ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ, КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ a-Si:H

Важнейшую роль в использовании пленок a-Si:H для создания сол­нечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение a-Si:H в 20 раз превышает оптическое поглощение кристаллического кремния. Для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно полу­чить пленки a-Si:H толщиной 0,5—1,0 мкм вместо использования дорого­стоящих кремниевых подложек толщиной 300 мкм. Кроме того, перспек­тивна и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. В данной технологии отсутствуют технические потери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, при из­готовлении элементов солнечных батарей на основе монокристаллического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе a-Si:H по сравне­нию с аналогичными поликристаллическими кремниевыми элементами обусловлены более низкими температурами их изготовления (573 К), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки с нанесенными на их поверхность прозрачными проводящими оксидами (ТСО), выполняю­щими функцию электродов токосъема. Данные факторы ведут к снижению срока окупаемости солнечных элементов на основе аморфного кремния, и в перспективе стоимость подобных СЭ будет значительно снижена.

Важное достоинство СЭ на основе a-Si:H — отсутствие вредных, ток­сичных веществ в изготовленных солнечных фотоэлементах.

Для обеспечения эффективной работы солнечных элементов необхо­димо, чтобы были выполнены следующие требования:

• оптический коэффициент поглощения а активного слоя полупровод­ника выбирается достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение су­щественной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

• необходимо, чтобы генерируемые при освещении электроны и дыр­ки эффективно собирались на контактных электродах с обеих сторон ак­тивного слоя;

• солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;

• необходимо обеспечить малое полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагруз­ки) для снижения потерь мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

• тонкие пленки, входящие в состав солнечного элемента, должны быть однородны по толщине на большой площади, чтобы исключить эффект за­корачивания шунтирования активной области.

Оптическая ширина запрещенной зоны пленок a-Si:H, применяемых при создании солнечных элементов, как правило, изменяется в пределах 1,7...1,8 эВ. Ширина зависит от условий осаждения пленок и концентрации водорода. Экспериментально установлено, что содержание водорода умень­шается с повышением температуры подложки. В слоях a-Si:H, используемых в солнечных элементах, концентрация водорода обычно составляет 5-15 ат. %.

Другими важными параметрами, определяющими эффективность ра­боты солнечных элементов, являются подвижность и время жизни фотоге - нерированных носителей заряда. Экспериментальные измерения дрейфовой подвижности электронов в слоях a-Si:H показали, что при комнатной темпе­ратуре ~ 10-1см2/В и с повышением температуры увеличивается с энер­

гией активации ~ 0,19 эВ. Величина подвижности электронов по делокали­зованным состояниям составляет приблизительно 10 см2/В-с. Величина дрейфовой подвижности дырок для слоев a-Si:H:B при комнатной темпера­туре составляет ~ 6-10-4 см2/В-с и с повышением температуры увеличива­ется с энергией активации ~ 0,35 эВ. Время жизни неравновесных носите­лей заряда в a-Si:H обычно составляет 10-30 мкс при плотности инжекци - онного тока ~ 10 мА/см2.