Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
5.4.1 Фотоэлектрические характеристики
КПД солнечных элементов размером 2x2 см (с просветляющими покрытиями из Si3N4), создаваемых из кремниевых пленок, осаждаемых на многократно используемые подложки с последующей лазерной рекристаллизацией, достигает в условиях АМ1 12% при УОС=0,582 В, Jsc = 28,3 мА/см2 и FF = 0,73. Снижение КПД элементов большей площади (28 см2) связано главным образом с уменьшением плотности тока короткого замыкания. Такие элементы при выходных параметрах УОС = 0,595 В, Jsc = 23,1 мА/см2 и FF = 0,72 имеют КПД, равный 9,93%. Основ-
Таблица 5.1. Фотоэлектрические характеристики и КПД солнечных элементов на основе тонких пленок кремния, получаемых различными методами
ВИ — вакуумное испарение, ОМИП — осаждение на многократно используемые подложки,
ПККП — нанесение слоев поликристаллического кремния на керамические подложки,
ХОПФ — химическое осаждение из паровой фазы
Метод осажде- ния Тип перехода или структура элемента Просвет- ляющее покрытие (мате- риал) Площадь элемента, см2 Интен- сивность излуче- ния, мВт,см2 V’ в ^SC’ мА см- FF КПД, % Литера- тура
ОМИП Гомопереход Si3N4 4,0 АМ1 0,582 28,3 0,73 12,0 [19]
ОМИП » SI3N4 28,0 АМ1 0,595 23,1 0,72 9,93 [19]
ХОПФ » Sn02 30,0 АМ1 0,56 . . . 0,58 19 ... 22 0,75 9,0 [2]
ХОПФ » SiO 8,3 100 0,58 15,2 0,67 5,9 (без просветляющего покрытия) 7,3 (с просветляющим покрытием) [17]
ХОПФ » — 4,4 80 <0,1 6 — 0,05 [20]
ХОПФ Барьер Шоттки — 6,25 АМО 0,33 13 0,44 1,4 [20]
пккп Гомопереход SiO 1,05 100 0,53 26,8 0,675 9,6 [24]
пккп » Ti02 — АМ1 0,495 23 0,55 6,2 [26]
пккп Мета л л —ди эле к -трик — полупроводник Ti02 АМ1 0,38 21,6 0,48 3,9 [26]
пккп Гетеропереход ITO — АМ1 0,28 25 0,23 1,6 [26]
ВИ Гомопереход 75 -0,2 12 0,6 1,9 [23]
280
Глава 5
ной причиной, ограничивающей возможность улучшения характеристик солнечных элементов на основе пленок, осаждаемых на многократно используемые подложки и состоящих из большого количества зерен, по-видимому, является высокая плотность дислокаций (на отдельных участках возрастающая до 106 см-2).
Солнечные элементы на основе эпитаксиальных кремниевых пленок, выращиваемых на подложках из металлургического кремния (после его очистки с помощью одного из вариантов метода зонной плавки — так называемого метода теплообменника) с удельным сопротивлением 0,05 Ом-см, в условиях АМ1 обладают КПД до 12 % [19]. Улучшению характеристик этих элементов способствует изотипный переход, образующийся (без применения дополнительных технологических операций) между эпитаксиальной пленкой и подложкой. Робинсон и др. [19] сообщали о получении КПД более 10 % у солнечных элементов на основе тонких эпитаксиальных пленок Si, осаждаемых химическим методом из паровой фазы на подложки из очищенного металлургического кремния с поликристаллической структурой. Чу и др. [2] разработали элементы большого размера на основе эпитаксиальных пленок Si, выращиваемых на подложках из металлургического кремния, КПД которых в условиях АМ1 составляет ~9% (при площади 30 см2) и ~8°/о (при площади 50 см2), а значения У0с, J8c и FF заключены в пределах 0,56... 0,58 В, 19... 22 мА/см2 и 0,70 ... 0,72 (более крупным элементам соответствуют меньшие значения напряжения холостого хода и плотности тока короткого замыкания). Как показали измерения, эффективная диффузионная длина неосновных носителей заряда в этих элементах равна 15... 25 мкм.
