ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Солнечные элементы с ^—-«-структурой

Наибольшей эффективности солнечных элементов удалось достичь при использовании p-i-n-структур (рис. 7.1) [12], [17], [18], [21], [27], [30], [49], [92]. Широкая нелегированная /-область a-Si:H обеспечивает поглощение света и соответственно эффективную работу элемента. В отличие от кристал­лических солнечных элементов на основе p-n-переходов, где носители заря­да, имея большую диффузионную длину (100-200 мкм), достигают электро­дов и в отсутствие электрического поля, в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда могут достигать электродов в основном только за счет внутреннего электрического поля, т. е. за счет дрейфа носителей заряда, так как диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм). Поскольку в простом p-n-переходе на основе a-Si:H область сильного электрического по­ля очень узка и сосредоточена вблизи перехода, а диффузионная длина но­сителей заряда мала, то в большей части солнечного элемента не происходит

101

эффективного разделения носителей заряда, генерируемых за счет поглоще­ния света. Следовательно, для получения эффективных солнечных элемен­тов на основе аморфного гидрогенизированного кремния необходимо соз­дать во всей области оптического поглощения света (i-область) однородное и максимальное внутреннее электрическое поле.

pin

Рис. 7.1. Энергетическая зонная диаграммаp-i-n-структуры (а)
и расчетное распределение электрического поля (б)

В условиях термодинамического равновесия и отсутствия освещения p и n-слои в p-i-n-структуре имеют положительный и отрицательный заряды соответственно, что и приводит к образованию электрического поля в і-слое. При освещении p-i-n-структуры свет проходит через тонкое фронтальное окно p-типа, поглощается в толстом і-слое, где генерирует электронно-ды­рочные пары, разделение которых происходит электрическим полем в і-слое. Как правило, толщина і-слоя находится в диапазоне от 200 до 500 нм, а сло­ев p - и n-типа — в диапазоне от 10 до 30 нм. Дырки и электроны, генери­руемые светом в слоях n - и p-типа, не вносят вклад в фототок СЭ из-за мало­го времени жизни носителей в сильнолегированных слоях a-Si:H. На рис. 7.1 представлены энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры и расчетное распределение электрического поля в і-области a-Si:H толщиной 0,5 мкм. В данном случае напряженность электрического поля во всей і-области пре­вышает 104 В/см и длина дрейфа дырок ртЕ (рт = 3-10-9 см2/В) составляет 0,5 мкм, т. е. соизмерима с размерами области поглощения (і-область).

Наклон зон в і-слое приводит к тому, что уровень Ферми в этом слое в области, прилегающей к p-слою, смещен в сторону потолка валентной зо­ны, а в области, прилегающей к n-слою, — в сторону дна зоны проводимо­сти (см. рис. 7.1). В результате часть состояний в оптической щели в і-слое вблизи p - и n-слоев приобретает положительный и отрицательный заряд
соответственно. Эти заряженные дефекты усиливают электрическое поле вблизи p/i и n/i-границ раздела. В то же время электрическое поле в объеме i-слоя уменьшается.

Свойства p/i-границы раздела оказывают существенное влияние на ха­рактеристики СЭ и их стабильность при освещении. Введение слоя собст­венного широкозонного a-SiC:H на границе p/i-раздела увеличивает на­пряжения холостого хода из-за уменьшения рекомбинации на границе раз­дела. Формирование слоя с изменяющимися содержанием C и шириной за­прещенной зоны дополнительно увеличивает напряжение холостого хода и коэффициента формы. Однако введение этого слоя сопровождается допол­нительной деградацией характеристик СЭ, так как он влияет на перерас­пределение электрического поля при освещении.

Критическое влияние на характеристики СЭ оказывает граница раздела TCO/p-слой. Дырки из p-слоя рекомбинируют на границе TCO/p-слой с элек­тронами из высоколегированного (до уровня вырождения) слоя TCO n-типа. В зависимости от качества TCO/p-слоя может произойти заметное обедне­ние аморфного p-слоя, что создаст барьер на границе TCO/p-слой.

Наличие хвостов зон в слое a-Si:H ведет к уменьшению встроенного поля в i-области и напряжения холостого хода СЭ по сравнению с теорети­чески оцениваемой из зонной энергетической диаграммы величиной их х.

a б

Рис. 7.2. p-i-n-структура на стеклянной (а) и стальной (б) подложке При изготовлении p-i-n-структур солнечные элементы с лучшими па­раметрами удается получить, когда первым создается p-слой (рис. 7.2). Это объясняется тем, что при получении p-слоя используется небольшое коли­чество бора (<1018 см3), а значит, существенного загрязнения нелегиро­ванного слоя не происходит. В то же время, если первым осаждать «-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства /-слоя. Создание p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает хороший электрический контакт с электродом. Однако рекомендуется создавать дос­таточно тонкую p-область (10 нм), чтобы основная часть света поглоща­лась в /-области. Кроме того, в этом случае сокращается путь, проходимый дырками до электрода, и увеличивается эффективность их сбора.

Вторая конструкция солнечного элемента (рис. 7.2, б) отличается от первой тем, что в качестве подложки используется металлическая фольга, в частности из нержавеющей стали, и освещение осуществляется со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. Это обеспечивает большую величину плотности тока короткого замыкания, которая достига­ется за счет отражающей способности металлической подложки и меньше­го оптического поглощения света пленками a-Si:H, легированными фосфо­ром (n-область), по сравнению со слоями, легированными бором.

