Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
4.5.5 Состав сплава Zn^Cd^S
Увеличение концентрации цинка в солнечных элементах на основе Cu2S—ZnxCdi-xS, как правило, приводит к повышению напряжения холостого хода. Однако возрастание Уос сопро-
262
Глава 4
Рис. 4.13. Графики зависимости толщины слоя сульфида меди d от продолжительности окунания при различных составах пленок Zn^Cd!-^ [79].
вождается уменьшением тока короткого замыкания и КПД. Бертон и др. [96] установили, что тонкопленочные солнечные элементы со структурой Cu2S—ZrbCdi-xS, получаемые методом испарения в сочетании с сухим химическим процессом, при относительной концентрации Zn выше 10 % имеют напряжение холостого хода 0,67...0,68 В. При осуществлении мокрого процесса столь высокие значения Voc могут быть достигнуты при концентрации Zn —40% (максимальное значение Уос составляет 0,72 В). Плотность тока короткого замыкания элементов обоих типов, приблизительно равная 15 мА/см2 в случае использования чистого CdS, уменьшается почти до 1 мА/см2 при концентрации Zn выше 35 %. Как показывают измерения, напряжение холостого хода связано с высотой потенциального барьера линейной зависимостью.
В другой работе Бертон и др. [40] отмечают, что пленки ZnxCdi-xS, осаждаемые методом вакуумного испарения из одного источника, неоднородны по составу в направлении, перпендикулярном подложке, поскольку из порошкообразного ZnxCdi_xS интенсивно испаряется кадмий. Авторы ввели в употребление концентрический двухкамерный испаритель, который обеспечивает более высокую степень однородности пленок и и позволяет регулировать их состав [7]. Бертон и Хенч [95] полагают, что низкие значения тока короткого замыкания элементов на основе ZnxCdi_xS связаны с неоптимальной толщиной слоя CuxS, значительным отклонением состава CuxS от стехиометрического и высокой отражательной способностью поверх-
Солнечные элементы на основе сульфида меди
263
ности элементов, у которых слой CdS не подвергался химическому травлению. Установлено, что при х<0,2 последовательное сопротивление остается достаточно низким. Последующие эксперименты [79] показали, что при идентичных условиях процесса формирования пленки Cu^S ее толщина оказывается более низкой, если в качестве подложки вместо CdS используется слой ZrixCdi-^S. На толщину пленки CuxS, как видно из рис. 4.13, значительное влияние оказывает концентрация цинка. Однако даже при составе Cu^S, близком к стехиометрическому, и при создании пленок CuxS, сравнимых по толщине с пленками, получаемыми на поверхности CdS, солнечные элементы на основе ZnxCdi-xS имеют пониженные значения тока короткого замыкания. Эти результаты приводят к выводу о том, что снижение эффективности собирания носителей в элементах на основе ZrixCdi-xS вызвано ослаблением электрического поля в области перехода вследствие высокого удельного сопротивления слоев ZrixCdi-xS. Легирование ZrixCdi-xS индием способствует уменьшению удельного сопротивления, однако не обеспечивает ожидаемого прироста тока. Недавно Холлом и др. [7] изготовлены солнечные элементы на основе ZnxCdi_xS с высокой плотностью тока короткого замыкания (значения /sc, приведенные к интенсивности излучения 100 мВт/см2, составляют
22.. .26 мА/см2), сравнимой с Jsc лучших элементов аналогичной конструкции на основе чистого сульфида кадмия. Однако точно не установлено, какие именно усовершенствования в технологии изготовления элементов обеспечили достижение столь высоких значений 7SC. Сообщалось [59], что напряжение холостого хода солнечных элементов со структурой C112S—ZnxCdi_xS меняется с течением времени. После непродолжительной (~30 мин) выдержки элементов в обычных условиях значение Voc стабилизируется. Этот эффект связан с электронными процессами, происходящими при участии глубоких уровней в обедненном слое. Увеличение емкости элементов данного типа при повышении концентрации цинка свидетельствует о том, что в материале, обогащенном цинком, диффузия меди происходит менее интенсивно.
Согласно результатам Мартинуцци и др. [38], при увеличении концентрации Zn от 0 до 15 % напряжение холостого хода повышается с 0,48 до 0,60 В, а плотность тока короткого замыкания уменьшается с 12 до 7 мА/см2. Если базовой областью элемента служит двухслойная структура CdS—ZnCdS, то при концентрации Zn, равной 15%, могут быть получены значения плотности тока короткого замыкания ~ 10,5 мА/см2 Однако в этом случае напряжение холостого хода снижается до 0,54 В. Как показано Мартинуцци и др. [22], у солнечных элементов, изготовленных с помощью сухого химического процесса, плотность тока короткого замыкания (~12 мА/см2) не меняется
264
Глава 4
0,7
FF
0,65
0,55
J_______I______l_____i >
0
J________I______1 I___________n_
0 10 20 '30 40
0 10 20 30 40
Массовая Золя ZnS,%
Массовая Золя ZnS, %
Рис. 4.14. Зависимости напряжения холостого хода ]/ос {1), плотности тока короткого замыкания Jsc (2), коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики FF (5) и КПД (4) от содержания сульфида цинка ZnS в слое Zn^Cdi-jcS тонкопленочных солнечных элементов на основе Cu2S—ZnjCdi-A-S, изготовленных методами вакуумного испарения (сплошные линии) и пульверизации с последующим пиролизом (штриховые линии) [19].
