием глубоких энергетических уровней в компенсированной области расположенной вблизи перехода. Однако в том случае, когда измерение темновой вольт-амперной характеристики осуществляется по точкам и при каждом значении нацряеция смещения элемент выдерживается определенное время, достаточное для установления равновесия (именно такой способ измерения можно считать правильным), получаемая кривая не пересекается со световой характеристикой. Более подробно эффект пересечения вольт-амперных характеристик будет обсуждаться, ниже.

Аналогичную природу имеет явление зависимости вольт-амперных характеристик от длины волны света [59]. При облучении солцчных элементов коротковолновым или длинноволновым светом с одинаковой плотностью потока фотонов нагрузочный ток и напряжение холостого хода не изменяются, в то время как значения тока короткого замыкания и коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики оказываются «более низкими в том случае,когда в падающем, излучении преобладают фотоны красной, длинноволновой области солнечного спектра. При сканировании световым лучом поверхности крупных элементов

ментов обнаружены области, обладающие различной спектральной чувствительностью [73].

Несколькими авторами исследовалось влияние интенсивности излучения и температуры на световые вольт-амперные характеристики солнечных элементов со структурой [29, 36, 56, 60—63]. В наиболее ранней из этих работ Ширланд [62] провел измерения характеристик тонкопленочных солнечных элементов на основе (изготовленных методом вакуумного испарения с последующим окунанием) при интенсивности излучения, изменяющейся в пределах и установил, что ток короткого замыкания связан с интенсивностью света линейной зависимостью. Как и ожидалось, при увеличении интенсивности излучения напряжение холостого хода повышается, и при очень высоких уровнях светового потока наблюдается его насыщение. Однако КПД преобразования энергии не изменяется, поскольку по мере увеличения освещенности коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики понижается с 0,71 до 0,66. Наличие в фоторезистивного эффекта приводит к уменьшению шунтирующего сопротивления элементов с до 7 Ом и последовательного сопротивления — с 0,16 до 0,04 Ом. Напряжение, соответствующее максимальной мощности, при увеличении освещенности повышается. Бриан и Глю [61] наблюдали другую тенденцию: при. уменьшении интенсивности излучения КПД элементов на основе незначительно возрастает, пока интенсивность не достигнет такого уровня, при котором начинается резкое изменение последовательного сопротивления. При дальнейшем уменьшении интенсивности света КПД элементов, как показано на рис. 4.6, а, существенно понижается. Увеличение интенсивности излучения сопровождается плавным уменьшением шунтирующего сопротивления и ростом последовательного сопротивления. При повышении интенсивности света фототок возрастает по линейному закону, что иллюстрирует рис. 4.6, б. На этом же рисунке представлены зависимости обратного тока насыщения и диодного коэффициента от интенсивности излучения, которые, как полагают, характеризуют влияние освещения на высоту потенциального барьера на границе раздела

Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода солнечных со структурой обычно связаны, с интенсивностью излучения соответственно линейной и логарифмической зависимостями . Однако некоторые исследователи [63] сообщали о том, что при освещении элемент тов монохроматическим излучением с длиной волны зависимость тока короткого замыкания от интенсивности света при низких интенсивностях является сублинейной, а при вьсоких - суперлинейной. Другими авторами [28] установлено, что у солнечных элементов на основе получаемых

Рис. 4.6. Зависимости КПД, последовательного и шунтирующего сопротивлений (а), а также фототока диодного коэффициента и обратного тока насыщения солнечного элемента на основе от интенсивности излучения [61].

Рис. 4.7. Кривые зависимостей напряжения холостого хода от интенсивности излучения для солнечных элементов на основе получаемых методом пульверизации, и типичных элементов со структурой создаваемых с помощью вакуумного испарения (3) [28].

методом пульверизации с последующим пиролизом, зависимость напряжения холостого хода от интенсивности излучения отличается от логарифмической. Эти результаты наряду с графиком

логарифмической зависимости обычно наблюдаемой у тонкопленочных солнечных элементов на основе приведены на рис. 4.7.

