1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 62
Текст из файла (страница 62)
элементы до сих пор не проводилось. Поскольку кремний относится к полупроводникам с непрямыми оптическими переходами и имеет низкий коэффициент поглощения, для достаточно полного использования света необходимы пленки большой толщины. В тонкопленочных кремниевых солнечных элементах толщиной 30,..50 мкм значительная доля поступающего излучения теряется вследствие недостаточного поглощения. Кроме того, имеются потери излучения, связанные с отражением, наличие которых также приводит к уменьшению тока короткого замыкания.
На поверхность солнечных элементов, как правило, наносят просветляющие покрытия, однако нет уверенности в том, что они оптимальны для тонкопленочных элементов'1. 5.5. Направления дальнейших исследований Разработки в области создания эпитаксиальных кремниевых тонкопленочных солнечных элементов достигли достаточно высокого уровня. Из элементов большой плошади необходимо изготовить панели и модули, а затем с целью изучения их устойчивости к воздействию окружающей среды провести испытания в естественных условиях и ускоренные ресурсные испытания. Как показывает опыт эксплуатации массивных кремниевых солнечных элементов, Я является стабильным материалом. однако следует помнить о том, что в тонких пленках с высоким отношением площади поверхности к объему, большой плотностью дефектов и специфической микроструктурой возможно ускоренное протекание химических реакций и диффузии. Поэтому было бы разумно изучить явления, обусловливающие деградацию тонкопленочных кремниевых элементов.
Затем в условиях опытного производства необходимо освоить изготовление высокоэффективных элементов большой плошади и показать, что выпуск этой продукции экономически оправдан. Дальнейшее повышение эффективности солнечных элементов требует планомерного широкого изучения материаловедческих проблем, связанных с получением тонкопленочных структур.
В первую очередь необходимы: 1) детальное исследование процесса осаждения н влияния его параметров на микроструктуру выращиваемых пленок; 2) разработка (на основе ранее полученных результатов) метода осаждения крупнозернистых высококачественных пленок большой площади с низкими концентрациями глубоких примесных уровней и дефектов микроструктуры, таких, как дислокации и вакансии; 3) исследование о В СССР разработаны и используются на практике просветляющие покрытия для всех типов солнечных элементов, в том числе для тонкопленочных (см. список дополнительной литературы [251) — Прим. ред. 1О Заказ № 19вэ '290 Глава 5 свойств границ зерен; 4) осуществление пассивации границ зерен посредством гидрогенизации или легирования (возможно одновременное применение обоих процессов); 5) разработка соответствующей конструкции элементов с учетом результатов анализа потерь излучения и носителей заряда.
При решении последнего нз перечисленных вопросов потребуется проведение оптимизации толщины базового и верхнего слоев, структуры контактной сетки, параметров просветляющего покрытия и отражающего тыльного контакта, а также профиля распределения примеси в поверхностном слое. Кроме того, необходимо исследовать возможность повышения эффективности собирания носителей заряда за счет уменьшения толщины фотоактивного слоя и создания высокоотражающего тыльного контакта. В элементе такой конструкции, предложенной Редфилдом Г39], двукратное прохождение света через слой крем.
ния обеспечит достаточно полное его поглощение. Глава 6 СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕ[4ТЫ НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ 6Л. Введение В 1969 г. Читтик и др. [1] опубликовали предварительные результаты исследований по осаждению гидрогенизированного аморфного кремния (в дальнейшем обозначаемого а-51: Н) и его легированию фосфором, обеспечивающему получение твердого раствора замещения. В 1976 г.
Спир и др. [2], подробно изучив свойства пленок а-51: Н, легированных различными примесями [3], впервые создали р — и-переходы в а-о); Н. Солнечные элементы на основе а-31; Н были изготовлены в исследовательских лабораториях фирмы КСА [4, 5]. Фотоэффект наблюдался в приборах нескольких типов: с р — п- и р — 1 — и- структурами, барьером Шоттки и гетеропереходом. После того как была продемонстрирована возможность применения гидрогенизированного аморфного кремния в фотоэлектрических преобразователях энергии, этот материал привлек внимание исследователей всего мира, о чем свидетельствует резко возросшее количество научных публикаций [6 — 35], обзоров [36 — 39] и конференций [40] по данному вопросу. Это вызвано следующими причинами.
Технологию изготовления элементов, основанную на процессе осаждения а-31; Н в тлеющем разряде (иначе называемом плазменным осаждением), по-видимому, можно успешно использовать для создания дешевых солнечных батарей большой плогцади на недорогих подложках в условиях автоматизированного поточного производства [41]. Общая стоимость применяемого материала оказывается крайне низкой, так как элементы с приемлемыми характеристиками могут быть изготовлены на основе очень тонких пленок кремния (толщиной -1 мкм), осажденне которых осуществляется непосредственно из материала исходного сырья (силана) без промежуточных процессов егопревращениявслиточный или порошкообразный кремнийа Поскольку кремний широко распространен в 'природе, его получение в необходимом количестве не вызывает затруднений.
