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

4.5 Влияние различных способов обработки и свойств используемых материалов на характеристики элементов

В данном разделе будет рассмотрено влияние на характеристики тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом различных способов обработки и свойств применяемых в них материалов, в том числе термообработки [3, 42, 53 78, 81—87], состава [52, 53, 67, 70, 88—91], удельного сопротивления [93] и концентрации легирующей примеси [3, 79, 89 91, 94] в состава сплава [7, 19, 22, 28, 38, 40, 59 74, 79, 95—97] и микроструктуры слоев [3, 13, 26, 27, 42, 44, 45 48, 63, 64, 78, 90, 99—101].

4.5.1 Термообработка

Ранее отмечалось, что выходные характеристики солнечных: элементов на основе удается улучшить с помощью определенных видов термообработки. Этот процесс может осуществляться в вакууме при температуре 190...200 °С и завершаться продолжительным прогревом элементов в атмосфере водорода. Термообработку проводят также в тлеющем разряде, возбуждаемом в водороде, а затем элементы прогревают на воздухе. В других случаях элементы отжигают на воздухе после нанесения тонкого слоя меди на поверхность или же просто прогревают в обычных атмосферных условиях. Непосредственно после изготовления солнечные элементы обладают характеристиками, близкими к омическим, и имеют низкие значения напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики. В процессе термообработки улучшаются фотоэлектрические параметры элементов и, как показано на рис. 4.11, более четко проявляются выпрямляющие свойства перехода.

Высказывались различные предположения о причинах изменений, происходящих в элементах. Ротворф [42] полагает, что непосредственно после изготовления солнечные элементы содержат слой некомпенсированного сульфида кадмия и пленку состав которой незначительно отличается от стехиометрического. Вследствие этого элементы имеют узкую область пространственного заряда [102], к тому же ионизация под действием света

глубоких уровней, расположенных вблизи перехода, способствует еще большему уменьшению ее ширины. Туннельные переходы носителей на энергетические уровни в области границы раздела приводят к понижению эффективной высоты барьера и, следовательно, уменьшению напряжения холостого хода. При термообработке молекулы кислорода и поступающие из атомы меди достигают области пространственного заряда и образуют в компенсирующие акцепторные уровни, в результате чего эта область расширяется. Благодаря данному эффекту уменьшается вероятность туннелирования носителей, увеличивается эффективная высота барьера и повышается напряжение холостого хода. Формирующийся на поверхности слой или снижает скорость рекомбинации носителей, что приводит к возрастанию фототока. Уменьшение фототока элементов (при неизменном значении наблюдаемое при чрезмерном нагреве, объясняется либо ослаблением электрического поля на границе раздела вследствие перекомпенсации и значительного расширения области пространственного заряда, либо изменением фазового состояния из-за дефицита меди. Несоответствие параметров кристаллических решеток является причиной появления механических напряжений в области границы раздела, а также упругих напряжений, простирающихся в объем структуры, под влиянием которых образуются энергетические уровни в запрещенной зоне. Объемные механические напряжения, по-видимому, компенсируются полями упругих напряжений дислокаций, возникающих в области границы раздела в процессе термообработки.

Дивейни и др. [87] считают, что термообработка элементов в течение 1 ч при температуре 190 °С и давлении —27 Па, а затем в течение 2 ч при температуре 170 °С в атмосфере водорода (такой режим используется при осуществлении крепления

Рис. 4.11. Изменение формы вольт-амперных характеристик тонкопленочных солнечных элементов на основе в процессе термообработки. 1 — темновая характеристика, 2-4 - световые характеристики.

контактной сетки методом прокатки) и их последующий прогрев при более низкой температуре обеспечивают условия для восстановления ранее образовавшихся оксидов меди. Появление при этом свободных атомов улучшающих стехиометрию слоя является основным положительным эффектом такой термообработки. При составах близких к стехиометрическому, возрастает диффузионная длина неосновных носителей [78] и вследствие этого повышается эффективность их собирания. Увеличению фототока элементов способствует также сплавление в процессе термообработки, сопровождающееся образованием высокоотражающего слоя -фазы латуни, благодаря которому возможно повторное прохождение света через слой Под влиянием последнего эффекта фототок возрастает примерно на 15 %.