Ширландом [62] исследовано влияние температуры на напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и КПД элементов в интервале температур: При повышении температуры напряжение холостого хода падает, причем при температурах до уменьшается с небольшой скоростью, а при дальнейшем росте температуры, вплоть до происходит более быстрое снижение характеризующееся линейной зависимостью с температурным коэффициентом . В области температур менее ток короткого замыкания, имеющий максимум примерно при слабо зависит от температуры. При температурах, превышающих 100 °С, ток короткого замыкания существенно уменьшается. В области очень низких температур КПД сначала резко возрастает, достигая максимума при а при более высоких температурах быстро снижается. Значение температурного коэффициента полученное Сингхом [29], составляет

4.4.2 Спектральная чувствительность

Отличительной особенностью спектральных характеристик чувствительности всех солнечных элементов со структурой является наличие ярко выраженного гистерезиса, который проявляется в том, что при измерениях, начинаемых при больших значениях длины волны и оканчиваемых в коротковолновой части спектра, чувствительность элементов заметно ниже, чем при прохождении того же спектрального диапазона в противоположном направлении [13, 19, 62, 63]. При длинах волн чувствительность элементов понижается [37]. Эти эффекты связаны с явлением гашения фоточувствительности, обусловленным зависимостью напряженности поля в переходе от длины волны и интенсивности света [59]. Однако данные эффекты устраняются при наличии подсветки, осуществляемой с помощью коротковолнового или белого света [13, 19, 37]. Если при измерениях спектральной чувствительности элементов на основе наряду с монохроматическим излучением дополнительно используется белый свет, то гистерезис отсутствует, а фотоотклик оказывается более высоким и однородным во всей области чувствительности [64]. Благодаря подсветке в переходе поддерживается высокая напряженность электрического поля, что способствует эффективному собиранию носителей заряда. Рис. 4.8, а иллюстрирует влияние интенсивности излучения, с помощью которого создается подсветка, на коэффициент собирания носителей заряда в высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементах на основе [64, 65].

(см. скан)

фронтально-барьерных, элементы второго типа благодаря большей ширине спектральной области чувствительности, имеют; как правило, болеё высокий фототок. На рис. 4.8, в представлены спектральные зависимости коэффициента собирания и фототока (при наличии подсветки) соответственно высокоэффективных фронтально-барьерных солнечных элементов с отражающим контактом [65] и тыльно-барьерных элементов на основе изготовляемых методом пульверизации с последующим пиролизом [48]. Этот рисунок также иллюстрирует влияние толщины слоя на спектральное распределение фототока тыльно-барьерных элементов [48]. Анализируя данные зависимости, можно отметить, что высокая чувствительность фронтально-барьерных элементов с отражающим контактом при является следствием собирания фотогенерйрованных неосновных носителей заряда как из слоя так и из резкое снижение чувствительности тыльно-барьерных элементов при вызвано полным поглощением света с длиной волны в слое длинноволновая граница спектральной области чувствительности при отвечает краю поглощения спектральная характеристика чувствительности фронтально-барьерных элементов имеет провал в области длйн волн Вопрос о причине его возникновения является дйскуссйойньгм. Некоторые авторы [66] объясняют этот эффект наличием фотопроводящего слоя в и пика в зоне проводимости на границе раздела другие авторы [42] полагают, что вследствие довольно высокой прозрачности вёрхнёгб слвя по отношению к излучений в указанной спектральной области его значительная доля поглощается в глубине базового слой следовательно, дает меньший вклад фототок. расчета спектральной чувствительности фронтально-барьерных: солнечных элементов со структурой при различной толщине слоя показывают, что наибольшая глубина провала на спектральной характеристике соответствует тонким слоям тогда как при очень большой толщине слоя провал исчезает [42]

4.4.3 Диффузионная длина неосновных носителей заряда

(см. скан)

элементах, изготовленных с помощью вакуумного испарения в сочетании с химической реакцией в твердой фазе, равны а в элементах, полученных методом пульверизации с последующим пиролизом, Согласно результатам Партейна и др. [70], при создании элементов посредством вакуумного испарения и осуществлении мокрого процесса диффузионная длина неосновных носителей в составляет Значения диффузионной длины, измеренные Гиллом и Бьюбом [72] с помощью светового микрозонда в слоях и монокристаллах заключены в пределах 0,1 ... 0,4 и 3... 7 мкм соответственно.

