Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Солнечные элементы со структурой CdS —InP изготовляли, кроме того, путем испарения CdS в вакууме на монокристаллические гомо-эпитаксиальные слои р-InP, выращенные в свою очередь методом химического осаждения из паровой фазы на монокристаллических подложках р+-1пР*. Были изготовлены солнечные элементы с КПД от 8 до 12%. Для лучшего фотопреобразователя получили следующие характеристики: Voc = 0,72 В; Jsc = 23,2 мА/см2; //= 0,63 и т)5 = 11,9% (без просветления, условия освещения, близкие к АМ1, мощность падающего солнечного излучения 94 мВт/см2 с учетом только активной поверхности элемента). Экстраполяцией напряжения холостого хода к 0 К получено значение контактной разности потенциалов 1,06 эВ.
Наибольшее значение Voc было получено в [Yoshikawa, Sakai, 1977], где элементы изготовляли методом газотранспортной реакции в замкнутой системе.
Фотопреобразователи имели Voc = 0,807 В; Jsc = 18,6 мА/см2; //= = 0,74 и i)s = 14,4% (АМ2, 77 мВт/см2). В отличие от ранее рассматривавшихся элементов слой CdS осаждали не на грани (111), а на (110) InP.
* В этих элементах поверхность слоя CdS слегка текстурирована вследствие образования микрофасет в процессе роста и поэтому обладает некоторыми просветляющими свойствами [Manasevit е. а., 1978].
212
Рис. 5.14. Энергетическая зонная диаграмма гетероперехода CdS-InP, в котором пленка CdS осаждалась на монокристаплическую подложку InP методом газотранспортной реакции в замкнутой системе [Yoshikawa A., Sakai Y. S. Solid State Electron. Pcrgamon Press, 1977, vol. 20)
Температуру подложки при этом поддерживали около 710°С. Контактная разность потенциалов VJ = 1,14 зВ соответствовала значению Voc, наблюдавшемуся и другими исследователями, и более того, почти точно совпадала с табличными параметрами электронного сродства для CdS и InP. Емкостные измерения указывали на наличие резкого перехода в соответствии с зонной диаграммой, представленной на рис. 5.14.
С учетом влияния степени соответствия параметров кристаллических решеток между CdS и InP на характеристики фотопреобразователей вызывает удивление тот факт, что они получаются очень близкими в случае структуры ITO —InP, где велико несоответствие между параметрами решеток входящих в нее материалов. Солнечные элементы, в которых слои ITO с удельным сопротивлением 10"3 Ом-см получали ионно-лучевым осаждением на кристаллы р-InP, легированные цинком, имели Voc = 0,76 В; Jsc = 21,5 мА/см2; //= 0,65 и rjs = 14,4% (использовали просветляющее покрытие MgF2) [Sree Harsha е. а., 1977].
Аналогичные результаты получены в случае слоев ITO, осажденных с помощью катодного распыления на гомоэпитаксиальные слои р-InP, выращенные методом химического осаждения из паровой фазы на подложках p+-InP [Manasevit е. а., 1978]. Наиболее совершенный фотопреобразователь имел следующие характеристики: Voc = 0,69 В; Jsc =
= 23,4 мА/см2; // = 0,65 и i?s = 12,4% (условия освещения, близкие к AM 1,5, мощность падающего светового потока 85 мВт/см2, просветляющие покрытия не наносились). Экстраполяцией напряжения холостого хода к Г = 0К установлено, что VD = 1,09 В, т. е. совпадает с ранее указанным значением; для получения максимального КПД требуется отжиг. Хорошие характеристики солнечного элемента, полученные несмотря на несоответствие параметров решеток ITO и InP, обусловлены, по-видимому, формированием скрытого гомоперехода в InP.
Свидетельства о наличии скрытого гомоперехода получены при анализе солнечных элементов, в которых слой ITO осаждали методом ВЧ-распыления [Bachmann е. а., 1979]. С помощью ионнозондовых измерений было установлено, что атомы Sn проникают в подложку р-InP при температуре 250° С и изменяют тип ее проводимости. Если температуру подложки при осаждении ITO поддерживали около 27°С, в ней Sn отсутствовал, хотя это не исключало возможности формирования очень тонкого гомоперехода.
Установлено, что в структуре 1ТО-р-1пР скрытый гомопереход может образовываться в результате воздействия самого процесса распыле-
213
0,0<f7Sn»H
ИЕс=0,112эВ
________1_
"Т1"
ЭВ
1, J*3B
Г
6р = 0,088 ЗЪ InP
р=е,1-1о17см~*
CdS
п-2,8-101Я cм",
ния. Диоды Шоттки изготавливали путем термического испарения в вакууме тонких пленок Аи на подложки р-InP. Если подложки предварительно подвергали очистке путем ионного распыления в среде аргона при условиях, идентичных условиям осаждения ITO, спектральная чувствительность диодов Шоттки резко снижалась в области больших энергий фотонов и приобретала вид, типичный для гомопереходов. Более того, она становилась идентичной для диодов Шоттки и солнечных элементов 1ТО-р-1пР. Однако если барьеры Шоттки Аи—р-InP формировали на подложках, не подвергавшихся после химического травления ионной очистке, спектральная чувствительность в коротковолновой области спектра возрастала и соответствовала чувствительности совершенных полупроводниковых устройств с барьером Шоттки.
Указанные результаты следует сравнить с полученными в случае гетеропереходных структур CdS —GaAs с применением метода химического осаждения из паровой фазы (несоответствие параметров кристаллических решеток в случае этих структур достигает примерно 3,5%) [Bettini е. а., 1978; Yoshikawa, Sakai, 1975]. Для получения совершенных диодов требуются, конечно, травление и отжиг. Хотя получены диоды с относительно неплохими характеристиками (70 = 10*8 А/см2 при А = 1,8) [Bet-tini е. а., 1978], значения rjq и Voc оказались слишком малыми, чтобы считать солнечные элементы с гетеропереходной структурой CdS-GaAs конкурентоспособными по отношению к остальным. В солнечных элементах на основе ITO - GaAs, изготовленных с применением методов высокочастотного распыления, магнетронного распыления и ионно-лучевого осаждения, значения параметров Jsc, Voc и i)s (tjs < 5%) оказались хуже, чем в ITO-InP (т)5 ^ 14%). По-видимому, особенности формирования р - и-перехода при наличии большого несоответствия решеток в одних случаях (ITO-InP) позволяют добиться высоких значений T)q и Voc, а в других (CdS - GaAs или ITO - GaAs) — нет.