Диссертация (1150342), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В качестве буферного слоя для формированияСФ обычно применяют CdS (n-тип проводимости), наносимый с освещаемойстороны устройства. Сульфид кадмия широко используется в сочетании сполупроводниками p-типа в связи с хорошо разработанной технологиейнанесения из растворов, при этом тонкий слой CdS пассивирует поверхностныедефекты.
Изменяя соотношение In/Ga и Se/S можно оптимизировать значениеширины запрещенной зоны для оптимизации КПД СФ. Возможность плавногоизменения состава позволяет создавать слой и меняющимся значением ширинызапрещенной зоны, что приводит к увеличению эффективности разделениягенерируемых зарядов. Состав CuInS2 обладает n-типом проводимости и ширинойзапрещенной зоны от 1.43 до 1.8 эВ, при этом высокое значение ширинызапрещенной зоны достигается в пленках толщиной порядка 100 нм [13].Интересное применение находят наночастицы n-типа халькопирита CuInS2 вкачестве материала для формирования органо-неорганических СФ [14].ТеллуридкадмияCdTeявляетсяперспективнымматериаломдляформирования СФ.
Технология формирования пленок CdTe достаточно проста всвязи с конгруэнтной сублимацией. Ширина запрещенной зоны (1.49 эВ) близка коптимальной для формирования СФ с одним гетеропереходом. В качествебуферного слоя применяется сульфид кадмия, который обычно наносится поверхпрозрачного слоя проводящих оксидов ITO (In2O3:Pb) или FTO (Sn2O3:F) настеклянной подложке при достаточно высоких температурах подложки 400 –500 °С. Для высоких значений КПД обычно необходима активация активногослоя, для чего применяют обработку хлорсодержащими материалами (CdCl2).Также для эффективной работы необходим низкорезистивный контакт собратным электродом, для чего используют переходный слой CuxTe, при этомплавное изменение валентной зоны обусловлено диффузией меди в слой CdTe.КПД СФ на основе CdTe составляет примерно 10 – 16 % [15].
Преимуществомданного материала являются, высокая скорость роста пленок при сохранениистехиометрии состава, и оптимальное значение ширины запрещенной зоны, чтоспособствовало внедрению СФ на основе CdTe. Однако недостатками являются21существеннаястоимостьиограниченнаядоступностьTe,токсичностьматериалов, используемых в активном слое. Однако одним из путей решения этойпроблемы является вторичное использование материалов при утилизации СФ.Для СФ на основе красителей (ячейки Грецеля) используют широкозонныеполупроводники ZnO, SnO2, TiO2. Большинство ячеек такого типа формируется надиоксиде титана TiO2, ширина запрещенной зоны которого составляет 3.2 эВ.Поглощающий свет краситель наносится тонким слоем на оксид титана. Дляувеличения поверхности обычно используют слой наноразмерных частиц оксида,в качестве красителя используют производные хлорофилла и его комплексы сразличными металлами.
Высокие значения КПД получены для комплексоврутения с бипиридином 7 – 10% [16].В последние годы активно изучаются органические СФ. Такие СФ удобнытем, что могут быть нанесены на подложки любого типа методом печати илираспыления спрея, что должно существенно снизить стоимость производства СФ.Для органических СФ широкое распространение получили поли-3-гексилтиофен(P3HT) и бензодитиофеновые производные, выступающие в роли электрондонорных материалов. В качестве электрон акцепторного материала в паре спроизводными P3HT и бензодитиофена применяются фуллерены C60, C70 и ихрастворимые производные.
Интерес к фуллеренам главным образом обусловленвысоким сродством к электрону данных материалов, способностью образовыватьнаноразмерные структуры в объемном гетеропереходе, обладают высокойподвижностью электронов [17, 18]. Для достижения высокой эффективностиважным критерием является ширина запрещенной зоны полупроводника, в связис чем применение узкозонных органических полимеров значительно увеличиваетэффективность СФ вследствие утилизации большей части спектра солнечногосвета. Среди основных путей развития электрон донорных материалов следуетотметить подбор сомономеров илиакцепторныхгруппв сочетаниесбензодитиофеном для уменьшения ширины запрещенной зоны и уровня энергииВЗМО, что приводит к увеличению спектрального диапазона, поглощаемогополимером и напряжения холостого хода соответственно. КПД устройств, с22применением бензодитиофеновых производных, составляет порядка 5 – 7%[19].Среди производных тиофена следует также отметить поли{2,3-[4,4-бис(2этилгексил)-4H-циклопента[2,1-b;3,4-b’]дитиофен]-альт-4,7-(1,2,3бензобензотиадиазол)} (PCPDTBT) в сочетании с PC70BM давшего эффективностьпреобразования солнечного света примерно 5.5% [20]В качестве донорных материалов (p-типа проводимости) для СФисследовались фталоцианины металлов (Cu, Zn), которые в паре с фулереном C60позволяют получить КПД порядка 2% [21], замещенный парафениленвинилен(MDMO-PPV) [22] КПД достигает порядка 2.5 %.Оптимизация электрон акцептора PCBM или PC70BM обычно связана спопытками повысить уровень энергии НСМО, что приводит к увеличениюнапряжения холостого хода [23, 24].Относительно новым направлением создания СФ является применениенаночастиц в качестве электрон акцепторного материала в сочетании сорганическими донорами.