Мозес и Вассерман [67], исходя из измеренных спектральных характеристик чувствительности, рассчитали диффузионную длину неосновных носителей заряда в слоях толщиной 0,2 ... 0,3 мкм и получили значения Заслуживает внимания тот факт, что, несмотря на существенное изменение тока короткого замыкания элементов после термообработки на воздухе и в водороде, сколько-нибудь значительных вариаций диффузионной длины не обнаружено. На основании этого был сделан вывод о том, что под влиянием термообработки изменяется электрическое поле в переходе. Используя спектральную зависимость чувствительности солнечных элементов со структурой полностью изготовленных методом ионного распыления, Андерсон и Джонат [58] вычислили диффузионную длину носителей в слое которая, как оказалось, приблизительно равна 0,1 мкм. По результатам измерений тока, наведенного электронным лучом, и спектральной чувствительности элементов Пфистерер и др. [53, 68], а также Шок [69] получили значение диффузионной длины носителей в Установлено, что скорость поверхностной рекомбинации носителей составляет . Эти значения параметров относятся к элементам, прошедшим термообработку в оптимальном режиме, у которых состав слоя соответствует Однако результаты Пфистерера и др. [53, 68] не согласуются с данными Мозеса и Вассермана [67] и показывают, что после термообработки элементов очень сильно изменяются как диффузионная длина, так и скорость поверхностной рекомбинации носителей. Неотожженные солнечные элементы, получаемые мокрым методом, у которых состав слоя отвечает непосредственно после изготовления имеют низкую диффузионную длину носителей и высокую скорость поверхностной рекомбинации . На основании измерений тока, наведенного электронным лучом, Оукс и др. [71] сделали вывод о том, что при составе слоя близком к стехиометрическому, днффузнонная длнна оказывается большей чем в слоях с нарушенной стехиометрией . Значения

диффузионной длины носителей в слое найденные Седоном и др. [13, 14] в экспериментах со сканирующим лазерным лучом, равны

4.4.4 Емкостные измерения

В ходе исследований свойств гетероперехода проводились многочисленные измерения емкостных характеристик тонкопленочных солнечных элементов [20, 24, 29, 42, 56, 58, 59, 64, 68, 74—78]. Вольт-фарадные характеристики элементов, не подвергавшихся термообработке, представленные в виде зависимости от У, обычно имеют форму прямых линий, что свидетельствует о наличии резкого гетероперехода. По величине отрезков, отсекаемых ими на оси напряжений, можно определить значения диффузионного потенциала Термообработка приводит к существенному изменению вольт-фарадных характеристик, обусловленному теми же эффектами, которые оказывают влияние на вольт-амперные характеристики и спектральную чувствительность элементов (этот вопрос будет обсуждаться ниже). Графики зависимости от V элементов, прошедших термообработку, всегда содержат два линейных участка. Область плавного изменения величины простирается от высоких обратных напряжений смещения до значений прямого напряжения, составляющих несколько десятых долей вольта. При дальнейшем повышении напряжения, приложенного в прямом направлении, наклон кривой резко увеличивается и происходит ее пересечение с осью абсцисс. Типичная зависимость от V для солнечных элементов на основе показана на рис. 4.9, а.

Увеличение емкости солнечных элементов при наличии освещения и нулевом напряжении смещения связано с уменьшением ширины слоя, обедненного носителями заряда. При освещении элементов плотность пространственного заряда повышается. На графике спектральной зависимости емкости освещенного элемента положение областей спада и резкого увеличения емкости соответствует примерно тем же длинам волн, при которых наблюдаются гашение и рост фототока.

