WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 6 Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных элементах CdS/CdTe © Л.А. Косяченко¶ Черновицкий национальный университет, 58012 Черновцы, Украина (Получена 19 сентября 2005 г. Принята к печати 7 ноября 2005 г.) Обобщаются литературные данные и сообщаются новые результаты исследования потерь, сопровождающих фотоэлектрическое преобразование энергии в тонкопленочных солнечных элементах CdS/CdTe.

Обсуждаются и уточняются требования к электрическим характеристикам материала, минимизирующие электрические потери и обеспечивающие эффективное поглощение излучения в активной области диодной структуры. Показано, в какой степени неполное собирание фотогенерированных носителей заряда определяется рекомбинацией как на границе раздела CdS/CdTe (исходя из уравнения непрерывности с учетом поверхностной рекомбинации), так и в области пространственного заряда (на основе уравнения Гехта).

Сравнение результатов расчетов и эксперимента показывает, что в общем оба вида рекомбинационных потерь являются существенными, но могут быть практически устранены выбором параметров как барьерной структуры, так и используемого материала. Обсуждаются предельные значения плотности тока короткого замыкания и коэффициента полезного действия солнечного элемента CdS/CdTe.

PACS: 84.60.Jt 1. Введение площади, вселяют надежду на повышение эффективности таких модулей, как минимум, до 16-17%. Однако Перспективность использования гетероперехода остается неясным, почему даже при этом коэффициент CdS/CdTe в солнечных элементах была показана уже полезного действия намного ниже теоретически возв ранних работах, посвященных этой проблеме [1,2].

можного 28-30% [9]. Широкое внедрение в производКоэффициент полезного действия первых солнечных ство солнечных модулей на основе CdTe сталкивается элементов, полученных вакуумным напылением с проблемами, требующими дальнейших исследований, CdS на монокристаллические подложки CdTe, выяснения процессов, которые определяют потери в составлял 7-8% [2,3]. Расхождение параметров фотовольтаической структуре.

кристаллических решеток CdS и CdTe велико ( 10%), Работа солнечного элемента предполагает участие в но его негативное влияние существенно ослабляется формировании фототока в лучшем случае всех фотогев гетероструктуре с переходным варизонным слоем нерированных носителей заряда, т. е. 100%-ю эффективCdTexS1-x (x = 0-1), создаваемой методом твердоность (коэффициент) собирания заряда (отношение чистельного замещения атомов серы атомами теллура ла разделенных полем электронно-дырочных пар к числу при изотермическом отжиге монокристаллов CdS в возникших в результате поглощения фотонов). Реально парах Te или же в результате термической обработки это условие по разным причинам выполняется только в уже готовой структуры CdS/CdTe [4,5].

большей или меньшей степени. Во-первых, из-за отраВозможность реализации тонкопленочной гетерожения от внешней фронтальной поверхности и других структуры CdS/CdTe в дешевых и достаточно эффекграниц раздела не все фотоны, падающие на солнечный тивных солнечных модулях большой площади (а значит, элемент, проникают в его активную область. Такие повозможность их массового производства в перспективе) тери можно свести к минимуму, нанося просветляющие была доказана в 1990-е годы. Коэффициент полезнопокрытия известными технологическими методами. Вого действия образцов площадью 1см2, полученных вторых, не все фотоны, уже проникшие в полупрохимическим осаждением CdS на стеклянные подложводник, поглощаются. Из-за того что CdTe является ки (покрытые проводящим полупрозрачным слоем ITO полупроводником с прямыми межзонными переходами, или SnO2) и последующей сублимацией в закрытом коэффициент оптического поглощения быстро достиобъеме CdTe, был доведен до 15.8% [6]. При услогает значений 10-4 см-1 и больше, как только энергия виях солнечного облучения (АМ1.5) было достигнуто фотона превысит ширину запрещенной зоны [10].1 Это рекордное значение плотности тока короткого замыкаозначает, что во всей области собственного поглощения ния 26.7 мА/см2 [7]. Максимально удешевленную техглубина проникновения света в полупроводник -нологию изготовления тонкопленочной гетероструктуры меньше 10-4 см = 1 мкм, т. е. практически все излучение CdS/CdTe удалось перенести на модули (батареи) плопоглощается, если толщина слоя CdTe d превышает щадью 2760 и 8271 см2 мощностью 45 и 140 Вт с несколько микрометров ( 63% при d = 1мкм, 86% коэффициентом полезного действия 10.5 и 8.4% соответпри d = 2мкм, 95% при d = 3мкм). Остаются потери ственно [8]. Результаты, полученные на элементах малой В случае полупроводника с непрямыми переходами, например Si, ¶ E-mail: lakos@chv.ukrpack.net при подобных оценках используют = 103 см-1 [11].

Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных... иной природы, которые не так просто устраняются. одные структуры малой площади (0.1-1мм2). НапряСреди них важнейшими являются рекомбинация фото- жение холостого хода образцов составляло 0.4-0.5 В, генерированных носителей в области пространственного плотность тока короткого замыкания несколько мА/смзаряда (обедненном слое) диодной структуры и рекомби- (при условиях облучения, близких к AМ1.5), коэффициент полезного действия несколько процентов. Задачей нация на поверхности поглощающего слоя.