Ток короткого замыкания и выходная мощность солнечного элемента увеличиваются введением отражающего слоя и использованием текстури­рованной подложки. Это позволяет увеличить поглощение той части фото­нов, которая слабо поглощается i-слоем. Задний отражающий слой вдвое увеличивает путь, проходимый фотоном. Более ощутимый эффект дает при­менение текстурированной подложки. В этом случае в результате отражения от текстурированной поверхности подложки обеспечиваются условия пол­ного внутреннего отражения. Свет как бы захватывается солнечным элемен­том. Таким образом удается до 25 % увеличить ток короткого замыкания.

В общем фронтальная поверхность вносит основной вклад в рассея­ние света в СЭ на длинах волн от 450 до 650 нм, а тыльная поверхность — более 650 нм. Таким образом, для усиления эффекта «захвата солнечного света» в максимальном диапазоне длин волн необходимо, чтобы СЭ имели развитую фронтальную и тыльную поверхности.

Свойства слоя прозрачного проводящего оксида существенно влияют на характеристики формируемого СЭ. Такие слои должны обладать высо­кой прозрачностью для солнечного излучения, иметь низкое удельное по­верхностное сопротивление, чтобы минимизировались потери на последо­вательном сопротивлении, обеспечивать низкое контактное сопротивление к слою p-типа. Высокое контактное сопротивление приводит к понижению напряжения холостого хода и коэффициента формы. Значительно влияет на контактное сопротивление между слоями SnO2 и a-SiC:H p-типа темпера­тура осаждения. Кроме того, TCO должен быть стойким к водородному восстановлению при плазмохимическом осаждении других слоев.

Для формирования фронтального электрода используются прозрачные проводящие оксиды: SnO2:F, ІП2О3 — SnO2 (ITO) ZnO:Al. Они обладают высокой прозрачностью (>90 %), большой шириной запрещенной зоны (>3,5 эВ), низким удельным поверхностным сопротивлением (<10 Ом).

Очень эффективным является повышение КПД каскадных СЭ при ис­пользовании TCO, которые обеспечивают увеличение поглощения за счет многократного внутреннего отражения солнечного света. Однако в сильно текстурированных слоях наблюдается понижение напряжения холостого хода в СЭ с более тонкими /-слоями из-за увеличения плотности дефектов в /-слое. Известно, что в солнечных элементах на основе a-Si:H, форми­руемых на слое SnO2, их х снижается с уменьшением толщины р-слоя.

Для формирования текстурированного диоксида олова используется метод химического осаждения из газовой фазы при атмосферном давлении и температуре 550 °С. Оксид цинка и оксид индия-олова (ITO) наносятся с помощью методов распыления или испарения при более низких температу­рах и, как правило, не являются текстурированными. Неровная поверхность оксида цинка может быть получена в результате травления в HCl. Примене­ние оксида цинка приводит к образованию высокого контактного сопротив­ления с a-Si:H. Для получения более низкого контактного сопротивления можно использовать слои легированного микрокристаллического кремния.

Перспективным материалом для формирования TCO является ZnO. Прозрачность слоя SnO2 ухудшается в плазме из-за его химического восста­новления, что приводит к заметному поглощению в слое. Кроме того, SnO2 менее прозрачен в видимой области спектра (пропускание составляет 94 %), чем ZnO (пропускание составляет 97 %). Это уменьшает ток короткого замы­кания СЭ с TCO на основе SnO2 на 10 %. Проблемы использования ZnO связа­ны с образованием барьера на контакте ZnO/a-SiC:H p-типа, сложностью обес­печения чистого лазерного скрайбирования, высоким шунтирующим током.

Рассмотрим текстурированные стеклянные подложки со слоем TCO (рис. 7.2, а). После формирования р-/-п-структуры осаждается задний от­ражающий слой. Наилучшими отражающими характеристиками обладает

Ag, применяется также Al. Однако на границе раздела Si/Ag отражение ухудшается из-за взаимной диффузии элементов. Для предотвращения это­го между Si и Ag вводится буферный слой ZnO. Для получения текстури­рованной поверхности, рассеивающей свет, осаждение слоев Ag и ZnO производят при высоких температурах: от 100 до 400 °С. Однако для СЭ на стеклянной подложке температура осаждения заднего слоя TCO ограниче­на из-за того, что p-i-n-структура уже сформирована. Со временем отра­жение контакта ZnO/Ag ухудшается, что приводит к уменьшению тока ко­роткого замыкания на 3-4 %. Подобного эффекта не наблюдается при исполь­зовании заднего отражающего контакта ZnO/Al.

В солнечных элементах, изготовленных на подложке из нержавеющей стали (рис. 7.2), формируется текстурированный задний отражающий слой из Ag или Al, на который осаждается задний слой TCO, p-i-n-структура и фронтальный слой TCO. Формирование металлической сетки Ag на слое TCO снижает удельное поверхностное сопротивление.

Для одинарных СЭ оптимальной шириной оптической щели для мате­риала i-слоя является 1,7 эВ. При использовании такого полупроводника по­лучают напряжение холостого хода до 0,9 В и коэффициент формы ~0,75.