Анализируя зависимости от V солнечных элементов, изготовленных методом пульверизации с последующим пиролизом, и др. [74] установили, что концентрация носителей вблизи перехода составляет около а в объеме Согласно расчетам, ширина обедненного слоя равна . В солнечных элементах, полученных с помощью вакуумного испарения, значения концентрации носителей вблизи перехода и в объеме равны соответственно а ширина обедненного слоя составляет 0,12 мкм. Значения диффузионного потенциала для элементов, создаваемых методами пульверизации с последующим пиролизом и

Рис. 4.9. Зависимость солнечного элемента на основе изготовленного методом пульверизации, от напряжения смещения V (емкость С измерена в кривые зависимости С солнечных элементов со структурой полученных методом вакуумного испарения, с нетравленым и травленым слоями от напряжения смещения V при различной продолжительности термообработки (удельная емкость Суд измерена в

вакуумного испарения, равны 0,96 В и 0,87 В. У солнечных элементов, изготовленных Сингхом [29] посредством пульверизации, ширина обедненного слоя при отсутствии освещения составляет 0,74 мкм, а при воздействии светового потока, отвечающего условиям Плотность пространственного заряда в этих элементах изменяется от (в темноте) до (при освещении), а расчетное значение, диффузионного потенциала равно 0,8 В. После дополнительной термообработки темновая плотность пространственного заряда повышается, до Согласно результатам измерений Холла и Сингха [75], тонкопленочные элементы, изготовленные методом вакуумного исцарения в сочетании с мокрым химическим процессом, после термообработки на воздухе при температуре в течение 45 с, имеют плотность пространственного заряда которая уменьшается до после пятиминутной термообработки. Авторы отмечают, что по. мере увеличения продолжительности термсюбрабдтки до мин точка пересечения, экстраполированной зависимрсти с осью, напряжений удаляется от начала координат. При длительности отжига, превышающей. 15.. мин, емкость перестает зависеть от напряжения, что делает невозможным, определение, плотности пространственного заряда.

Пфистерер и др, [68] установили, что неотожженных солнечных элементов на основе с плоским переходом (у которых слой не подвергался травлению)создаваемых методом вакуумного испарения в сочетании с мокрым

процессом, концентрация носителей достигает При увеличении продолжительности термообработки графики зависимости от V смещаются относительно друг друга, а их наклон незначительно возрастает (см. рис. 4.9,б). У элементов с непланарным переходом (с протравленным слоем этот эффект, как показано на рис. 4.9, в, выражен более ярко. Андерсон и Джонат [58] сообщали, что ширина слоя пространственного заряда насыщается на уровне это значение с достаточно высокой степенью точности совпадает с толщиной нелегированного высокоомного слоя в полученных авторами методом ионного распыления солнечных элементах со структурой (нелегированный слой) (слой, легированный индием). Согласно данным Мартинуцци и др. [56], в элементах, изготовленных методом пульверизации с последующим пиролизом, ширина обедненного слоя равна а концентрация доноров составляет внутри слоя поверхности раздела.

Аналогичные результаты получены сотрудниками университета Делавэр [42, 64]. Как показали расчеты, плотность пространственного заряда изменяется от (у поверхности раздела) до значения порядка (в объеме слоя При наличии освещения плотность пространственного заряда вблизи поверхности раздела возрастает до а после термообработки ее значение уменьшается до

Рис. 4.10. Спектральная зависимость емкости С тонкопленочного солнечного элемента на основе зависимость его удельной емкости Суд от интенсивности излучения [65, 79] и кривые зависимости коэффициента увеличения площади перехода от обратного напряжения смещения V при различной продолжительности термообработки [76].

Ширина слоя пространственного заряда в результате отжига увеличивается с 0,1 до Спектральная характеристика емкости освещенного элемента, показанная на рис. 4.10, а, содержит области спада и резкого повышения емкости. Зависимость емкости от интенсивности излучения представлена на рис. 4.10, б. При вариациях интенсивности света наблюдается плавное изменение емкости, причем при низких уровнях освещенности она становится сравнимой по величине с емкостью неосвещенного элемента [64].