Согласно данным Пфистерера и др. [53], оксидный слой элементов состоит из и не содержит Авторами не обнаружено также присутствия Полагают, что формируется только при наличии свободных атомов меди, источниками которых могут служить осаждаемая пленка или сульфид меди (поскольку при термообработке в тлеющем разряде, возбуждаемом в водороде, возможно восстановление Авторами работ [53, 83] отмечены следующие характерные особенности элементов непосредственно после их изготовления и термообработки: 1) нестехиометричность состава и высокая скорость поверхностной рекомбинации (по завершении мокрого химического процесса); 2) улучшенная стехиометрия сульфида меди при сохранении низкой эффективности элементов вследствие образования на их поверхности барьера Шоттки (после нанесения пленки или термообработки в тлеющем разряде в атмосфере водорода); 3) наличие окна из способствующего снижению скорости поверхностной рекомбинации, и близкий к стехиометрическому состав сульфида меди, обеспечивающий высокие значения диффузионной длины электронов (при оптимальных условиях термообработки на воздухе); 4) наличие слоя вызывающего повышение скорости поверхностной рекомбинации, и низкие значения диффузионной длины электронов из-за нарушения стехиометрии (в результате перегрева элементов или при продолжительной выдержке в кислородсодержащей атмосфере).

Лоферски и др. [85] высказали предположение, что в результате термообработки на поверхности образуется широкозонный слой окна из Акрамов и др. [84] наблюдали увеличение тока короткого замыкания и напряжения холостого хода при термообработке элементов на воздухе. Значения коэффициента выпрямления, найденные из темновых вольт-амперных характеристик, увеличиваются в результате термообработки с 102 до 103, а шунтирующее сопротивление возрастает

в 2... 5 раз. По мнению авторов работы [84], содержащиеся в неотожженных элементах микрокластеры меди могут закорачивать переход. Диффузия меди в процессе термообработки приводит к разрушению кластеров, образующих шунтирующие каналы. Амит [102] предполагает, что закорачивание перехода вызывают тонкие слои образующиеся вдоль границ зерен. Под действием термообработки эти слои разрушаются, в результате чего каналы для протекания шунтирующего тока исчезают. Акрамов и др. [84], Касвелл и Вудс [86], а также Амит [102] наблюдали увеличение ширины области пространственного заряда в элементов, прошедших термообработку. Акрамов и др. [84] считают, что расширение компенсированной области в слое способствует более полному поглощению падающего излучения и повышению эффективности собирания неосновных носителей заряда, что приводит к увеличению фототока. Чувствительность элементов в длинноволновой области спектра при этом существенно возрастает.

Холл (81] отмечает, что наиболее важным следствием термообработки элементов под давлением, осуществляемой в процессе крепления контактной сетки и при последующих технологических операциях, является повышение степени ориентации оси с зерен пленки относительно нормали к поверхности подложки и уменьшение ширины области, ограничиваемой кривой распределения угла отклонения этой оси от нормали. Холлом установлено, что непосредственно после изготовления элементов мокрым методом ось с зерен отклонена от нормали в среднем на 19°, причем кривая распределения угла отклонения оси с относительно средней величины имеет гладкую форму, а полуширина распределения на уровне, соответствующем половине максимума, составляет 10... 12°. После термообработки под давлением при создании контактов направление преимущественной ориентации оси с совпадает с нормалью к поверхности подложки. В результате последующей продолжительной термообработки кривая распределения углэ отклонения оси с относительно нормали приобретает резкую форму, а полуширина распределения на уровне половины максимума уменьшается примерно до 3°.

4.5.2 Состав ...

Экспериментальные данные показывают, что слоевое сопротивление пленок и ток короткого замыкания элементов значительно изменяются при вариациях состава Этот вывод наглядно подтверждает приведенная на рис. 4.12, а зависимость тока короткого замыкания от состава в диапазоне [88, 89]. Палц и др. [89] сообщали, что наиболее высокий коэффициент собирания носителей имеют

Рис. 4.12. Влияние состава слоя на ток короткого замыкания и коэффициент собирания носителей в солнечных элементах со структурой

элементы, в которых используется орторомбический халькоцит . В том случае, когда образуются фазы обедненные медью, уменьшение коэффициента собирания носителей приводит к снижению Накаяма и др. [103] показали, что относительное значение КПД солнечных элементов на основе зависит от состава следующим образом: если за принять КПД элементов со слоем то соответствует Аналогичные результаты получены и другими исследователями [53, 91].

