1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Таблица блй Влияние примесей на фотоэлектрические характеристики солнечных элементов па основе пленок а-511 Н, осаждаемых в тлеюгпем разряде [37) ВЧР— высокочастотный разряд, РПТ вЂ” разряд постоянного тока: В — внешний виток, К вЂ” конденсатор; нонцентрация водорода во всех пленках составляет 10...30 ай Концентрация атомов примеси в пленке асвгн относительное значение Объемная доля првмесного газа и атмосгрере разряда, к Вид разряда 0,54 (Сн7Ссп 0,20) Без примеси (контрольный образеп) 2,3 (НвО) 2,3 (Н,5) а,О (ОаН~) 1о (сн,) 30 (СН,) Ш (На) 0,06 (РН ) 50 (51НаС1а) + 50 (Нз) РПТ 700 6,0 СогС01 0,037 Сое7Ссл яи 0,025 Сс7Сги = 0,07 Сс!Сен ж 0,21 Сгч7См ви 0,008 СР7Сал гм 0,0004 Сс17Сги 0,07 РПТ РПТ ВЧР (ВВ) ВЧР (ВВ) ВЧР (ВВ) ВЧР (К) РПТ РПТ (К) 0,23 0,21 0,27 0,53 0,18 0,55 0,42 0,25 0,6 3,0 3,0 4,0 0,02 6,0 1,5 0,05 400 425 370 662 230 595 130 321 Солнечные элементы обладагот вьа сокой эффективностью лишь в том случае, если пленка а-З1: Н осаждао ется на подложку, нагретую до темпеоо ратуры Т„=200...400'С.
В предыду- щих разделах при обсуждении свойств '. г -ба: пленок а-Я1: Н отмечалось, что именно при этих значениях температуры под- 1 0,2 ложки концентрация дефектов минимальна. Зависимости плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечных элементов с барьером Шоттки, в которых используется платиновый металлический контакт, от температуры подложки приведены на рис.
6.11. Возрастание Т,. при повышении Тп обусловлено увеличением оптической ширины запрещенНОй ЗОНЫ Еорг, КОЭффИцИЕНта ПОГЛОщЕ- ния света и времени жизни носителей заряда. Повышение Т. сопровождается понижением У„, что является следствием уменьшения высоты барьера грв при увеличении Е,рг. Температурные зависимости напряжения холостого хода солнечных элементов со структурой металл— диэлектрик — полупроводник и р — 1 — п-структурой носят более сложный характер. Солнечные «лементы на основе аморфного кремния 325 Данные, представленные в табл. 6.4 [37], позволяют оценить степень влияния различных примесей на фотоэлектрические характеристики солнечных элементов на основе а-Я: Н.
В пленках а-Я: Н, получаемых в тлеющем разряде, содержится большое количество примесей, обычно присутствующих в камере, где осуществляется осаждение. Однако многие виды примесей, несмотря на их высокую концентрацию в пленках, незначительно ухудшают фотоэлектрические характеристики приборов. Тем не менее отрицательное влияние некоторых из ннх, например НвО, Н,8, ОеН4 и РНв, оказывается очень существенным.
Кроме того, плохие характеристики имеют элементы на основе пленок, осаждаемых из смеси 8!НвС!, и Н,. В исследовательских лабораториях фирмы КСА изготовлены крупные солнечные элементы (площадью — 100 см'), КПД которых превышает 3 о!о [25]. КПД элементов площадью 100... ... 144 смв, создаваемых японскими фирмами Вапуо и Гц]1, составляет 5...6 а)е. В табл. 6.5 приведены характеристики солнечных элементов на основе а-Я: Н и а-Я: Р: Н, изготовляемых различными методами.
6.5.3 Механизмы потерь В данном разделе основное внимание уделяется характеристикам солнечных элементов с р — ! — п-структурой, однако результаты проведенного анализа в большинстве случаев справедливы и для других типов элементов на основе а-Я; Н. В первых исследованиях солнечных элементов с барьером Шоттки [30, 3!] было установлено, что низкая эффективность приборов связана главным образом с малой диффузионной длиной неосновных носителей заряда, которая в нелегированном а-Я: Н составляет 0,03... 0,2 мкм [39, 115].
