ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ

Для успешного производства высокоэффективных солнечных элементов наряду с применением современных методов изготов­ления необходимо глубокое понимание процессов, происходящих в элементах. Установив соответствие между характеристиками элементов и основными структурными, электронными и оптиче­скими свойствами полупроводниковых слоев, можно точно опре­делить влияние каждого из них на параметры перехода и наме­тить пути повышения КПД преобразования солнечной энергии. Для этого требуется детальный анализ свойств материалов, при­меняемых в различных компонентах конструкции солнечных эле­ментов. Качество перехода оценивают, исходя из вольт-амперной и вольт-фарадной характеристик, а также из спектральной зави­симости чувствительности, с помощью которых определяют ряд важных параметров, таких, как плотность обратного тока на­сыщения, диодный коэффициент, концентрация ионизированных примесей, диффузионный потенциал, высота потенциального барьера, толщина обедненной области и напряженность элект­рического поля в переходе. На основании этих данных можно построить энергетическую зонную диаграмму перехода и разра­ботать физическую модель для описания основных процессов, определяющих характеристики элемента. Создание модели на­ряду с измерениями и анализом потерь носителей заряда и из­лучения оказывается чрезвычайно полезным при оптимизации параметров фотоэлектрического преобразователя. Данная глава посвящена рассмотрению основных экспериментальных методов определения характеристик солнечных элементов и связанных с ними измерений; при этом особое внимание уделяется мето­дам, специально разработанным для исследования тонкопленоч­ных элементов.

В последующих разделах, каждый из которых связан с опи­санием конкретного метода измерений, в первую очередь рас­сматриваются экспериментальная установка и методика получения данных. Далее обсуждаются вопросы анализа и интерпрета­ции результатов измерений при определении параметров мате­риала или перехода.

• Анализ свойств переходов

В этом разделе речь пойдет об измерениях, которые позво­ляют получить информацию о свойствах перехода и его диод­ных характеристиках. К ним в первую очередь относятся изме­рения вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик при различных температурах и интенсивностях излучения. Рассмот­рен также метод емкостной спектроскопии глубоких уровней, ос­нованный на изучении процесса релаксации емкости перехода при обратном смещении, с помощью которого можно получить полезные сведения о параметрах центров рекомбинации.

• Анализ вольт-амперных характеристик

Исследование вольт-амперных характеристик солнечного элемента при различных температурах и интенсивностях пада­ющего излучения позволяет получать важные данные о каче­стве перехода и механизме переноса носителей заряда [1-ц]. Однако, прежде чем проводить количественный анализ характе­ристик, в уравнении вольт-амперной характеристики р—ft-пере­хода необходимо учесть влияние последовательного R_s и шунти­рующего Rsh сопротивлений. Уравнение вольт-амперной характе­ристики солнечного элемента можно представить в виде

г = Е/„ [exp (qV'ImkT)-1 \-I_L.                        (1.1)

І

Здесь I'^I—V'IRsh, V'=V—IRs, II — фототок, q — заряд элект­рона, I si и Пі — компоненты обратного тока насыщения и диод­ные коэффициенты, отвечающие различным механизмам проте­кания тока. Значения I_Si и щ можно определить из эксперимен­тальных данных соответственно по пересечению кривой, представляющей зависимость lg (Г + Il) от V\ с осью ординат и по наклону этой кривой. При рассмотрении солнечного элемента, в эквивалентную схему которого включены два диода¹), на гра­фике зависимости lg (I' + Il) от V' можно выделить две области, характеризующиеся разным наклоном и, следовательно, двумя значениями ft, которые относятся к различным диодам, а также двумя значениями /_s, определяемыми путем экстраполяции каж­дой из зависимостей до точки пересечения соответствующей кри-

В Обычно это делается для того, чтобы показать существование в ре­альном р—и-переходе двух механизмов протекания тока; диффузионного и генерационно-рекомбинационного. — Прим. ред.

Рис. 1.1. Зависимости Г+Іь от V' для                    Рис. 1.2. Зависимости I_s от \/kT

солнечных элементов на основе Cu₂S— для солнечных элементов на ос- CdS при различной температуре. нове Cu₂S—ZruCdi-xS при различных значениях х.вой с осью ординат. Зависимости I' + Il от V' для солнечного элемента на основе CU2S — CdS при различной температуре при­ведены на рис. 1.1 [11, 12]. Определив 1₈ указанным способом при ряде значений температуры, мы получим температурную за­висимость I_s, сопоставляя которую с аналитическими зависимо­стями I_S{T), соответствующими различным механизмам проте­кания тока, можно выделить преобладающий механизм и опре­делить ширину запрещенной зоны полупроводника E_gy высоту потенциального барьера Фв, диффузионный потенциал Vd, эф­фективное значение постоянной Ричардсона Л* или эффектив­ную скорость рекомбинации 5/ на границе раздела полупровод­ников в гетеропереходе. Зависимости величины обратного тока Is от параметра І/kT для солнечных элементов на основе C112S — Zn^Cdi-xS при различных значениях х показаны на рис. 1.2.

Для идеального диода Шокли, зная I_s, можно определить

Рис. 1.3. Зависимость V_oc солнечного элемента на основе Cu₂S—CdS от ин­тенсивности излучения.

диффузионную длину неосновных носителей [10]. Влияние примесей на параметры солнечных элементов изучали Рохаджи и др. [9] путем анализа вольт-амперных характеристик.

Другой метод определения характеристик перехода основан на измерении зависимости напряжения холостого хода V_oc от интенсивности излучения [8]. Если диодные параметры не меня­ются при вариациях интенсивности излучения, то зависимость Voc от логарифма интенсивности является линейной, поскольку ток короткого замыкания связан с интенсивностью излучения ли­нейной зависимостью. Этот вывод иллюстрирует рис. 1.3, на ко­тором представлены характеристики тонкопленочного солнеч­ного элемента со структурой Cu₂S — CdS. Значение п можно оценить по углу наклона этой зависимости. Различным механиз­мам протекания диодного тока отвечают участки зависимости, имеющие разный наклон (см. рис. 1.3). Аналогичную информа­цию можно извлечь, анализируя зависимость напряжения холо­стого хода от логарифма тока короткого замыкания; кроме того, по величине отрезка, отсекаемого соответствующей кривой на оси абсцисс, определяется значение I_s.

Наиболее удобный способ обработки вольт-амперных харак­теристик связан с введением автоматически регистрируемых данных в ЭВМ и расчетом необходимых параметров по опреде­ленной программе. Для вычерчивания вольт-амперных характе­ристик солнечных элементов, а также зависимостей lg / и lg (/ + /l) от V удобно применять автоматический графопострои­тель [7]. В приборе используется логарифмический усилитель, выходное напряжение которого равно логарифму входного, со­ответствующего проходящему через элемент току.

При разработке модели солнечного элемента важно знать величины различных видов потерь. Одним из них являются оми­ческие потери мощности, которые приводят к уменьшению коэф­фициента заполнения вольт-амперной характеристики. Количест­венная оценка влияния омических потерь на коэффициент за­полнения вольт-амперной характеристики проводится в соответ­ствии с методикой, предложенной Ротворфом [13], с использова­нием измеренных значений последовательного и шунтирующего сопротивлений.