ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Повышение стабильности основных параметров СЭ на основе неупорядоченных полупроводников

Деградация КПД СЭ на основе a-Si:H связана с тем, что под действи­ем освещения возникает новое метастабильное состояние, обусловленное дефектами [27], [30].

Уменьшение КПД на 2/3 вызвано понижением коэффициента формы и на 1/3 — уменьшением напряжения холостого хода. Деградация тока ко­роткого замыкания под освещением незначительна, но максимальна, когда СЭ работает в режиме холостого хода, и минимальна при коротком замкну­том состоянии.

Из-за высоких температур летом свойства материала улучшаются (увеличивается время жизни носителей, уменьшается ширина оптической щели), что приводит к улучшению характеристик СЭ. Этому же способст­вует и смещение солнечного спектра в коротковолновую сторону, связан­ное с уменьшением AM. Наиболее заметные изменения модуля на основе одинарных СЭ наблюдаются в течение первых двух месяцев работы в ус­ловиях освещения. Полностью стабилизация наступает после двух лет ра­боты. В случае некачественной герметизации модулей деградация СЭ мо­жет усилиться из-за коррозии тонких пленок.

В настоящее время для повышения стабильности параметров солнеч­ных элементов на основе a-Si:H оптимизируются технологии формирова­ния отдельных слоев и конструкции СЭ в целом.

Разбавление водородом не только повышает эффективность солнечных элементов на основе a-Si:H, но и уменьшает деградацию параметров СЭ в ус­ловиях освещения [107]. В частности, в солнечных элементах, полученных при разбавлении водородом, напряжение холостого хода меньше деградирует по сравнению с СЭ, в которых слои получены без разбавления водородом.

Использование широкозонных буферных слоев a-SiC:H на p/i-границе раздела p-i-n-структур, как уже отмечалось, повышает значение эффектив­ности солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Однако в ряде работ показано, что применение буферных слоев снижает эффективность преобразования под освещением. Подобное пони­жение стабильности связано с уменьшением напряжения холостого хода и фактора заполнения под действием освещения. Под освещением возрастает рекомбинационный ток в объеме i-слоя, увеличивая темновой ток и снижая напряжения холостого хода солнечной батареи. Уменьшение фактора запол­нения под действием освещения объясняется тем, что широкозонный полу­проводник a-SiC:H имеет высокую плотность состояний в середине щели подвижности. В случае, когда такой материал используется в качестве бу­ферного слоя между р - и /-слоями, эти состояния становятся положительно заряженными (0+-состояния), поскольку уровень Ферми находится вблизи потолка валентной зоны в этой области СЭ. В результате происходит увели­чение электрического поля в p/i-области и уменьшение — в i-слое. Под ос­вещением увеличивается плотность дефектов в i-слое и величина электри­ческого поля становится уже недостаточной для обеспечения эффективного разделения носителей заряда, из-за чего уменьшается фактор заполнения.

Введение между р - и буферным слоями очень тонкого слоя a-SiC:H с не­значительным легированием бором приводит к компенсации ^-состояний в p/i-области и обеспечивает поддержание высокого электрического поля в i-слое, снижая заполнение под действием освещения.

Деградация параметров СЭ может быть уменьшена при использовании тонкого «геттерирующего» слоя в i-слое. Такой слой может быть сформиро­ван за счет увеличения ВЧ мощности тлеющего разряда в 3-4 раза по срав­нению с режимом осаждения i-слоя. Установлено, что для усиления эффекта снижения деградации параметров СЭ необходимо использовать более тон-

кие геттерирующие слои и располагать их вблизи p/i и i/n-границ раздела. Это способствует формированию более однородного электрического поля вблизи границ раздела i-слоя и уменьшает деградацию напряжения холосто­го хода и соответственно эффективности преобразования.

Решить проблему деградации тонкопленочных солнечных элементов можно используя микрокристаллический кремний, поскольку в нем практи­чески отсутствует деградация свойств со временем. Однако для формирова­ния слоев pc-Si:H необходимо сильное разбавление SiH4 водородом, что при­водит к значительному уменьшению скорости роста. Кроме того, поскольку pc-Si:H является непрямозонным полупроводником, он имеет низкий коэф­фициент поглощения и необходимо использовать слой достаточной толщины. Все это сдерживает широкое использование pc-Si:H в качестве толстого ак­тивного i-слоя в солнечных батареях.

Преобладающим механизмом транспорта в i-слое СЭ является дрейф под действием встроенного электрического поля. Встроенное поле в i-слое СЭ распределено неравномерно (см. рис. 7.1, б). Если слой слишком тол­стый или материал слоя невысокого качества и содержит большое количе­ство дефектов, то в середине i-слоя поле может практически отсутствовать и транспорт носителей будет обусловлен диффузией. Поскольку диффузи­онная длина носителей в a-Si:H составляет всего лишь 100-200 нм, наличие области с малой величиной электрического поля вызовет резкое уменьшение эффективности сбора носителей. Освещение светом приводит к увеличению дополнительного числа оборванных связей и плотности состояний в щели подвижности, сопровождается уменьшением электрического поля в i-слое и увеличением потерь в СЭ из-за рекомбинации. Если толщина i-слоя мала (< 250 нм), в СЭ не наблюдается заметной деградации под освещением, по­скольку дрейфовая длина пробега носителей не меньше толщины i-слоя. Кроме того, расчеты показывают, что с уменьшением толщины i-слоя уве­личивается минимум встроенного электрического поля в нем. Сбору носите­лей может способствовать формирование i-слоя с увеличивающейся шириной оптической щели от n - к p-слою. Практически этого можно добиться за счет варьирования температуры осаждения (увеличение температуры осаждения приводит к снижению содержания водорода в a-Si:H и уменьшению ширины его оптической щели).

Таким образом, уменьшая толщину солнечных элементов на основе

a-Si:H, можно снизить деградацию эффективности преобразования. Как

130

правило, максимальный стабилизированный КПД одинарного СЭ получают при толщине /-слоя ~200 нм. Однако это уменьшает и оптическое поглоще­ние структуры. В связи с этим необходимо применять отражающие слои на тыльной стороне и каскадную структуру солнечного элемента. Использование каскадных структур дает, с одной стороны, возможность уменьшения толщины отдельных p-i-n-элементов и, таким обра­зом, обеспечивает большую стабильность, а с другой стороны — высокое значение эф­фективности за счет большой толщины всей структуры. Необходимо также иметь в виду, что согласование токов в каскадных СЭ предполагает минимальную толщину /-слоя в верхней p-i-n-структуре. Как отмечалось ранее, в этом случае и деградация этого p-i-n-элемента будет минимальной. В то же время эта p-i-n-структура является фильт­ром для нижележащих структур, отсекающим часть падающего излучения. Снижение интенсивности падающего на нижние p-i-n-элементы излучения, в свою очередь, уменьшает деградацию этих элементов. Зависимость выра­батываемой СЭ мощности от времени (рис. 8.2) эксплуатации показывает, что после 1000 ч освещения вырабатываемая солнечным элементом с одним p-n-переходом мощность снижается на 30 %, а для СЭ с тремя переходами снижение составляет 15 %.

Применение структур на основе a-Si:H/c-Si открывает широкие воз­можности для повышения стабильности СБ. В таких гетероструктурах практически отсутствует деградация свойств с течением времени под ос­вещением, что является перспективным с точки зрения их использования не только для наземных, но и космических целей.