Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
В современных солнечных элементах с р — i — я-структурой, у которых почти весь полупроводниковый слой обеднен носителями заряда, напряженность электрического поля в нелегированной области в режиме короткого замыкания составляет -2-104 В/см [39, 113].
В настоящее время у элементов площадью 4,2 мм2 со структурой металл — диэлектрик — полупроводник на основе пленок a-Si: F: Н, осаждаемых в тлеющем разряде [14], в условиях АМ1 достигнут КПД около 6,3%. В конструкцию элементов данного тина обычно входят: высокопроводящая пленка аморфного кремния п+-типа проводимости толщиной —80 нм, нанесенная на поверхность отражающего слоя молибдена, который служит тыльным контактом; фотоактивный слой нелегированного a-Si: F: Н толщиной —0,5 мкм (для этого слоя характерны относительно низкая плотность локализованных состояний [6], а в рабочем режиме — небольшое последовательное сопротивление, поскольку в условиях АМ1 его удельная фотопроводимость составляет 10~4. ..10_3 Ом_1-см-1); слой диэлектрика (Nl^Os) толщиной —2 нм; пленка сплава Au (90%)—Pd (10%) толщиной — 7 нм на основе металлов с большой работой выхода и просветляющее покрытие из ZnS толщиной 35 нм, которое является верхним слоем элемента.
Световая вольт-амперная характеристика солнечного элемента со структурой металл — диэлектрик — полупроводник, измеренная при интенсивности излучения 83 мВт/см2, показана на рис. 6.10. Этот элемент имеет следующие выходные характеристики: УОс = 0,75 В, Jsc= 12,24 мА/см2, FF = 0,56 и т] = 6,2 %. Возможности усовершенствования солнечных элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник связаны с оптимизацией параметров просветляющего покрытия (которое должно обеспечить минимальные потери излучения на отражение в спектральном диапазоне от ультрафиолетовой области до Я = 0,6 мкм), контактов, а также значений толщины слоя собственного аморфного кремния и п+-слоя [6].
Коэффициент выпрямления, найденный из темновых вольт-амперных характеристик элементов со структурой металл— диэлектрик — полупроводник, при напряжении 0,5 В составляет —105. Диодный коэффициент равен 1,12, и его отклонение от значения, свойственного идеальному диоду (п= 1), вызвано наличием оксидного слоя [114]. Анализ темновых характеристик, основанный на предположении о существовании диффузионного
Солнечные элементы на основе аморфного кремния
323
Рис. 6.10. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента на основе a-Si : F : Н со структурой металл — диэлектрик — полупроводник [14]; площадь элемента — 4,2 мм2; интенсивность излучения — 83 мВт/см2.
механизма протекания тока, показывает, что измеренному значению плотности обратного тока насыщения /5~10“12 мА/см2 соответствует высота барьера фБ—1,0 эВ [6]. Такое же значение Фв получено исходя из температурной зависимости Js. Диодный коэффициент освещенных элементов не изменяется при вариациях температуры в интервале 180... 300 К, и его значение равно единице.
Согласно данным Уилсона и др. [15], солнечные элементы на основе a-Si: Н со структурой металл — диэлектрик — полупроводник, у которых на пленку аморфного материала нанесены слои ТЮХ и Ni, при освещении имитатором солнечного излучения (интенсивность света — 60 мВт/см2) имеют КПД 4,8%. Основная часть пленки a-Si: Н (общей толщиной
— 1 мкм) представляет собой нелегированный полупроводник, и лишь тонкий слой a-Si: Н, прилегающий к стальной подложке, обладает проводимостью я+-типа, что обеспечивает омический контакт. Солнечные элементы не снабжены просветляющими покрытиями; если же учесть эффект просветления, то их КПД составит 6,3%. При коэффициенте пропускания металлических контактов, равном 50%, и площади элементов — 7-10-2 см2 в условиях АМ1 получены следующие выходные характеристики: 7SC>9,6 мА/см2, Уос>0,6 В и FF^0,51. Как показали выполненные Уилсоном и др. [16] исследования диодов с барьером Шоттки, носители, генерируемые вне области пространственного заряда, фактически не достигают перехода, что обусловливает необходимость создания тянущего электрического поля. При высокой температуре осаждения пленок a-Si: Н чувствительность элементов в длинноволновой области возрастает, однако при этом ухудшаются их диодные характеристики.
324
Глава 6
Солнечные элементы обладают высокой эффективностью лишь в том случае, если пленка а-Si: Н осаждается на подложку, нагретую дб температуры Гп = 200 ... 400 °С. В предыдущих разделах при обсуждении свойств пленок а-Si: Н отмечалось, что именно при этих значениях температуры подложки концентрация дефектов минимальна. Зависимости плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечных элементов с барьером Шоттки, в которых используется платиновый металлический контакт, от температуры подложки приведены на рис. 6.11. Возрастание /5С при повышении Гп обусловлено увеличением оптической ширины запрещенной зоны ?0pt, коэффициента поглощения света и времени жизни носителей заряда. Повышение Тп сопровождается понижением Уос, что является следствием уменьшения высоты барьера фв при увеличении Еopt. Температурные зависимости напряжения холостого хода солнечных элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник и р — i — ^-структурой носят более сложный характер.