Для формирования объемного гетеропереходного слояприменяются наночастицы CdTe [25], PbS [26], SnSe [27], GaAs [28] CuInS2[29].Основными путями повышения КПД гибридных солнечных элементов являетсяоптимизация транспорта заряженых частиц и утилизация ближнего ИК диапазонасолнечного света. В связи с этим особый интерес представляют наночастицы PbS(0.4 эВ) и PbSe (0.27 эВ).
В работе [30] КПД СФ на основе PbS составил 3.7%.Транспортные свойства были улучшены за счет применения электронакцепторного слоя TiO2 в качестве органического полимера использовалсяPDTPBT(поли{2,6-[N-(1-октилнонил)-дитиено-[3,2-b:2’,3’-d]пиррол]-альт-4,7-(1,2,3-бензобензотиадиазол)}).1.3. Физико-химические методы получения тонких пленокселеноиндатов (галлатов) медиВ предыдущем разделе были описаны перспективные материалы длясоздания солнечных фотоэлементов, одним из которых являются тонкиеполикристаллические пленки CuInxGa1-xSe2. Интерес к данному материалу23обусловлен варьируемой шириной запрещенной зоны от 1 до 1.6 эВ и высокимкоэффициентом поглощения (порядка 105 см-1).
Свойства, а также стоимостьизготовления СФ существенным образом зависят от методов получениятонкопленочных материалов. Получаемый материал должен обладать высокойчистотой, структура пленки должна быть однородной, существенным факторомтакже является однородность состава и морфологии пленок с высокой площадьюповерхности (более 100 см2) для коммерческого внедрения. Существуютразнообразные методы синтеза тонких поликристаллических пленок, средикоторых наилучшие результаты получаются с использованием вакуумных ивысокотемпературныхпроцессов,что,однако,значительноувеличиваетстоимость производства пленок. Приведем основные методы получения пленокCuInxGa1-xSe2Одновременное соиспарение элементовСущность этого метода заключается в нанесении всех элементовсоединения с заданным стехиометрическим соотношением на подложку путемиспарения элементов.При формировании пленок CuInxGa1-xSe2 одностадийным соиспарением,составные элементы наносятся на разогретую подложку (порядка 550 °С), где врезультатеспонтанныхреакцийобразуетсясоединениесоструктуройхалькопирита [31].
При этом осаждение элементов может осуществляться измолекулярных или ионных пучков, получаемых термическим испарением,магнетронным распылением [32]. Сложность реализации данного методазаключается в необходимости подбора условий (соотношения потоков элементов)для формирования заданного состава, при этом создание однородного потокаэлементов для больших площадей поверхности является сложной практическойзадачей.
Также требуются условия глубокого вакуума для переноса элементов.Среди преимуществ следует отметить высокое качество получаемых пленок ивозможность контролируемого синтеза составов CuIn3Se5, образующихся врежиме нанесения с недостатком меди.Для получения тонких пленок соиспорением элементов возможны также24многостадийные процессы, что существенно упрощает задачу по контролюатомных потоков исходных элементов и скорости их осаждения на подложку.Процесс, развитый в US National Renewable Energy Laboratory (NREL), состоит изосаждения In2Se3 при относительно низкой температуре подложки (около 350 °C),затем следуют испарения Cu и Se при более высокой температуре (500 – 560 °C) стем, чтобы в результате получить обогащенную медью пленку CIS. Послеосаждения еще некоторого количества In2Se3 получается пленка, состав которойнесколько обеднен медью.Двухстадийныйпроцесс:нанесенияслоевпредшественниковитермический отжигНа первой стадии данного процесса происходит осаждение всех основныхэлементов на холодную подложку соиспарением или последовательнымиспарением, на второй стадии термический отжиг [32].
Преимуществом данногометода является возможность контроля состава исходя из толщины нанесенныхслоев предшественников. Отжиг нанесенных слоев осуществляется в вакууме илив атмосфере инертного газа при температурах 450 - 550 °С в течение несколькихминут. Время процесса термического отжига может быть оптимизировано путемконтролясопротивлениянанесенныхслоев.Длякомпенсацииселена,испаряющегося с подложки, подбирается избыточное количество в нанесенныхслоях предшественников или используется атмосфера паров селена (H2Se Ar).Нанесение Cu-In металлических предшественников с последующейселенизациейОсновной технологической сложностью при одностадийном получениипленок является необходимости нанесения в строгом стехиометрическомсоотношении всех элементов состава.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
