1598005400-e4d976f05e65a6df0c91dae52ce6f965 (811206), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Необходимо изучить влияние особенностей структуры материала на процесс переноса носителей заряда, установить зависимость качества пленок от типа реакций, протекающих на поверхности раздела плазмы с подложкой, а также исследовать возможность замены водорода (применяемого в качестве компенсирующей примеси) другими элементарными веществами или соединениями. Глубокое понимание процессов, происходящих в солнечных элементах на основе аморфного кремния, и их взаимосвязи со свойствами материала необходимо для создания высокоэффективных элементов большой площади. Глава 7 НОВЫЕ ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 7.1 Введение Помимо поликристаллического и аморфного кремния, а также сульфидов меди и кадмия, уже применяемых для изготовления тонкопленочных солнечных элементов, существует несколько других полупроводниковых материалов, таких как ОаАз, СдТе, 1пР, ХпгРг, С88е, Сцг5е, Сц1пбег, Хп1пг5е4 и СцгО, на основе которых могут быть созданы высокоэффективные тонкопленочные фотоэлектрические преобразователи.
Арсенид галлия и теллурид кадмия привлекли внимание исследователей еще в 50-е годы, однако из-за отсутствия уверенности в возможности получения этих материалов в необходимом количестве их изучением занимались лишь в нескольких лабораториях. В последнее время наблюдается возобновление интереса к солнечным элементам на основе ОаАз и С4Те. Исследования других тонкопленочных материалов начаты относительно недавно, и, как, например, в случае 1пР и Сц1п5ем уже после создания монокристаллических солнечных элементов с гетеро- переходом (в сочетании с сульфидом кадмия С85, образующим оптическое окно) достигнуты КПД соответственно 15 и 12,5 г/г.
Фосфид цинка УпгРг привлекает внимание как материал, в состав которого входят широко распространенные в природе химические элементы. Этой причиной обусловлен интерес и к органическим полупроводникам, имеющим к тому же очень низкую стоимость. Высокоэффективные тонкопленочные солнечные элементы получены на основе лишь двух из перечисленных соединений — Сн1п8ег и СдТе, причем наибольшими КПД, равными соответственно 1О и 8 7ю обладают элементы с гетеропереходами, в состав которых входит сульфид кадмия, образующий оптическое окно.
Определенные успехи достигнуты и при создании элементов на основе других материалов, однако они не столь существенны. Свойства тонких пленок ОаАз, СЙТе, 1пР, ХпгРг, СЙ5е, Сигме и Сц!пЬег рассмотрены в гл, 3. В данной главе речь пойдет о фотоэлектрических характеристиках тонкопленочных солнечных элементов на основе этих материалов. 336 Глеве 7 7.2. Арсенид галлия Среди различных типов массивных солнечных элементов на основе ОаАз наиболее подробно изучены элементы с гомогенным р — п-переходом. Для их изготовления обычно применяют полированные монокристаллические пластины материалов с проводимостью п-типа и концентрацией легирующей примеси около 1О" см — з; р — л-переход формируют посредством введения диффузионным методом в поверхностный слой толщиной — 1 мкм акцепторных примесей (Кп или Сд) [!].
Кроме того, изготовляют элементы с мелкозалегающим переходом (расположенным на расстоянии 0,25...0,5 мкм от поверхности), которые в наземных условиях обладают наиболее высоким КПД ( — 12%) [!]. Измерения спектральной чувствительности солнечных элементов с гомогенным переходом показывают, что потери фототока связаны главным образом с небольшой диффузионной длиной неосновных носителей заряда как в л-, так и р-слоях ОаАз, а также с высокой скоростью их рекомбинации на поверхности р-слоя. На основе арсенида галлия недавно разработаны элементы новых типов: с гетероструктурой Оа, вА1„Аз — р-ОаАз— и-ОаАз [2] и гетеропереходом р-Оа~ „А1„Аз — л-ОаАз [3], КПД которых составляет соответственно 15% (в условиях АМО) и 19% (в условиях АМ1).