исследования ставилось не достижение высокой эффекДалее представлены результаты исследований потерь, тивности солнечных элементов, а выяснение причин их сопровождающих фотоэлектрическое преобразование в столь низких характеристик.

наиболее многообещающих с практической точки зрения тонкопленочных устройствах CdS/CdTe на стеклянной подложке, предварительно покрытой полупрозрачным 2.1. Спектры фоточувствительности проводящим слоем ITO (или SnO2). Обсуждаются основНа рис. 2, a представлены типичные спектры фотоные параметры используемого материала и барьерной электрического квантового выхода (внешнего) тонкоструктуры, определяющие эффективность фотопреобрапленочной гетероструктуры CdS/CdTe, а на рис. 2, b — зования в солнечном элементе: ширина области продиодной структуры на монокристалле CdTe (для сравстранственного заряда, время жизни неосновных нонения) при температуре T = 300 K. Как видно, в длинсителей, длина диффузии и длина дрейфа, скорость новолновой области эффективность тонкопленочной геповерхностной рекомбинации, эффективность собирания тероструктуры CdS/CdTe ограничена энергией фотозаряда в обедненном слое. Рассмотрен механизм перенонов h, соответствующей ширине запрещенной зоны са заряда в тонкопленочной гетероструктуре CdS/CdTe, CdTe (Eg = 1.46 эВ). В коротковолновой области наблюв первую очередь определяющий такие важнейшие парадается также довольно резкий спад, обусловленный метры солнечного элемента, как ток короткого замыкапоглощением в слое CdS (Eg = 2.42 эВ), через который ния и напряжение холостого хода.

излучение проникает в CdTe. В интервале длин волн = 550-800 нм спектр чаще всего является равномер2. Образцы и их основные ным или же чувствительность несколько возрастает при уменьшении. В случае фотовольтаических диодов на характеристики монокристаллах CdTe обычно наблюдается либо равномерная фоточувствительность в длинноволновой части Образцы для исследований изготавливались широко спектра, сменяющаяся непрерывным спадом при уменьраспространенным методом — сублимацией в закрытом шении, либо резкий спад начиная с = 830-850 нм.

объеме в случае CdTe (1-3мкм) и электрохимическим Спад в коротковолновой области спектра объясняется осаждением CdS (0.1-0.2 мкм) [12–14]. Подложками поверхностной рекомбинацией, которая усиливается при служили стеклянные пластины, покрытые полупрозрачуменьшении напряженности встроенного электрическоным проводящим слоем ITO (SnO2 + In2O3) (рис. 1).

го поля, т. е. при уменьшении концентрации примесей в Омические контакты к CdTe создавались вакуумным полупроводнике (расширении области пространственнораспылением Ni после обработки поверхности CdTe го заряда). С этой точки зрения наблюдаемое постоянионами аргона с энергией 500 эВ. Чтобы обойти ство или даже возрастание при уменьшении (в обсложности при интерпретации результатов, связанные ласти 550-800 нм) свидетельствует о слабом влиянии с неоднородностью свойств пленки, использовались диповерхностной рекомбинации на свойства тонкопленочных гетеропереходов CdS/CdTe. Однако непонятно, как это происходит в исследуемой диодной структуре на основе полупроводника с довольно высоким удельным сопротивлением (от 103-104 до 107-108 Ом · см при 300 K).

2.2. Вольт-амперные характеристики В большинстве публикаций описание электрических характеристик гетероструктуры CdS/CdTe сводится к утверждению, что механизмом переноса является термоэлектронная эмиссия или рекомбинация в обедненном слое, и использованию для тока полуэмпирической формулы [11,12,15–17] qV I = I0 exp - 1, (1) nkT где I0 – величина, которая считается не зависящей от Рис. 1. Поперечное сечение a и эквивалентная схема b фотовольтаической ячейки с гетеропереходом CdS/CdTe. напряжения (часто называют током насыщения), q — Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 732 Л.А. Косяченко Рис. 2. Типичные спектры монохроматического квантового выхода тонкопленочной гетероструктуры CdS/CdTe (a) и диода Au/n-CdTe, изготовленного на монокристалле (b). Температура измерения 300 K.

заряд электрона, V — напряжение, k — постоянная рах (302 и 358 K). Из измеренных токов вычтены токи Больцмана. Фактор „идеальности“ n для термоэлектрон- через шунтирующее сопротивление Rsh (рис. 1, b), что ной эмиссии и рекомбинации в обедненном слое равен обычно учитывается в эквивалентной схеме фотовольсоответственно 1 или 2, а в общем случае величина n таического устройства [12,15,18]. Для обеих температур находится между 1 и 2 (иногда больше 2).

значения Rsh = 2.1 · 109 и 1 · 108 Ом были определены Наши результаты свидетельствуют о том, что вольт- из начальных (линейных) участков I-V -характеристик амперная (I-V ) характеристика структуры CdS/CdTe (V < 0.1В). Следует заметить, что поправки, учитываюописывается теорией генерации–рекомбинации Саа– щие токи через шунт Rsh, оказались незначительными.

