Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Солнечные элементы на основе сульфида меди
цельных переходов при протекании прямого тока составляет
50 ., . 80, а при прохождении обратного тока — Ю3 ... 5 • Ю5. Хэдли и Филлипс [60] измерили зависимость напряжения холостого хода элементов, изготовленных таким же способом, от интенсивности излучения и исследовали влияние температуры на их вольт-амперные характеристики. Авторы установили, что существуют два механизма протекания тока, которым отвечают значения диодного коэффициента п= 1 (в области высоких напряжений) и п = 2 (в области низких напряжений). Все высокоэффективные солнечные элементы и элементы, облучаемые световым потоком интенсивностью 10 .. . 100 мВт/см2, имеют диодный коэффициент, равный единице. При более низких уровнях интенсивности излучения диодный коэффициент принимает значение п = 2, и вследствие этого уменьшается коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики. При п= 1 плотность обратного тока насыщения Js связана с температурой экспоненциальной зависимостью, анализ которой показывает, что высота барьера в области перехода примерно равна 0,9 эВ. В элементах с диодным коэффициентом п = 2 высота барьера составляет около 0,4 эВ. Для тонкопленочных солнечных элементов, создаваемых методом вакуумного испарения в сочетании с мокрым процессом, Сторти и Кулик [78] получили значения высоты барьера в интервале 0,86 ... 0,94 эВ при Jso = 3,2 • 107.. .3,7 • 108 мА/см2.
При исследовании элементов, изготовленных методом пульверизации с последующим пиролизом, Дас и др. [74] обнаружили существование в области температур 300. . . 333 К двух механизмов протекания тока и установили, что значениям п= 1 и Jstt 10-9 мА/см2 соответствует высота барьера ~0,86 эВ. Аналогичные результаты получил Сингх [29], сообщавший о том, что на графике зависимости lg(J + JL) от V можно выделить два линейных участка, причем при высоких напряжениях угол наклона прямой практически не зависит от температуры, а в области низких напряжений он слабо меняется при вариациях температуры. Граничное напряжение, разделяющее эти две области, определяется температурой элемента, однако во всех случаях оно оказывается более низким по сравнению с напряжением, отвечающим максимальной мощности. При наличии освещения и температурах —66 ... +25°С протекание прямого тока обусловлено в основном многоступенчатым туннельно-рекомбинационным процессом. Изучая вольт-амперные характеристики тонкопленочных солнечных элементов на основе Cu2S и CdS (с неоднородным профилем легирования), полученных методом пульверизации в сочетании с мокрым процессом, Мартинуцци и др. [56] пришли к выводу о том, что преобладающим механизмом протекания тока является многоступенчатое туннелирование.
Согласно сообщению Андерсона и Джоната [58], прямые вольт-амперные характеристики тонкопленочных солнечных
254
Глава 4
элементов со структурой C112S—CdS, изготовляемых методом ионного распыления, отличаются от характеристик элементов* создаваемых с помощью вакуумного испарения или пульверизации, и их можно интерпретировать исходя из предположения* что протекание тока ограничено пространственным зарядом.
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 C112S—CdS различных способов обработки и свойств применяемых в них материалов, в том числе термообработки [3, 42, 53* 78, 81—87], состава CuxS [52, 53, 67, 70, 88—91], удельного сопротивления [93] и концентрации легирующей примеси [3, 79, 89* 91, 94] в CdS, состава сплава Zn^Cdi_xS [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 C112S—CdS 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 Cu*S 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 Cu2S, состав которой незначительно отличается от стехиометрического. Вследствие этого элементы имеют узкую область пространственного заряда [102], к тому же ионизация под действием света глубо-