Для интерпретации вольт-фарадных характеристик некоторые авторы использовали модель элемента с компенсированной областью вблизи границы раздела, образующейся в процессе термообработки вследствие диффузии меди в сульфид кадмия. Неотожженные элементы имеют линейную зависимость от V, характерную для резкого гетероперехода. Поскольку по своим свойствам приближается к вырожденным полупроводникам, можно считать, что падение напряжения происходит главным образом в обедненном носителями слое пленки При благоприятных условиях термообработки, обеспечивающих высокую степень компенсации материала, ширина обедненного слоя увеличивается, в результате чего график зависимости от V смещается параллельно исходной кривой. В соответствии с уравнением (1.7) величину можно представить в виде суммы нескольких слагаемых, одно из которых зависит от напряжения.

Концентрация легирующей примеси находится расчетным путем из слагаемого, в которое в качестве переменной величины входит напряжение, другие же слагаемые, не зависящие от напряжения и определяющие величину указанного сдвига вольт-фарадной характеристики, позволяют вычислить значение произведения где -расстояние между поверхностью раздела и наиболее удаленным от нее краем компенсированного слоя, концентрация акцепторов. При очень высоких значениях образуется гомогенный -переход в слое а при очень низкой концентрации акцепторов обедненный слой содержится внутри компенсированной области. Для двух рассмотренных предельных случаев зависимости от V совпадают, и если провести их линейную экстраполяцию, то соответствующие кривые пересекут ось напряжений в точке При непланарной форме перехода в уравнение, с помощью которого определяется емкость, необходимо ввести коэффициент увеличения площади перехода. У солнечных элементов с большой площадью перехода (вследствие травления слоя [76] помимо сдвига графика зависимости от V происходит изменение его наклона, которое связано с вариациями коэффициента увеличения площади перехода вследствие того, что край области пространственного заряда приобретает более гладкую форму [75, 76].

Как показано на рис. 4.9, в, коэффициент увеличения площади перехода снижается при повышении продолжительности термообработки и возрастании обратного напряжения смещения [76]. Наличие высокой плотности заряда на границе раздела и низкого диффузионного потенциала можно объяснить исходя из предположения о существовании в области перехода сильно заряженного тонкого слоя, который образуется вследствие значительного несоответствия параметров кристаллических решеток

Для описания емкостных характеристик солнечных элементов на основе (при освещении и в темновых условиях) Ротворф [42] предложил другую физическую модель, согласно которой в запрещенной зоне имеются глубокие энергетические уровни. Данные о их наличии получены с помощью измерений характеристик элементов методом емкостной спектроскопии глубоких уровней (см. гл. 1). При определенном напряжении, приложенном в прямом направлении, область, обедненная носителями заряда, отсутствует. При более низких напряжениях смещения электроны уходят из области толщиной благодаря чему в слое образуется потенциальный барьер высотой Если для результирующей концентрации доноров ввести обозначение то

Здесь диэлектрическая проницаемость полупроводника, заряд электрона. При дальнейшем уменьшении напряжения уровень Ферми в области перехода занимает более низкое положение по сравнению с глубокими энергетическими уровнями. Ионизация этих уровней вызывает дополнительное падение напряжения, но не приводит к расширению области пространственного заряда. При еще более низком напряжении смещения ширина области пространственного заряда изменяется незначительно и график зависимости от V имеет малый угол наклона.

Считается, что под влиянием термообработки происходит повышение концентрации глубоких уровней, а не расширение области пространственного заряда. Увеличение количества глубоких уровней приводит к более сильной компенсации мелких примесных уровней и, следовательно, к понижению . В этом случае в процессе уменьшения напряжения смещения свободные носители заряда должны покинуть более значительную часть слоя прежде чем начнется ионизация глубоких уровней, что и является причиной расширения обедненного слоя.

В рамках данной модели особенности емкостных характеристик освещенных элементов объясняются влиянием процесса

ионизации глубоких урорней. Однако следует иметь в- виду, что под действием света может происходить ионизация значительно более глубоких уровней. При освещении элементов ионизированные глубокие уровни обеспечивают дополнительный объемный заряд, способствующий поддержанию разности потенциалов на переходе, что приводит к уменьшению ширины области пространственного заряда, создаваемого мелкими донорными уров нями, и увеличению измеряемых значений емкости. Характерные черты спектральной зависимости емкости (см. рис. 4.10) и, в частности, эффекты ее спада и резкого возрастания связаны с ионизацией глубоких уровней и обратным процессом — захватом носителей, которые происходят при воздействии излучения с разной длиной волны.