Солнечные элементы со структурой р-ОаА!Аз — р-ОаАз — л-ОаАз — п~.-ОаАз, предназначенные для преобразования концентрированного излучения, имеют КПД 23% при коэффициенте концентрации, равном 9,9, и температуре 30'С [4]. При наличии слоя Оа1 „А!„Аз образуется отражающий потенциальный барьер для электронов, генерируемых в р-баАз, благодаря чему снижаются их потери вследствие поверхностной рекомбинации; кроме того, этот слой служит прозрачным низкоомным контактом к ОаАз, уменьшающим последовательное сопротивление элемента.
На основе ОаАз также изготовлены солнечные элементы с барьером Шоттки и структурой металл — диэлектрик — полупроводник. Согласно данным Стирна и йе [5], КПД монокристаллических элементов со структурой металл — диэлектрик— полупроводник на основе Ап и ОаАз составляет 15%. После перечисления наиболее важных сведений о характеристиках и основных результатах разработок солнечных элементов на основе монокристаллического арсенида галлия перейдем к рассмотрению тонкопленочных элементов. 7.2.! Процесс изготовления Тонкие пленки ОаАз получают методом химического осаждения из паровой фазы [6 — 14], в том числе из паров металлорганических соединений [!1 — 14], и на их основе создают элементы Новые типы солнечных элементов 337 с гомогенным переходом [6], гетероструктурой и гетеропереходом [1!], барьером Шоттки [7, 9, 12 — 14], а также структурой металл — диэлектрик — полупроводник [7, 10]. В качестве подложек применяют легированные цинком монокристаллы р4- ПаАз, поверхность которых ориентирована относительно направления (100> [6], и легированные кремнием монокристаллы СтаАз с аналогичной ориентацией поверхности [11]; кроме того, используют подложки из графита (без каких-либо покрытий [8] и со слоем вольфрама [7, 9, !0]) и молибдена [12 — 14].
Моно- кристаллические подложки имеют высокую стоимость и служат исключительно для исследовательских целей. Тонкопленочные элементы на основе ПаАз со структурой металл — оксид — полупроводник, как правило состоящие из слоев Ац — оксид — и-баАз — пн--СтаАз — % — графит, изготовляют следующим образом [7], Пленку ПаАз осаждают на покрытую слоем вольфрама графитовую подложку химическим методом из паров Са, НС! и АзН, с применением водорода в качестве газа-носителя. Температура подложки составляет 750... 775'С, а температура источника осаждаемого вещества (Па) — 800...900'С.
Скорости потоков НС!, АзН, и Нв равны соответственно 45 мл/мин, 90 мл/мин и 1 л/мин. В образующемся слое и-ПаАз толщиной -20 мкм значения концентрации носителей заряда заключены в пределах 5 1О'а... 10" см-'. При введении в химически активную смесь газообразного сероводорода Н,5 получают легированный серой слой п4.-ПаАз толщиной 3... 5 мкм с концентрацией носителей 2 10'в...
... 5 10" см — э, который обеспечивает низкое ( — !0-' Ом) контактное сопротивление между элементом и подложкой. Термообработка образца в атмосфере кислорода или смеси кислорода с аргоном продолжительностью 0,5... 1 ч при температуре 200'С, осуществляемая непосредственно после осаждения пленки ПаАз, приводит к формированию на ее поверхности слоя оксида, выращивание которого продолжают затем в кислороде, насыщенном водяным паром, при температуре 30'С в течение 8...12 ч [8].
Для улучшения характеристик элементов перед окислением пленки ПаАз на ее поверхность осаждают слой ПаАз, „Р, переменного состава толщиной 1 мкм в процессе химической реакции между Па, НС1, АзНэ и РНэ [7]. Затем методом вакуумного испарения при давлении менее 10-4 Па наносят пленку золота толщиной 6...10 нм и посредством испарения (через металлическую маску) серебра создают контактную сетку.
С помощью гидролиза тетраизопропилтитаната в атмосфере аргона при температуре 80... 100'С создают слой Т!Оэ толщиной 60... 70 нм, который служит просветляющим покрытием элемента [8]. 338 Глава 7 7.2.2 Фотоэлектрические характеристики Согласно данным Бозлера и Фана (6], солнечные элементы (снабженные просветляющими покрытиями) с гомогенным переходом на основе арсенида галлия, выращиваемого на моно- кристаллических подложках методом химического осаждения из паровой фазы, в условиях АМ! (интенсивность излучения— 100 мВт/см') имеют КПД 15,3 о при )Уос=0,91 В, и 1..=10,3 мА и РР=0,82.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