Виет и Каталано [92] измерили спектральные зависимости тока короткого замыкания солнечных элементов на Основе при значениях в интервале Результаты этих авторов представлены на рис. 4.12, б. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими позволяет сделать вывод о том, что ослабление чувствительности элементов при уменьшении вызвано главным образом снижением диффузионной длины неосновных носителей в Почти параллельное смещение вниз кривых чувствительности в спектральном диапазоне 0,6.. .0,8 мкм при уменьшении связано, вероятно, с понижением коэффициента поглощения света. Результаты Дилмана [90] свидетельствуют о том, что диффузионная длина неосновных носителей не превышает 5 нм во всех фазах за исключением халькоцита, в котором диффузионная длина электронов в направлении, перпендикулярном оси с, и в направлении, образующем с осью с угол 35°. Согласно выводам автора, только халькоцит имеет приемлемую

диффузионную длину неосновных носителей, причем значение максимально в направлении, параллельном оси с. Установлено также, что халькоцит обладает более высоким коэффициентом поглощения света по сравнению с другими фазами сульфида меди и его значение максимально в направлении, параллельном оси с, которая была направлена перпендикулярно поверхности подложки в исследованных образцах.

Некоторые авторы [42] объясняют наличие зависимости диффузионной длины электронов в от состава вещества влиянием концентрации дырок, которая определяется количеством вакансий меди. Если предположить, что преобладающим рекомбинационным процессом является оже-рекомбинация, то при концентрации дырок, равной время жизни электронов, соответствующее этому процессу, Выражение для диффузионной длины электронов имеет вид

Зависимость слоевого сопротивления пленки от определяется соотношением

Здесь толщина пленки Таким образом, если то Как показали измерения, такой характер зависимости от наблюдается в широком диапазоне составов.

Приведенные выше результаты не согласуются с данными Мозеса и Вассермана [67], не обнаружившими взаимосвязи между измеренными значениями и составом слоя Изменения вольт-амперных характеристик и спектральной чувствительности элементов, вызываемые термообработкой, эти авторы объясняют вариациями напряженности электрического поля в области перехода. Результаты, полученные в лаборатории авторов книги, показывают, что при значениях КПД солнечных элементов, равных 3...4%, влияние состава на КПД и другие фотоэлектрические параметры незначительно и что четкую зависимость между установить невозможно.

4.5.3 Удельное сопротивление CdS

Мареком [93] измерены различные параметры перехода в солнечных элементах на основе при концентрации носителей в базовом слое изменяющейся от до в зависимости от концентрации «замороженных» дефектов, образующих донорные уровни. Эти дефекты, препятствующие диффузии оказывают также влияние на ширину обедненного слоя. При повышенной концентрации носителей в происходит более сильная компенсация материала

атомами а протекание тока обусловливается в основном рекомбинационными процессами. При низких концентрациях носителей преобладающим механизмом протекания тока в освещенных элементах является туннелирование носителей при участии рекомбинационных центров. Подтверждением этих результатов служит уменьшение обратного тока насыщения и возрастание значений параметра при увеличении концентрации носителей.

Ротворф [42] отмечает, что при наличии низкоомного слоя возможно ослабление поля в переходе, отрицательно сказывающееся на процессе собирания носителей заряда.

4.5.4 Легирование

Буньо и др. [104] исследовали пленки легированные кадмием, цинком и индием, и установили, что параметр возрастает прямо пропорционально числу атомов примеси, введенных в пленку в процессе ее осаждения. Приближение состава к стехиометрическому сопровождается улучшением электрических свойств.

Анализ экспериментальных данных показывает, что диффузия из в слой после изготовления элементов приводит к превращению халькоцита в другие фазы сульфида меди с пониженным содержанием в результате чего характеристики элементов резко ухудшаются. Партейн и Берченалл [91] полагают, что стабильность элементов можно повысить путем введения в легирующих примесей, предотвращающих диффузию Вехт [105] установил, что легирование хлором усиливает диффузию меди. Согласно результатам Вудбери [106], при введении большого количества индия диффузия ослабляется.

