Солнечные элементы

Проводимые испытания стабильности солнечных элементов рассмотренных моделей должны выявить физико-химическую совместимость всех слоев, использованных в таких многослойных структурах, при непрерывном освещении и повышенной температуре. Несомненно, однако, что для обеспечения длительной эксплуатации новых солнечных элементов потребуется тщательная герметизация и защита их от влияния внешней среды.

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния и других полупроводниковых материалов

В настоящее время большое число исследований посвящено тонкопленочным солнечным элементам на основе аморфного кремния, так называемого α-Si, — интересного полупроводникового материала, который получается в основном разложением соединений кремния в высокочастотном разряде в вакууме.

В первых исследованиях было показано, что число рекомбинационных центров в запрещенной зоне аморфного кремния, полученного, в разряде, на несколько порядков меньше, чем в кремнии, нанесенном на различные подложки методом испарения в высоком вакууме. Улучшению свойств аморфного кремния помогает включение в состав материала от 5 до 50 ат.% водорода, в результате чего образуется практически сплав кремния и водорода, что, в свою очередь, облегчает легирование материала фосфором или бором для создания проводимости п- или p-типа соответственно. В таком кремнии сохранен ближний порядок атомов, благодаря чему структура элементарной ячейки одинакова как для кристаллического, так и для аморфного состояний кремния, а оборванные связи, обусловливающие отсутствие дальнего порядка, частично восстанавливаются с помощью элементов с положительным электронным сродством, подходящих по радиусу атома, например, таких, как водород. Изучаются возможности дальнейшей модификации оптических и электрофизических свойств данного материала и улучшения его стабильности путем легирования фтором и углеродом.

Основным достоинством данного материала является высокий коэффициент поглощения а, более чем на порядок превышающий а монокристаллического кремния. На рис. 4.5 представлена зависимость α (λ) для аморфного кремния. Практически все фотоактивное для данного материала солнечное излучение поглощается в нем на глубине 1,5–2 мкм, что позволяет использовать для изготовления солнечных элементов в 50—100 раз меньше дорогостоящего полупроводникового материала.

Однако первые же результаты исследований аморфного кремния показали, что из-за малых значений времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в этом материале (L=0,05÷0,1 мкм) трудно получить на его основе солнечные элементы с высоким КПД. Ширина запретной зоны пленок из аморфного кремния составляет от 1,6 до 1,8 эВ в зависимости от условий их осаждения. Самые высокие значения КПД (от 3 до 7 %) были получены первоначально при использовании для создания солнечных элементов р — i—n-структур и барьеров Шоттки с платиной и хромом. Расширение области объемного заряда в элементах таких конструкций приводит к тому, что большая часть солнечного излучения поглощается непосредственно в этой области и тем самым обеспечивается дальнейший рост КПД. Легирование бором или фосфором способствует увеличению коэффициента поглощения (см. рис. 4.5), однако уменьшает время жизни носителей заряда. В результате солнечный элемент из аморфного кремния на основе p-n-или р — i—n-структуры имеет низкий коэффициент собирания в длинноволновой области спектра и пониженный в коротковолновой при плохом качестве п+- и р+-слоя. В этом отношении структуры с барьером Шоттки предпочтительнее — в них полнее собираются носители заряда, рожденные светом в тонких поверхностных слоях.

Напряжение холостого хода таких элементов достигает 0,8 В, однако плотность генерируемого фототока не превышает 12 мА/см2 при КПД около 5,5 % в условиях измерения на Солнце со спектром AM1.

Еще одна сложная проблема в области создания солнечных элементов из аморфного кремния — необходимость уменьшения переходного сопротивления контакт — полупроводниковый слой, которое у многих элементов составляет от 3 до 10 Ом×см2, что приводит к ухудшению вольт-амперной характеристики и низким значениям коэффициента ее заполнения.

Использование тянущих электростатических полей, рост проводимости р+-слоя при одновременном увеличении его прозрачности, благодаря чему большее количество света будет попадать в слой объемного заряда, многократное отражение света от границ пленки внутри нее, применение отражающих контактов из алюминия, серебра, хрома позволяют улучшить свойства перспективных тонкопленочных элементов из аморфного кремния, например, получить Ux.x≈l,l В и Iκз≈15–20 мА/см2, что даже при коэффициенте заполнения вольт-амперной характеристики не более 0,6 означает достижение КПД около 10 %.

Увеличения КПД солнечных элементов из аморфного кремния следует добиваться одновременно с улучшением стабильности их характеристик, ибо фотопроводимость некачественных пленок α-Si: H может уменьшиться в десять раз и более за семь-восемь часов непрерывного освещения, а при нагреве выше 300o C начинается экзодиффузия водорода из пленок, резко ухудшающая их параметры. Улучшению стабильности и качества пленок аморфного кремния способствует трехстадийный метод их получения. Сначала на подложку наносится пленка α-Si, не содержащая водорода (методом испарения в высоком вакууме с помощью электронного луча или термически). Скорость конденсации этого слоя 2–5 А/с. Затем проводится отжиг, уплотняющий пленку и уменьшающий количество и объем микропустот. После этого осуществляется гидрогенизация пленок α-Si при обработке в водородной плазме с использованием сильноточных плазменных источников, позволяющих получить ионы водорода с энергией 20–25 кэВ, насыщающие пленки аморфного кремния на глубину до 0,3 мкм. Таким методом получаются стабильные пленки высокого качества, вероятно, за счет практического отсутствия микропустот в них.

Стабилизации свойств и увеличению фотопроводимости таких пленок способствуют также лазерный отжиг, ионное легирование, подогрев подложки до 200–400 °C при их нанесении. У солнечных элементов с р — i — n-структурой и прозрачным проводящим окном из диоксида олова КПД достигает 7,5 %, а по некоторым сообщениям даже 10 %, хотя подобные рекордные цифры относятся к элементам весьма малой площади (несколько мм2), у которых резко уменьшена опасность закорачивания переходов. Еще более высокие КПД (около 12 % в эксперименте и 15–18 % — в ближайшем будущем) удается получить, создавая каскадные структуры из трех материалов в аморфном состоянии — карбида кремния (в качестве широкозонного верхнего окна) и расположенных под ним слоев кремния и германия.

Из-за высокого последовательного сопротивления аморфных солнечных элементов КПД солнечных батарей на их основе не превышает 2–3 % (велики потери на коммутацию). Несмотря на относительно невысокий КПД, уже в настоящее время небольшие экономичные солнечные батареи, состоящие из восьми последовательно соединенных солнечных элементов из аморфного кремния, вырабатывающих мощность всего лишь 4,5 мкВт/см2 при свете люминесцентной лампы (освещенность около 300 люкс), широко используются на практике для электропитания малогабаритных электронных часов и калькуляторов со световыми индикаторами на жидких кристаллах. Спектральная чувствительность элементов из аморфного кремния в близкой к ультрафиолетовой области солнечного спектра превосходит чувствительность солнечных элементов из монокристаллического кремния (рис. 4.6) и напоминает спектральную зависимость чувствительности человеческого глаза, что делает перспективным применение таких элементов также в фото- и киноэкспонометрах.