Варабисако и др. [17] с помощью химического осаждения из паровой фазы изготовили поликристаллические кремниевые солнечные элементы на подложках из металлургического кремния с КПД (в условиях АМ1) 7,3 %. Эти элементы имеют относительно большую площадь (8,3 см2) и состоят из фотоактив-ного слоя p-типа толщиной 25 мкм, поверхностного слоя п+-типа толщиной 0,5 мкм и просветляющего покрытия из SiO. Низкие значения плотности тока короткого замыкания (при отсутствии просветляющего покрытия— 13,1 ... 15,2 мА/см2) вызваны слишком малой диффузионной длиной фотогенерированных носителей в активном слое, которая, согласно измерениям, составляет
7... 11 мкм. Установлено, что влияние границ зерен на фототок не столь значительно. Аналогичные результаты получены этими же авторами при исследовании солнечных элементов на основе тонких дендритных пленок кремния, осажденных на подложки из оксида алюминия [22]. Диффузионная длина электронов в p-слое, найденная расчетным путем по измеренной спектральной зависимости чувствительности этих элементов, прибли-
Поликристаллические кремн. солн. элементы
281
зительно равна 1 мкм. Исследование элементов с помощью сканирующего лазерного луча показало, что в области границ зерен изменение фототока составляет лишь 10 % и что низкая диффузионная длина носителей заряда обусловлена поэтому не дефектами структуры, а глубокими примесными уровнями.
Наиболее значительное влияние на характеристики тонкопленочных солнечных элементов оказывает микроструктура фото-активного слоя кремния. Микроструктура пленок существенно зависит от условий осаждения, а также от качества и природы материала подложки. Низкие значения напряжения холостого хода (не выше 0,1 В) и КПД (~0,05 %) солнечных элементов с барьером Шоттки и р—n-переходом на основе поликристаллических кремниевых пленок, нанесенных на стальные подложки методом химического осаждения из паровой фазы, связаны с невысоким качеством микроструктуры пленок Si (средний размер зерен равен 2,5 мкм) и наличием в области перехода механических напряжений, вызванных несоответствием коэффициентов, теплового расширения кремния и стали [20]. При использовании пленок Si, выращенных методом химического осаждения из паровой фазы на графитовых подложках и обладающих намного* более совершенной микроструктурой, в условиях АМО (при отсутствии у элементов просветляющих покрытий) получены значения 1/ос = 0,33 В, /sc= 13 мА/см2 и FF = 0,44, которым отвечает КПД 1,4 % [20]. КПД солнечных элементов без просветляющих покрытий со структурой п+-Si—p-Si—p+-Si— металлургический кремний, изготовленных с помощью химического осаждения из паровой фазы [21], в условиях АМО ограничен (вследствие влияния границ зерен) значением 2,8 %, однако при увеличении концентрации легирующей примеси в p-области его можно повысить до 3,5%. Наличие легирующей примеси ослабляет активность границ зерен и приводит к возрастанию напряжения холостого хода и коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики, а также к уменьшению последовательного сопротивления элементов. Используя измеренные спектральные характеристики чувствительности солнечных элементов на основе пленок Si, нанесенных на подложки из металлургического кремния посредством химического осаждения из паровой фазы, Чу и др. [16] определили эффективную диффузионную длину неосновных носителей и показали, что в элементах, изготовленных на возвышенных участках поверхности кремниевых пленок, ее значения равны 30...40 мкм, а в элементах, полученных в поверхностных углублениях (где фотоотклик уменьшается на 15 ... ...20%),— 15... 20 мкм. Следует отметить, что углубления поверхности пленок обычно соответствуют областям, содержащим: большеугловые границы зерен.