При продолжительной выдержке элементов в условиях, когда к ним приложено напряжение смещения, Палц и др. [89] наблюдали уменьшение не только тока короткого замыкания, но и коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики. Снижение выходных параметров элементов связано с уменьшением шунтирующего сопротивления вследствие электрохимического разложения (при наличии напряжения смещения или в режиме холостого хода), диффузии и образования включений меди в Легирование примесями, вид которых точно не установлен, препятствовало выделению меди. В процессе ускоренных испытаний не обнаружено деградации характеристик элементов, содержащих слой легированного сульфида кадмия, в частности, не изменилось шунтирующее сопротивление элементов, тогда как значение нелегированных элементов уменьшилось с 5 до 0,1 кОм. Не наблюдалось также каких-либо изменений вольт-амперных характеристик легированных солнечных элементов, хотя характеристики нелегированных элементов

заметно деградировали. Легирование приводит к уменьшению ширины обедненного слоя, снижению удельного сопротивления и незначительному повышению спектральной чувствительности элементов. Аналогичные результаты получены Луке и др. [107] при исследовании солнечных элементов на основе со слоем легированного сульфида кадмия. Проведенные авторами измерения вольт-фарадных характеристик этих элементов показали, что по сравнению с нелегированными элементами ширина области пространственного заряда уменьшилась в 4 раза, концентрация доноров у границы раздела возросла в 16 раз, а концентрация доноров в объеме повысилась в 50 раз. Отношение обратных токов насыщения легированны и нелегированных элементов приблизительно равно отношению соответствующих значений электрической проводимости слоев.

Умаровым и др. [94] исследовано влияние концентрации легирующих примесей в диапазоне на фотоэлектрические характеристики тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом Авторами обнаружено существование зависимости напряжения холостого хода и спектральной чувствительности от уровня легирования. Изменения КПД и элементов при вариациях концентрации примесей объясняются различиями в значениях последовательного и шунтирующего сопротивлений, а также обратного тока насыщения. Оптимальная концентрация легирующей примеси, обеспечивающая достижение максимального лежит в интервале Полученные авторами значения напряжения холостого хода существенно отличаются от значений для элементов с нелегированным слоем приведенных другими авторами. Хилл [3] отмечает, что, хотя легирование икдием и способствует снижению удельного сопротивления выделение на границах зерен вызывает уменьшение шунтирующего сопротивления, что особенно заметно проявляется в пленках небольшой толщины Создание структуры, состоящей из низкоомного слоя легированного (с переменной концентрацией примеси), и верхнего слоя чистого сульфида кадмия, улучшает свойства тыльного контакта и повышает фототок элементов [3]. Бодхрадж и др. [26] сообщали об изготовлении методом пульверизации с последующим пиролизом солнечных элементов со слоем неоднородно легированным алюминием, обладающих улучшенными фотоэлектрическими параметрами при более высокой стабильности характеристик перехода.

4.5.5 Состав сплава ...

Увеличение концентрации цинка в солнечных элементах на основе как правило, приводит к повышению напряжения холостого хода. Однако возрастание сопровождается уменьшением тока короткого замыкания и КПД.

Рис. 4.13. Графики зависимости толщины слоя сульфида меди от продолжительности окунания при различных составах пленок

Бертон и др. [96] установили, что тонкопленочные солнечные элементы со структурой получаемые методом испарения в сочетании с сухим химическим процессом, при относительной концентрации выше имеют напряжение холостого хода При осуществлении мокрого процесса столь высокие значения могут быть достигнуты при концентрации (максимальное значение составляет 0,72 В). Плотность тока короткого замыкания элементов обоих типов, приблизительно равная в случае использования чистого уменьшается почти до при концентрации выше Как показывают измерения, напряжение холостого хода связано с высотой потенциального барьера линейной зависимостью.