Согласно оценочным расчетам, время жизни дырок в таком материале равно -0,34 мкс, а время жизни электронов — 1,2 мкс [39]. Данные, недавно полученные Силлом и др. (см. работу Карлсона [39]), свидетельствуют о том, что плотностям тока — !О мА/см' соответствуют значения времени жизни дырок в пределах 10... ... 20 мкс, однако другими авторами [39] приводятся более высокие значения этого параметра ( — 1 мс). Отрицательное влияние на время жизни носителей могут оказывать дефекты нескольких типов, Источниками центров рекомбинации в а-Я: Н служат ненасыщенные связи (образующиеся в результате экзодиффузии водорода) [1!6], полимерные цепочки или группы [80] и некоторые примеси, такие, как кислород, азот и фосфор [39]. В солнечных элементах с р — ! — пструктурой, имеющих КПД 5... 6 о/а, концентрация атомов кислорода, как правило, составляет 10" см-', углерода— 5 ° 10" см-', азота — 7 10'в см †' [при содержании водорода ебисебааи1Г Дой ~Фи ~й; ч ° Сс'" е".с Х х Ф о о д~- й О.
Х О'О и" Ф 0 О с" х и х с Ф о ~ а' Ф Ф О в О. х с М о Ф е О о о й Ф й Ф О х сй йс С Ю с'3 о о х е О о и и и о а О о и О со са" сй са л са и» с» со й е! И й со се сй с» йс сй о» а с:с ое о а о х х с О О х с » с' ив е,й О и и Р а 4 О О О. с со О» а и Е е е1 О се ох ох о Ф О и о х О й й е а' х Ф Ф хи Д О х и с о О х а а О о х и с х „х и Ий Я о ее с О О а К хи ои ! еч О, о е ч йь Л с а ,иа/Ги ' Г ,иаГеаи 'иинаь .Анен чеаан -нианаани сиа 'чивжанц нинин жена МохаХ Ф О х ои й О Ф » и О Ф Е и о \ О О Ф х О ~о а Ф д 'к хи и х с о Ф Ф о ой 5 О аа о Ъ ОИО се Д хцФа О. са о о о он ОФС Ф ох Ф о о Ъ Ф Ф Ф о» он с с х х Ф Ф Фо ох Я О .О ~о Ф со Ф Ф и~и "Л о са д,аал Са со хХ сч са са 'чиажаид а о а о а о а о а о 5 »Ф о н н а с н Ф аа х со аа ОЯ«ай«с«1Г ,иа/ааи «инаь -Она« ааааа -ананас«я «инни -жана Нас«1Ч фй ~ Ф "Ф о.
о' о Х ФФ о Ф ОФС Ф ФО СС О Ф Ф», Ф с ос о о! о о о Ф .О Ф Ф ОО о х Ф О с'а с са Ф й М о" У~ о" аО Ф 'игл,' о ;С О1 ФО » Фсо ~ Ф О О Фф Ф Ф О ° о о х с.а ОХФФоИФ з2в Глава а 10... 14 7в) Характеристики солнечных элементов на основе а-Я: Н также ухудшаются под влиянием излучательной рекомбинации носителей заряда (117, 118]. В материалах с низкой подвижностью носителей интенсивность этого процесса возрастает вследствие значительного взаимного притяжения фотогенерированных электронов и дырок под действием кулоновских сил.
Расчеты показывают, что в результате излучательной рекомбинации носителей заряда, генерируемых светом с длиной волны ),=0,633 мкм, их потери в квазинейтральной области составляют 56 в/в. Прн наличии электрического поля напряженностью — 1О' В/см величина потерь этого вида снижается примерно до 30 $,. Потери носителей заряда, вызываемые излучательной рекомбинацией, уменьшаются также и при увеличении энергии фотонов, поскольку фотогенерированным носителям, обладающим более высокой начальной кинетической энергией, легче преодолеть кулоновское притяжение.
