Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
Рис 5 4.5. Связь между ^структурами и спектральными кривыми для солнечных элементов (1 - двухкаскадный, 2 - трехкаскадный) на основе различных аморфных полупроводниковых материалов
Рис. 5.4.6. Рассчитанные спектральные кривые для трех типов структур солнечного элемента: , 1 - элемент с одним переходом; 2 - двухслойный каскадный элемент, 3 - трех
слойный каскадный элемент
263
наибольшее значение к.п.д. 14 % получается при комбинации Eg =1,95 эВ и Egi = 1,45 эВ. Для элемента с тремя переходами при комбинации Eg i = 1,95 эВ, Eg2 = 1,45 эВ и Eg? = 1,0 эВ достигается наибольший к.п.д. 19 %. Эта величина в 2,4 раза больше, чем для элемента с одним переходом. Максимальный к.п.д. для каждой структуры получается при условии равенства токов короткого замыкания во всех переходах, составляющих элемент. При оптимальном условии в каскадном элементе с тремя переходами толщины г-слоев составляют 2000, 5000 и 10000 А.
На рис. 5.4.6 приведены спектральные кривые для элементов с описанными выше структурами. Отчетливо видно расчленение солнечного спектра материалами с разными значениями ширины запрещенной зоны, что и считается основной причиной высокого к.п.д. такой структуры. Из рисунка также видно снижение потерь hv — Eg для коротковолновой части спектра.
5.4.3. Производство и характеристика многопереходных солнечных элементов каскадного типа
Было показано, что солнечные элементы на основе аморфного кремния со структурой n-i-p -являются более эффективными для собирания фотовозбужденных дырок, чем элементы со структурой p-i-n [69]. Авторы настоящей работы разработали многопереходные солнечные элементы каскадного типа со структурами, приведенными на рис. 5.4.7 [58]. Элемент с двумя переходами представлен структурой, ранее обсужденной и изготовленной в работе [25, 62-65]. Но элемент каскадного типа с тремя переходами, представленный на рис. 5.4.7, б, является совершенно новой разработкой, оказавшейся возможной в результате улучшения качества пленки.
Толщины слоев a-Si: Н п- и р -типов приблизительно равны: для фронтального слоя и слоев на границе раздела первого и второго и второго и третьего переходов - 100 А, а тыльного слоя - типа - 200 А. Эти слои могут последовательно осаждаться в камере реактора тлеющего разряда при контролируемых составах газа и ВЧ мощности для возбуждения плазмы. После осаждения аморфных полупроводниковых слоев в установке испарения электронным пучком наносится пленка ОИО толщиной порядка 680 А, а также пленки сплавов Ti/Ag.
Прежде всего на изготовленных солнечных элементах с одним n-i-p -переходом, имеющих различное содержание германия в собственном слое, было оценено качество пленок a-SiGe: Н. На рис. 5.4.8 приведены фотоэлектрические характеристики этих элементов. С целью поддержания практически равных токов короткого замыкания в элементах толщина собственного слоя контролируемо изменялась в диапазоне 4000-6500 А. Как легко предсказать, напряжение холостого хода линейно зависит от оптической ширины запрещенной зоны. Снижение коэффициента заполнения в области малой оптической ширины запрещенной зоны обусловлено следующими причинами:
Нерж. ст.
' aSi-H р
Нерж. ст.
0,6
12
*1
1,4
Состав л 0,4 0,2
1 1 і—Г 1 1 a-si^te.-H
•ь. -
•••1
$х-^Х КЗ
- vfc^-x—
/воо
°о
о ° і і І і ,
- 0,4
1.7
2,0
t9opt
.эВ
Рис. 5.4.7. Структуры солнечных элементов каскадного типа (а - двухслойных; б - трехслойных) на основе a-Si : H/a-SiGe : Н (Накамура Г. и др.): Нерж. ст. - нержавеющая сталь; ОИО - оксиды индия - олова
Рис. 5.4.8. Характеристики /ы'-р-солнечных элементов на основе a-SiGe : Н с различным содержанием германия (Pin = 100 мВт/см1, 9 мм2) (Накамура Г. и др.)
1. С уменьшением оптической ширины запрещенной зоны уменьшается диффузионная длина неосновных носителей;
2. Для материалов с более узкой оптической шириной запрещенной зоны толщина /-слоя увеличивается, так что влияние последовательного сопротивления в /-слое становится заметным.
На рис. 5.4.9 приведены спектральные кривые для солнечных элементов на основе а-5Юё: Н с и-/-р-переходом. Увеличение содержания германия в пленке а-5Юе: Н повышает эффективность собирания в длинноволновой области. Были также исследованы спектральные кривые при условии наложения белого света в процессе измерения (пунктирная кривая).
Рис. 5.4-9. Спектральные кривые для элементов с различным составом аморфного полупроводника при наличии или отсутствии освещения смещения белого света [N0 1 ¦ 10"s фотоны/(см2 • с) (Накамура Г. и др.):
1 - a-Si : Н с и-/-р-переходом (1400 А);
2 - a-Si0 57Сс04з : Н с n-i-p переходом (5800 А)
264
В добавление к монохроматическому свету, который "вырезался" и регистрировался узкополосным усилителем, измеряемые образцы освещались белым светом интенсивностью 100 мВт/см2 (условия АМ-1). Практически не было выявлено никакого различия в спектральных характеристиках элемента на основе a-Si: Н с n-i-p-переходом, имеющим i-слой толщиной порядка 1400 А. Это обусловлено тем, что в таком тонком /-слое существует очень сильное диффузионное поле, которое может полностью собрать фотогенерируемые носители. В противоположность этому на спектральной характеристике элемента, имеющего /-слой a-Si0)s 7Ge0,43 ¦' Н толщиной 5800 А, при наложении белого освещения имеет место подъем в коротковолновой области. Вероятность собирания дырок, генерирующих коротковолновым светом вблизи границы раздела n—i, будет увеличиваться за счет избыточного поля, создаваемого избыточными электронами вблизи р-/-границы, обусловленными длинноволновой составляющей белого света.