В другой работе Бертон и др. [40] отмечают, что пленки осаждаемые методом вакуумного испарения из одного источника, неоднородны по составу в направлении, перпендикулярном подложке, поскольку из порошкообразного интенсивно испаряется кадмий. Авторы ввели в употребление концентрический двухкамерный испаритель, который обеспечивает более высокую степень однородности пленок и позволяет регулировать их состав [7]. Бертон и Хенч [95] полагают, что низкие значения тока короткого замыкания элементов на основе связаны с неоптимальной толщиной слоя значительным отклонением состава от стехиометрического и высокой отражательной способностью

поверхности элементов, у которых слой не подвергался химическому травлению. Установлено, что при последовательное сопротивление остается достаточно низким. Последующие эксперименты [79] показали, что при идентичных условиях процесса формирования пленки ее толщина оказывается более низкой, если в качестве подложки вместо используется слой На толщину пленки как видно из рис. 4.13, значительное влияние оказывает концентрация цинка. Однако даже при составе близком к стехиометрическому, и при создании пленок сравнимых по толщине с пленками, получаемыми на поверхности солнечные элементы на основе имеют пониженные значения тока короткого замыкания. Эти результаты приводят к выводу о том, что снижение эффективности собирания носителей в элементах на основе вызвано ослаблением электрического поля в области перехода вследствие высокого удельного сопротивления слоев Легирование индием способствует уменьшению удельного сопротивления, однако не обеспечивает ожидаемого прироста тока. Недавно Холлом и др. [7] изготовлены солнечные элементы на основе с высокой плотностью тока короткого замыкания приведенные к интенсивности излучения составляют сравнимой с лучших элементов аналогичной конструкции на основе чистого сульфида кадмия. Однако точно не установлено, какие именно усовершенствования в технологии изготовления элементов обеспечили достижение столь высоких значений Сообщалось [59], что напряжение холостого хода солнечных элементов со структурой меняется с течением времени. После непродолжительной мин) выдержки элементов в обычных условиях значение стабилизируется. Этот эффект связан с электронными процессами, происходящими при участии глубоких уровней в обедненном слое. Увеличение емкости элементов данного типа при повышении концентрации цинка свидетельствует о том, что в материале, обогащенном цинком, диффузия меди происходит менее интенсивно.

Согласно результатам Мартинуцци и др. [38], при увеличении концентрации от до 15 % напряжение холостого хода повышается с 0,48 до 0,60 В, а плотность тока короткого замыкания уменьшается с 12 до Если базовой областью элемента служит двухслойная структура то при концентрации равной 15%, могут быть получены значения плотности тока короткого замыкания Однако в этом случае напряжение холостого хода снижается до 0,54 В. Как показано Мартинуцци и др. [22], у солнечных элементов, изготовленных с помощью сухого химического процесса, плотность тока короткого замыкания не меняется

Рис. 4.14. Зависимости напряжения холостого хода плотности тока короткого замыкания коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики и от содержания сульфида цинка в слое тонкопленочных солнечных элементов на основе изготовленных методами вакуумного испарения (сплошные линии) и пульверизации с последующим пиролизом (штриховые линии) [19].

при концентрации не превышающей 8%, а значение отвечающее концентрации равной 8%, составляет

Банерджи и др. [19] подробно исследовали характеристики солнечных элементов на основе изготовляемых методами вакуумного испарения и пульверизации с последующим пиролизом. Согласно результатам авторов, максимальные значения КПД элементов, получаемых данными методами, составляют соответственно 6,5% (при Зависимости и КПД этих элементов от концентрации показаны на рис. 4.14. Плотность тока короткого замыкания элементов, создаваемых с помощью вакуумного испарения, уменьшается при повышении а у элементов, изготовляемых посредством пульверизации, зависимость от состава слоя имеет максимум при . У тыльно-барьерных элементов, получаемых методом пульверизации, при введении цинка в коротковолновый край спектральной чувствительности смещается в область меньших значений длины волны.

Сингх и Джордан [97] с помощью метода пульверизации изготовили солнечные элементы на основе имеющие стабильное напряжение холостого хода, значение которого достигает 0,784 В (при При наличии освещения ширина обедненного слоя в пленках при повышении увеличивалась с 0,16 до 0,31 мкм. Изменение значения от до 0,55 вызывало уменьшение с 18,7 до Мартинуцци и др. [28] показали, что в элементах, создаваемых

методом пульверизации, изменение концентрации от до 5 % приводит к повышению с 0,48 до 0,58 В и снижению с 14,5 до .