Нойса–Шокли с учетом особенностей процессов, проКак видно из рис. 3, полученные зависимости имеисходящих в гетеропереходе, без привлечения полуэмют сложную форму. При 302 K кривая I(V ) следует пирической формулы (1) [18].

зависимости, близкой к I exp(qV /2kT), в пределах На рис. 3 представлены типичные I-V -характериснемногим более 2 порядков изменения тока и только тики исследуемых гетероструктур при двух температупри низких напряжениях (V < 0.4В). При повышенной температуре (358 K) такая зависимость едва просматривается. Обратный ток при |V | < 0.1 В возрастает с напряжением довольно резко, а при больших |V | его зависимость становится сублинейной в широком диапазоне напряжений вплоть до начала электрического пробоя при |V | > 10-15 В.

2.3. Физическая интерпретация вольт-амперных характеристик Рассмотрим энергетическую диаграмму тонкопленочного гетероперехода n-CdS/p-CdTe, несколько упрощенную, но позволяющую описать основные характеристики солнечных элементов этого типа (рис. 4) [11,12]. Диаграмма показана без слоев SnO2 или ITO, омических контактов, которые могут быть весьма разнообразными, но, с другой стороны, не имеют прямого отношения к рассматриваемым вопросам [19]. Обратим прежде всего Рис. 3. Вольт-амперные характеристики гетероструктуры внимание на то, что ввиду большой проводимости CdS CdS/CdTe при разных температурах. Точки — эксперимент, (концентрация электронов составляет 1017 см-3 [13]) сплошные кривые — результаты расчета по формуле (7).

обедненный слой диодной структуры практически соШтриховые кривые — результаты расчета без учета падения напряжения на сопротивлении объемной части пленки CdTe. средоточен в p-CdTe, и искривление зон в основном Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных... центров рекомбинации (ток Irec на рис. 4). Для обратного смещения направление всех переходов нужно изменить на противоположное, а в обедненном слое происходит, разумеется, генерация, а не рекомбинация.

Скорость генерации–рекомбинации в сечении x обедненного слоя при напряжении V определяется выражением [20] n(x, V )p(x, V ) - ni U(x, V ) =, (4) p0[n(x, V ) +n1] +n0[p(x, V ) +p1] где n(x, V ) и p(x, V ) — концентрации носителей в зоне проводимости и валентной зоне, n0 и p0 — их равновесные значения, n0 и p0 — эффективные времена жизни электронов и дырок в обедненном слое соответственно, а величины n1 и p1 определяются глубиной Рис. 4. Энергетическая диаграмма гетероперехода CdS/CdTe.

залегания генерационно-рекомбинационного уровня Et Показаны переходы при прямом смещении, соответствующие (энергетическое расстояние от потолка валентной зоны), рекомбинационному току Irec, надбарьерному току дырок I, p Eg - Et надбарьерному току электронов In. При обратном смещеn1 = Nc exp -, (5) нии направления перехода противоположны указанным. Ec kT и Ev — разрывы в зоне проводимости (Ec) и валентной Et зоне (Ev) соответственно.

p1 = Nv exp -, (6) kT т. е. равны концентрациям равновесных электронов и дырок при условии, что уровень Ферми EF совпадает с приходится также на слой CdTe (0 на рис. 4). Таким уровнем Et. В формулах (5) и (6) Nc = 2(mnkT/2 )3/образом, ход потенциальной энергии в гетеропереходе и Nv = 2(mpkT/2 )3/2 — эффективные плотности можно описать (как и в диоде Шоттки) параболическим состояний в зоне проводимости и валентной зоне, mn законом [9] и mp — эффективные массы электронов и дырок соответственно.

x (x, V ) =(0 - qV ) 1 -, (2) Рекомбинационный ток при прямом смещении и геW нерационный при обратном находятся интегрированием где W — ширина обедненного слоя, U(x, V ) по всему обедненному слою:

W 20(0 - qV ) W =, (3) I = Aq U(x, V )dx, (7) q2(Na - Nd) — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, 0 — электрическая постоянная, (A — площадь диода), причем в выбранной системе (Na-Nd) — концентрация нескомпенсированных акцепотсчета выражения для концентрации электронов и торов в слое CdTe; энергия (x) отсчитывается от дырок приобретают вид [21] потолка валентной зоны Ev в объемной части пленки Eg - µ - (x, V ) - qV CdTe.

n(x, V ) =Nc exp -, (8) kT Полагается, что основным механизмом переноса заряда в диоде Шоттки является диффузионное (надба µ + (x, V ) рьерное) прохождение основных носителей [9]. Однако p(x, V ) =Nv exp -, (9) kT в рассматриваемом гетеропереходе „нормальный“ дырочный надбарьерный ток как раз невозможен (I на где µ — энергетическое расстояние между уровнем p рис. 4, перечеркнутая стрелка). Концентрация дырок, Ферми и краем валентной зоны в объемной части CdTe.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.