Аморфный кремний 1О» Глава 6 292 имеет более благоприятную для эффективного преобразования солнечного излучения ширину запрещенной зоны (-1,6 эВ [42]), чем кристаллический. Будучи полупроводником с прямыми оптическими переходами, он обладает высоким коэффициентом поглощения света [42, 43]. В пленке аморфного кремния толщиной 1 мкм поглощается до 70 7а падающего излучения (в условиях АМ1) с энергией более 1,6 эВ. Согласно теоретическим оценкам, предельный КПД солнечных элементов на основе а-51: Н составляет 15 л)а [5, 30]. Основным стимулом к исследованию гидрогенизированного аморфного кремния является реальная возможность крупномасштабного применения фотоэлектрических преобразователей, поэтому особое внимание уделяется созданию приборов па основе а-51: Н (разработке конструкций, анализу свойств перехода и выявлению причин потерь энергии).
В то же время еще недостаточно глубоко изучены кинетические явления, механизм легирования, оптические характеристики и особенно сти микроструктуры а-51: Н. Кроме того, известные технологические методы недостаточно совершенны для того, чтобы обеспечить получение пленок с требуемыми свойствами. Таким образом, существует еще много проблем, для решения которых необходимы интенсивные экспериментальные и теоретические исследования аморфного материала.
Несмотря на то что некоторые свойства пленок аморфного кремния аналогичны свойствам массивных монокристаллов и тонких поликристаллических пленок, а действие солнечных элементов, изготовляемых из аморфного кремния и из обычных материалов,,осцовано на одних н тех же принципах, в силу с)шествования особых свойств пленок а-51: Н аморфные элементы обладают специфическими характеристиками.
Имеется большое количество публикаций по вопросам, связанным с разработкой солнечных элементов на основе а-51: Н. Несомненно, аморфные материалы и соответствующие элементы заслуживают подробного рассмотрения, Обсуждению свойств аморфных полупроводников (в первую очередь а-51: Н) и изготовляемых на их основе фотоэлектрических приборов посвящена данная глава. 6.2. Кинетические явления в аморфных материалах Статическая удельная проводимость ряда аморфных полупроводников в общем случае может быть представлена в виде а = оаехр ( — Ел)АТ). (6.1) Здесь Ел — энергия активации, обычно равная 0,5...
1,0 эВ [41]. Для многих аморфных халькогенидных полупроводников о,=10' Ом — ' см-'. При температуре 300 К этим параметрам 293 Солнечные элементы на основе аморфного кремния гг Ес Е в Ь Рис. а.!, Зависимости подвижности и (Е) носителей заряда (а) и плотности состояний М (Е) (б) от энергии Е в аморфных полупроводниках. Е( — уровень Ферми, Е, и Еэ — пороги подвижности, соответствующие дну зоны проводимости и вершине валентной зоны в кристаллических полупроводниках отвечают значения удельной проводимости в пределах 10-'... ...
10-и Ом — ' ° см-'. Кривая зависимости подвижности носителей от энергии р(Е) имеет области резкого снижения подвижности при энергиях, соответствующих дну зоны проводимости Е. и вершине валентной зоны Е„(см. рис. 6.1, а). Эти области называются порогами подвижности, и при Т~0 в интервале энергий, заключенных между Е, и Е„, р(Е) принимает очень низкие (но не нулевые) значения. Указанный интервал энергий может быть назван «щелью для подвижности», а величина Ел, входящая в уравнение (6.1), представляет собой энергию, кото.рая обеспечивает переход носителей заряда через область низких значений подвижности.
6.2.1 Модели энергетических зон Для описания процесса переноса носителей заряда в аморфных полупроводниках предложено несколько моделей зонной структуры. Общая для всех моделей посылка состоит в том, что в хвостах энергетических зон существуют локализованнь*,е состояния, Их появление связано с пространственнымн флуктуациямн потенциала, обусловленными отсутствием упорядоченной структуры у аморфных материалов. Коэн, Фритцше и Овшински [45) разработали модель энергетических зон в халькогенпдных стеклах, согласно которой «хвосты» плотности состояний, вызванные наличием хаотически распределенных структурных дефектов, проникают на значительную глубину в запрещенную зону идеального полупроводника, причем степень разупорядочения структуры настолько велика, что хвость) состояний, соответствующие зоне проводи.
мости и валентной зоне, перекрываются и в середине запре- 294 Глава 6 щенной зоны сосредоточивается большое количество локализованных состояний. Вследствие этого происходит перераспределение электронов и появляются заполненные, отрицательно заряженные состояния в хвосте, прилегающем к зоне проводимости, и свободные, положительно заряженные состояния —- в хвосте, связанном с валентной зоной. Эти процессы вызывают самокомпенсацию материала, в результате чего уровень Ферми занимает фиксированное положение вблизи середины запрещенной зоны. Данная модель позволяет объяснить электрические свойства халькогенидных стекол.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