Дас и др. [74] измерили вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе и установили, что при всех возможных значениях существуют два механизма протекания тока. Повышенным напряжениям соответствует диодный коэффициент а пониженным — . В элементах, получаемых методом пульверизации, высота барьера при протекании обратного тока изменяется от 0,86 эВ при до 0,96 эВ при . В элементах, изготовляемых с помощью вакуумного испарения, увеличивается с 0,98 эВ при до 1,14 эВ при . У элементов обоих типов при любой температуре увеличение концентрации цинка приводит к понижению обратного тока насыщения. У элементов, создаваемых методом вакуумного испарения, возрастание напряжения холостого хода, связанное с повышением концентрации вызвано уменьшением обратного тока насыщения, которое обусловлено главным образом увеличением Авторы [74] отмечают, что несоответствие параметров кристаллических решеток используемых материалов не оказывает существенного влияния на плотность состояний в области границы раздела. В элементах, изготовляемых посредством пульверизации, возрастание напряжения холостого хода при повышении объясняется увеличением высоты барьера, которое в свою очередь вызвано ростом ширины запрещенной зоны . У элементов обоих типов при повышении степень несоответствия энергий сродства к электрону понижается. Мартинуцци и др. [22] утверждают, что в исследованных ими элементах возрастание связано непосредственно с увеличением высоты барьера и, следовательно, с уменьшением

4.5.6 Микроструктура

Микроструктура пленок оказывает существенное влияние на свойства гетероперехода и фотоэлектрические характеристики солнечных элементов типа Несколькими исследователями были предприняты попытки установить количественную взаимосвязь между параметрами микроструктуры и наблюдаемыми фотоэлектрическими характеристиками элементов. Несмотря на то что основной вклад в фототок дает слой собирание носителей заряда происходит благодаря наличию электрического поля в Вследствие этого микроструктура слоя непосредственно влияет на характеристики приборов, и, кроме того, поскольку пленка создается (в процессе реакции замещения) в поверхностном слое параметры структуры в значительной степени

зависят от структурных свойств Теоретические расчеты показывают, что фототок повышается при увеличении размеров зерен [100]. Зерна столбчатой формы имеют более низкую скорость объемной рекомбинации, что способствует возрастанию фототока. Таким образом, пленки, обладающие столбчатой структурой, обеспечивают более высокие характеристики элементов, причем улучшение характеристик происходит также при увеличении размеров зерен. Пленки столбчатой структуры, получаемые методом вакуумного испарения, содержат зерна с ярко выраженной преимущественной ориентацией оси с относительно нормали к поверхности подложки. При небольшой толщине пленки образуются очень мелкие разориентированные зерна. Поэтому можно предположить, что при использовании пленок малой толщины характеристики элементов будут плохими. Амит [101] исследовал влияние толщины пленки на фотоэлектрические характеристики солнечных элементов на основе Автором установлено, что размер зерен, степень их преимущественной ориентации и размеры неровностей поверхности пленки возрастают по мере увеличения ее толщины, кроме того, при этом повышается концентрация доноров, улучшаются диодные характеристики элементов и уменьшаются токи утечки (которые зависят также и от напряжения).

Ранее отмечалось, что наилучшие характеристики имеют элементы, в состав которых входит пленка халькоцита с осью с, перпендикулярной плоскости подложки. Поскольку пленка образуется в приповерхностной области для получения ориентированных пленок необходимы слои с достаточно совершенной структурой. Сообщалось [63], что осаждение методом вакуумного испарения при пониженной температуре источника приводит к получению более высоких значений напряжения холостого хода элементов (при условии, что прочие параметры процесса изготовления не меняются). Уменьшение температуры источника испаряемого вещества не оказывает существенного влияния на ток короткого замыкания. При таком способе изготовления элементов наблюдается более слабый гистерезис спектральных характеристик чувствительности, чем в случае осаждения при высокой ( температуре испарителя. В элементах, полученных при повышенной температуре и имеющих тонкий слой при длинах волн происходит эффективное собирание носителей из слоя При низких температурах испарителя образуются слои с более высоким удельным сопротивлением. Сторти и Кулик [78] отмечают, что при увеличении скорости осаждения пленок повышается концентрация доноров, возрастает положительный пространственный заряд (в темновых условиях) и увеличивается напряженность поля на границе раздела. При отсутствии освещения все носители,

достигающие границы раздела, под действием этого поля преодолевают переход не рекомбинируя.

