1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Варабисако и др. [17] с помощью химического осаждения из паровой фазы изготовили поликристаллические кремниевые солнечные элементы на подложках из металлургического кремния с КПД (в условиях АМ1) 7,3 ча. Эти элементы имеют относительно болыпую площадь (8,3 см') и состоят из фотоактивного слоя р-типа толщиной 25 мкм,поверхностного слоя пч-типа толщиной 0,5 мкм и просветляющего покрытия из 510. Низкие значения плотности тока короткого замыкания (прн отсутствии просветляющего покрытия — 13,!... 15,2 мА/см') вызваны слишком малой диффузионной длиной фотогенерированных носителей в активном слое, которая, согласно измерениям, составляет 7...11 мкм.
Установлено, что влияние границ зерен на фототок не столь значительно. Аналогичные результаты получены этими же авторами при исследовании солнечных элементов на основе тонких дендритных пленок кремния, осажденных на подложки из оксида алюминия [22]. Диффузионная длина электронов в р-слое, найденная расчетным путем по измеренной спектральной зависимости чувствительности этих элементов, прибли- Поликристеллические кроми.
соли. элементы га1 вительно равна 1 мкм. Исследование элементов с помощью сканирующего лазерного луча показало, что в области границ зерен изменение фототока составляет лишь 10 % и что низкая диффузионная длина носителей заряда обусловлена поэтому не дефектами структуры, а глубокими примесными уровнями. Наиболее значительное влияние на характеристики тонкопленочных солнечных элементов оказывает микроструктура фото- активного слоя кремния. Микроструктура пленок существенно зависит от условий осаждения, а также от качества и природы материала подложки.
Низкие значения напряжения холостого хода (не выше 0,1 В) и КПД (-0,05%) солнечных элементов с барьером Шоттки и р — и-переходом на основе поликристаллических кремниевых пленок, нанесенных на стальные подложки методом химического осаждения из паровой фазы, связаны с невысоким качеством микроструктуры пленок 31 (средний размер зерен равен 2,5 мкм) и наличием в области перехода механических напряжений, вызванных несоответствием коэффициентов теплового расширения кремния и стали (20). При использовании пленок 31, выращенных методом химического осаждения пз паровой фазы на графитовых подложках и обладающих намного более совершенной микроструктурой, в условиях АМО (при отсутствии у элементов просветляющих покрытий) получены значения 1'„=0,33 В, Х,„=13 мА/см' и гг =0,44, которым отвечает КПД 1,4 % 1201 КПД солнечных элементов без просветляющих покрытий со структурой пе-81 — /т-51 — рч-81 — металлургический кремний, изготовленных с помощью химического осаждения из паровой фазы [2Ц, в условиях АМО ограничен (вследствие влияния границ зерен) значением 2,8%, однако при увеличении концентрации легирующей примеси в р-области его можно повысить до 3,5%.
Наличие легирующей примеси ослабляет активность границ зерен и приводит к возрастанию напряжения холостого хода и коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики, а также к уменьшению последовательного сопротивления элементов. Используя измеренные спектральные характеристики чувствительности солнечных элементов на основе пленок 81,нанесенных на подложки из металлургического кремния посредством химического осаждения из паровой фазы, Чу и др. (16) определили эффективную диффузионную длину неосновных носителей и показали, что в элементах, изготовленных на возвышенных участках поверхности кремниевых пленок, ее значения равны 30...40 мкм, а в элементах, полученных в поверхностных углублениях (где фотоотклик уменьшается на 15... ...20 е/с), — 15...20 мкм.
Следует отметить, что углубления поверхности пленок обычно соответствуют областям, содержащим большеугловые границы зерен. КПД солнечных элементов (снабженных просветляющими покрытиями и имеющих площадь активной поверхности 1 смт) газ Глава 5 на основе крупнозернистых (с размером зерен до 4Х0,4 см) поликрнсталлических пленок кремния, выращиваемых на керамических подложках, составляет 9,6 Ъ, при этом 7„=26,8 мА)смв (интенсивность излучения 100 мВт/смв), У„=0,53 В и ГГ=0,675. Поскольку контакты к р- и п-областям были выведены на одну н ту же поверхность, элементы обладали значительным последовательным сопротивлением, не позволившим получить более высокий КПД.
Исследование элементов методом возбуждения тока световым лучом и результаты измерений тока, наведенного электронным лучом, показали, что наличие границ зерен ухудшает характеристики приборов, тогда как границы двойников не оказывают существенного влияния. Установлено, что диффузионная длина носителей лежит в пределах 6... 25 мкм. В солнечных элементах, изготовленных из поликристалличсских кремниевых пленок, нанесенных на керамические подложки, Фабр и Боде [26] наблюдали увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда с 6 мкм до 22 мкм при повышении плотности потока фотонов с 1О" до 3 10'т см-в ° с-'.
В условиях АМ! элементы имели КПД 6,2 Р)р при У„=0,495 В, 7„=23 мА)смв и ГГ=0,55. Возрастание диффузионной длины носителей можно объяснить заполнением содержащихся в пленках ловушечных уровней под действием света. Для плотности тока короткого замыкания характерна сверхлинейная зависимость от светового потока увс=КФьр~ (здесь К вЂ” постоянная величина и Ф вЂ” плотность потока фотонов).
Увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда при повышении интенсивности излучения отмечено также в солнечных элементах на основе профилированных кремниевых лент, получаемых вытягиванием из расплава через фильеры [27, 28]. Существова. ние в этих элементах сильной зависимости диффузионной длины как от объемной скорости генерации носителей, так и от длины волны падающего излучения подтверждает предположение о том, что под действием света происходит заполнение ловушек, которые распределены по всему объему базовой области элемента. Создаваемые в настоящее время тонкопленочные кремниевые солнечные элемснты со структурой металл -- диэлсктрик— полупроводник не обладают высокой эффективностью.
При использовании в элементах такого типа поликрнсталлических пленок кремния, нанесенных на керамические подложки, и пленок хрома [25, 29] получены значения КПД 6... 8 Р)р. Тонкопленочные кремниевые элементы со структурами металл (Т1) — диэлектрик — полупроводник (снабженные просветляющими покрытиями из Т!Ор) и полупроводник — диэлектрик — полупроводник (с покрытиями из 1ТО) [26] в условиях АМ1 имеют КПД соответственно 3,9 и 1,6 Р)р при плотностях тока короткого замыкания 21,6 и 25 мА/смв. 2вз. Поликристкллические кремн.
соли. элементы 5.4.2 Анализ свойств перехода Диодные характеристики р — и-переходов в тонких кремниевых пленках исследовались несколькими авторами [16, 17, 20— 23, 30] с целью изучения механизмов протекания тока и выявления параметров материала, влияющих на выходные характеристики элементов. Фельдман и др. [23] измерили вольт-амперные характеристики нескольких солнечных элементов на основе пленок кремния, полученных методом вакуумного испарения при различных температурах подложки н имеющих неодинаковый размер зерен, и установили, что темновые характеристики отвечают уравнению, содержащему два экспоненцнальных члена с предэкспоненциальными множителями У„и У,„и днодными коэффициентами п,=! и пэ — — 2, соответствующими диффузионному н рекомбинационно-генерационному механизмам протекания тока. Независимые измерения диффузионной длины носителей заряда и размера зерен показали, что У,1 уменьшается при возрастании диффузионной длины (что согласуется с теоретическими результатами), а У„понижается прн увеличении размера зерен вследствие уменьшения количества рекомбинацнонных центров.
Зависимости У,1 и У,т соответственно от диффузионной длины носителей и размера зерен показаны на рис. 5.1. Влияние размера зерен на напряжение холостого хода, плотность тока короткого замыкания и КПД элементов иллюстрируют рис. 5.2, а и б. На рис. 5.2, б представлены также теоретические зависимости КПД от размера зерен, полученные разлнчпымн авторами [31 — 34]. Фельдман и др. [23] экстраполировали экспериментальные данные и показали, что при увеличении диаметра зерен до 30 мкм КПД элементов мог бы повыситься до 1О сУс. Однако авторы отмечают, что, поскольку пленки кремния, осаждаемые методом вакуумного испарения, имеют столбчатую структуру, для получения зерен диаметром 30 мкм потребовалось бы нанести пленку толщиной 50 мкм.
Согласно опубликованным результатам, солнечные элементы, изготовленные из кремниевых пленок, выращенных на графитовых подложках химическим методом нз паровой фазы н состоящих нз зерен размером 20... 30 мкм [35], имеют КПД, равный лишь 1,5 э4 (т. е. такой же, как и элементы на основе пленок 51 с размером зерен 5 мкм, осаждаемых с помощью вакуумного испарения), что свидетельствует о существенном влиянии на характеристики элементов несоответствия параметров кристаллических решеток материалов пленки н подложки, степени чистоты поверхности зерен и концентрации легирующей примеси. Уравнение вольт-амперной характеристики р — и-перехода в солнечных элементах на основе пленок кремния, получаемых га4 Гпаяа 5 и' с 1О М 10-1 10-' О 2 0 б В Ю 12 10 1, МВМ 2 0 В б 11 12 н Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