4.4.5 Анализ вольт-амперных характеристик

Дас и др. [74] исследовали влияние температуры на вольт-амперные характеристики тонкопленочных солнечных элементов со структурой изготовляемых методом вакуумного испарения в сочетании с химической реакцией в твердой фазе, и установили, что на графиках зависимости от V при всех рассмотренных значениях температуры отчетливо видны два участка с различным наклоном. При повышенных напряжениях данная зависимость характеризуется диодным коэффициентом тогда как области пониженных напряжений соответствует Высота барьера, найденная расчетным путем для диода с при наличии рекомбинации на границе раздела, составляет а плотность тока насыщения равна — Для величины получено значение и с помощью соотношения эффективная плотность состояний в зоне проводимости скорость рекомбинации на границе раздела) вычислено значение составившее При низких напряжениях преобладает рекомбинационно-генерационный механизм протекания тока в обедненном слое. Согласно результатам Мартинуцци и Маллема [80], в солнечных элементах, создаваемых методом вакуумного испарения в сочетании с мокрым процессом, для плотностей темнового прямого и обратного токов справедливы соотношения Здесь С — постоянная величина, параметры, практически не зависящие соответственно от температуры и напряжения V, а К представляет собой функцию Наличие экспоненциальной зависимости от линейный характер изменения при вариациях а также существование слабо выраженной зависимости величины от позволяют предположить, что реализуется процесс многоступенчатого туннелирования носителей, причем число довершаемых ими

туннельных переходов при протекании прямого тока составляет а при прохождении обратного тока Хэдли и Филлипс [60] измерили зависимость напряжения холостого хода элементов, изготовленных таким же способом, от интенсивности излучения и исследовали влияние температуры на их вольт-амперные характеристики. Авторы установили, что существуют два механизма протекания тока, которым отвечают значения диодного коэффициента области высоких напряжений) и области низких напряжений). Все высокоэффективные солнечные элементы и элементы, облучаемые световым потоком интенсивностью имеют диодный коэффициент, равный единице. При более низких уровнях интенсивности излучения диодный коэффициент принимает значение и вследствие этого уменьшается коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики. При плотность обратного тока насыщения связана с температурой экспоненциальной зависимостью, анализ которой показывает, что высота барьера в области перехода примерно равна 0,9 эВ. В элементах с диодным коэффициентом высота барьера составляет около 0,4 эВ. Для тонкопленочных солнечных элементов, создаваемых методом вакуумного испарения в сочетании с мокрым процессом, Сторти и Кулик [78] получили значения высоты барьера в интервале при

При исследовании элементов, изготовленных методом пульверизации с последующим пиролизом, Дас и др. [74] обнаружили существование в области температур 300... 333 К двух механизмов протекания тока и установили, что значениям соответствует высота барьера Аналогичные результаты получил Сингх [29], сообщавший о том, что на графике зависимости от V можно выделить два линейных участка, причем при высоких напряжениях угол наклона прямой практически не зависит от температуры, а в области низких напряжений он слабо меняется при вариациях температуры. Граничное напряжение, разделяющее эти две области, определяется температурой элемента, однако во всех случаях оно оказывается более низким по сравнению с напряжением, отвечающим максимальной мощности. При наличии освещения и температурах протекание прямого тока обусловлено в основном многоступенчатым туннельно-рекомбинационным процессом. Изучая вольт-амперные характеристики тонкопленочных солнечных элементов на основе (с неоднородным профилем легирования), полученных методом пульверизации в сочетании с мокрым процессом, Мартинуцци и др. [56] пришли к выводу о том, что преобладающим механизмом протекания тока является многоступенчатое туннелирование.

Согласно сообщению Андерсона и Джоната [58], прямые вольт-амперные характеристики тонкопленочных солнечных

элементов со структурой изготовляемых методом ионного распыления, отличаются от характеристик элементов создаваемых с помощью вакуумного испарения или пульверизации, и их можно интерпретировать исходя из предположения что протекание тока ограничено пространственным зарядом.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление