Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Множество структурных дефектов, содержащихся в микро-поликристаллических и аморфных диэлектрических пленках, а также нестехиометричность и неоднородность их состава обусловливают высокую концентрацию ловушек, распределенных в запрещенной зоне (которая у материалов такого типа имеет большую ширину). Количество исследований, посвященных изучению этих явлений, невелико, однако значения концентрации ловушек от 1016 до 1020 см-3 можно считать установленными достаточно надежно, а их учет позволяет объяснить резкое уменьшение плотности туннельного тока.
Поверхностные состояния способствуют накоплению заряда и играют роль рекомбинационных центров; кроме того, при их участии происходит туннелирование носителей. Наконец, следует отметить, что при рассмотрении процесса переноса горячих электронов в тонком диэлектрическом слое необходимо учитывать потери энергии, связанные с генерацией оптических фононов (см. [254]). Вследствие этого эффекта значительно усиливается электрон-электронное рассеяние.
3.5.2 Оптические свойства
Как диэлектрические свойства, так и оптические постоянные диэлектрических пленок зависят от особенностей их микроструктуры (см. рис. 3.39). Поскольку микрополикристаллические пленки и соответствующие массивные образцы имеют одинаковый ближний порядок структуры, они не отличаются и по ширине запрещенной зоны. Однако из-за наличия в пленках структурных дефектов и механических напряжений края их энергетических зон могут быть размыты.
Глава 4
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА МЕДИ
4.1 Введение
Сульфид меди Cu2S обладает чрезвычайно благоприятными свойствами, позволяющими использовать его в фотоэлектрических преобразователях энергии, причем наиболее удачными являются его сочетания с CdS и ZnCdS. Природные запасы химических элементов, входящих в состав Cu2S и CdS, довольно велики, поэтому неудивительно, что среди различных типов тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей наиболее широко исследованы солнечные элементы с гетеропереходом Cu2S — CdS [1—5]. Результатом проведенных разработок явилось создание тонкопленочных солнечных элементов со структурой Cu2S — CdS, имеющих КПД 9,15% [6], и элементов на основе Cu2S — ZnCdS с КПД 10,2% [7]. Теоретический анализ показал, что для тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей типа Cu2S — CdS и Cu2S — ZnCdS реально достижимы значения КПД 11 % и 14. ..15% соответственно [8, 9].
Первые сообщения о солнечных элементах на основе Cu2S — CdS появились более четверти века назад. В 1954 г. Рейнольдс и др. [10] после проведения термообработки медных контактов к CdS впервые обнаружили в данной структуре фотоэффект при энергиях фотонов, меньших ширины запрещенной зоны CdS. На начальном этапе изучение солнечных элементов на основе Cu2S — CdS осуществлялось исследовательскими группами фирм Harshaw, Clevite, ARL, RCA и Станфордского университета (США), а также фирм SAT (Франция), AEG — Telefunken (ФРГ) и IRD (Великобритания). На этом этапе был разработан ряд методов изготовления тонкопленочных солнечных элементов, а уровень технологии, достигнутый к концу 60-х — началу 70-х годов, обеспечил получение элементов малой площади с КПД ~7% при низкой воспроизводимости их характеристик. Типичные значения КПД крупных солнечных элементов составляли 3. ..4%. В ходе исследований возникло не-
Солнечные элементы на основе сульфида меди
221
сколько проблем, связанных с процессом изготовления и эксплуатацией солнечных элементов, которые в то время решить не удавалось. К их числу относились необратимое ухудшение выходных параметров элементов, низкое напряжение холостого хода, невоспроизводимость состава слоя Cu2S и отсутствие надежной герметизации. Разработки проводились в основном на эмпирической основе при недостаточно глубоком понимании процессов, происходящих в солнечных элементах. Таким образом, данный этап характеризуется невысоким уровнем как теоретических исследований, так и практических результатов.
В 70-е годы работы по созданию тонкопленочных элементов со структурой Cu2S — CdS выполнялись главным образом в университете шт. Делавэр, Штуттгартском и Станфордском университетах, в лабораториях Photon Power (США), CNRS (Франция) и лаборатории тонких пленок Индийского технологического института (г. Дели). Новый этап исследований отмечен созданием высокоэффективных солнечных элементов, изготовлением модулей и панелей элементов, разработкой метода осаждения пленок посредством пульверизации раствора с последующим пиролизом, значительным повышением стабильности элементов и достижением воспроизводимости их характеристик. В результате проведенных исследований и разработок были модифицированы и усовершенствованы ранее применявшиеся методы изготовления, а также повышено качество используемых материалов. Эмпирические поиски путей усовершенствования технологических процессов уступили место более целенаправленным и согласованным действиям, основанным на большом количестве теоретических исследований элементов, включающих анализ причин их выхода из строя, а также выявление и устранение источников потерь излучения и носителей заряда. Установлено, что генерация фототока происходит в основном в слое Cu2S, и после признания важной роли этого слоя солнечные элементы такого типа, известные под названием элементов на основе CdS, было предложено переименовать в элементы на основе Cu2S. Для объяснения особенностей характеристик солнечных элементов разработано несколько теоретических моделей, базирующихся на данных о физических, электронных и оптоэлектронных свойствах элементов.