Как показывают экспериментальные исследования, интенсивность излучательной рекомбинации в а-Я: Н зависит от концентрации дефектов, поэтому в высококачественных пленках ее влияние может оказаться незначительным. Полагают, что потери тока короткого замыкания, связанные с излучательной рекомбинацией носителей, не превышают 15 %. Независимо от характера рекомбинационных процессов, протекающих в пленках а-Я: Н, эффективность солнечных элементов определяется в основном параметрами электрического поля в области пространственного заряда (ЗЦ.
В высокоэффективных элементах на основе а-Я: Н со структурой металл — диэлектрик — полупроводник и р — 1 — и-структурой почти весь нелегированный слой обеднен носителями заряда, Анализ модели солнечного элемента с р — ~' — и-структурой (39) показывает, что диффузионной длине дырок — 0,2 мкм, которая под действием поля (при нулевом напряжении смещения) возрастает до 3,5 мкм, соответствует коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики — 0,6. Основываясь на результатах моделирования численными методами элементов с р — 1 — п-структурой, Свартц [119) приходит к выводу о том, что их характеристики в значительной степени зависят от качества слоев, содержащих легирующие примеси. Легирование пленок а-Я: Н приводит к увеличению концентрации дефектов — это было установлено многими исследователями (5, 35, 39, 120, 12Ц. При оптимальных концентрациях примесей в солнечных элементах с р — 1 — и-структурой (в этом случае при осаждении р-слоя в ЯНв добавляют 0,01 объемную долю ВвН„а при нанесении а-слоя — 0,01...
0,02 объемных доли РН, (30, ЗЦ) время жизни неосновных носителей заряда в легированных пленках имеет очень низкие значения, поэтому данные пленки, хотя и поглощают излучение, но не участвуют 329 Солнечные элементы на основе аморфного кремния 0,5 0 03 05 О,б 07 О,б 00 Х,нкн а э Е .
0,4 О 50 100 150 200 250 300 б, лн б Рис. 6.12, а) Спектральные зависимости коэффициента собирания О носителей заряда в солнечных элементах на основе а-31: Н с р — 1 — л-структурой при толщине верхнего легированного слоя р-типа, равной 1О им (1) и 36 нм (2) 11221; б) Зависимости плотности тока 'короткого замыкания азг (2) и напряжения холостого хода )гчг (1) солнечного элемента на основе а-31: Н с р — 1 — п-структурой от толщины г( л-слоя 1391; элемент освещен со стороны л-слоя. в собирании носителей [1101. Влияние толщины верхнего легированного слоя р-типа проводимости на коэффициент собирания носителей иллюстрирует рис. б.12, а [122).
Отчетливо видно, что чувствительность элементов в коротковолновой области спектра существенно изменяется при вариациях толщины этого слоя. Поскольку в а-81; Н коэффициент поглощения света с длиной волны Х=0,4 мкм равен -8 10-' см — ', высокая эффективность собирания носителей в коротковолновой области может быть достигнута при толщине верхнего слоя менее 10 нм.
На рис. ззо Глава 6 6.12, б показаны кривые зависимостей плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечного элемента с р — 1 — п-структурой от толщины п-слоя, через который свет поступает в элемент (39). При увеличении толщины и-слоя 7„ понижается вследствие уменьшения коэффициента собирания носителей в коротковолновой области, возрастание же У„прн малых значениях его толщины вызвано повышением напряженности встроенного поля, о чем свидетельствует резкое увеличение У„. Несмотря на то что оптическая ширина запрещенной зоны нелегированного а-51: Н равна 1,65... 1,70 эВ, значения диффузионного потенциала Ув в солнечных элементах с р — 1 — и- структурой составляют лишь — 1,1 В 1111, 123). Согласно результатам измерений электрических характеристик, в легированных фосфором пленках а-51: Н уровень Ферми расположен на 0,2 эВ ниже зоны проводимости (124), тогда как в образцах, легированных бором,— на 0,5 эВ выше валентной зоны [121].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