Удекумар [48] сообщает, что спектральная чувствительность тыльно-барьерных солнечных элементов на основе изготовляемых методом пульверизации с последующим пиролизом, в значительной степени зависит от толщины слоя (см. рис. 4.8, в). Согласно данным Мартинуцци и др. [27], качество кристаллической структуры пленок, осаждаемых посредством пульверизации, определяется отношением концентраций атомов в распыляемом растворе. При отношении концентраций, равном единице, размер зерен, имеющих преимущественную ориентацию относительно направления составляет а пленки обладают высокой прозрачностью при Такие пленки лучше всего подходят для изготовления солнечных элементов. Бодхрадж и др. [26] при использовании неоднородно легированных алюминием пленок с плотной лабиринтной структурой получили более стабильные элементы с улучшенными характеристиками.

Как отмечалось ранее, в элементах, создаваемых методом вакуумного испарения в сочетании с мокрым химическим процессом, пленка образующаяся на границах зерен, проникает внутрь слоя что приводит к значительному увеличению (более чем в 10 раз) эффективной площади перехода и понижению напряжения холостого хода. Травление поверхности (способствующее уменьшению ее коэффициента отражения) усиливает этот эффект [100]. Хьюиг и Блосс [98] установили, что пленка состоит из горизонтальной и вертикальных частей и при размере зерен 0,5... 1 мкм площадь вертикальных участков перехода в 10 раз больше площади его горизонтальной части. Верхняя область вертикального участка перехода освещена значительно сильнее нижней, куда излучение вследствие его поглощения в полупроводнике почти не проникает. Поэтому нижняя область вертикального перехода находится практически в темновых условиях, и, следовательно, в ней наблюдаются меньшие потери носителей заряда. При толщине горизонтальной части слоя равной 0,2 мкм, и такой же ширине его вертикальных частей расчетные значения плотности тока короткого замыкания в горизонтальном и вертикальном переходах равны соответственно Напряжение холостого хода таких элементов на 0,1 В ниже, чем монокристаллических элементов. Хьюиг и Блосс [98] рассчитали также зависимости и КПД элементов от размера зерен.

Солнечные элементы на основе изготовляемые сухим методом, имеют максимальный КПД при толщине пленки Некоторые авторы [13, 44, 45] отмечают, что характеристики элементов, получаемых посредством

Таблица 4.1. (см. скан)


окунания, существенно зависят от морфологии пленки Для элементов с высокими выходными параметрами характерны большая плотность глубоких ямок травления, развитый пирамидальный рельеф поверхности и значительная глубина проникновения в слой Исследование структуры пленок в элементах с различными выходными параметрами показало, что пленки с большим числом вертикальных выступов лучше поглощают излучение, что обеспечивает повышенные значения фототока. Чувствительность элементов в области

(см. скан)


межзеренных границ в 1,5 раза выше, чем в центре зерен. Согласно результатам расчета, при уменьшении диаметра зерен с 2 до фототок возрастает на Ротворф [100] установил, что при оптимальном режиме травления поверхности образуются пирамиды со стороной основания и высотой

Значительное влияние на процесс роста и структуру пленок оказывает атомный состав внешней поверхности Касвелл и др. [99] отмечают, что на поверхности, содержащей

атомы пленка формируется в 1,5 раза быстрее (а фото-э. д. с. неотожженных элементов в этом случае примерно на 20 % выше), чем на поверхности, образованной атомами

Пленки осаждаемые методом пульверизации с последующим пиролизом, имеют столбчатую структуру [24], однако она значительно отличается от микроструктуры пленок, получаемых вакуумным испарением. КПД элементов, изготовляемых посредством пульверизации, составляет 7 ... 8 %. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наличие столбчатой структуры зерен является важным условием для достижения высоких характеристик элементов, создаваемых с помощью испарения, тогда как влияние особенностей структуры зерен на характеристики элементов, изготовляемых методом пульверизации, оказывается менее существенным. Такие недостатки элементов, получаемых посредством пульверизации, как малый размер зерен и отсутствие столбчатой структуры, компенсируются положительным эффектом, обусловленным наличием электрического поля вблизи тыльной поверхности и тянущего поля в слое которые образуются при неоднородном легировании этого слоя. Следует подчеркнуть, что при равных значениях КПД элементы, создаваемые методами испарения и пульверизации, имеют неодинаковую микроструктуру и различные параметры конструкции.

Данные, представленные в табл. 4.1, позволяют сравнить выходные характеристики тонкопленочных солнечных элементов на основе изготовляемых различными методами.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление