WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Фоточувствительность тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/Cu(In, Ga)Se2 © Т. Вальтер, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь+, Г.В. Шок+ Институт физической электроники, 70569 Штуттгарт, Германия Государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 августа 1996 г. Принята к печати 29 октября 1996 г.) Изучены фотоэлектрические свойства тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/Cu(In, Ga)Se2 с применением поляризационной спектроскопии фотоактивного поглощения. Показано, что тонкопленочные солнечные элементы имеют высокую эффективность относительно интенсивности неполяризованного излучения в диапазоне энергий фотонов от 1.2 до 2.5 эВ. Коэффициент наведенного фотоплеохроизма PI возрастает с увеличением угла падения падающего излучения в соответствии с законом PI 2 и при 70 достигает 17-20% при энергии фотонов 1.3 эВ. Обнаружены также осцилляции фотоплеохроизма. Эти результаты обсуждаются с учетом эффекта просветления. Полученные результаты открывают возможности использования таких солнечных элементов в качестве широкополосных фотосенсоров линейно-поляризованного излучения и контроля процессов получения высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов на основе тройных полупроводников.

Тройные соединения I–III–VI2 уже нашли примене- шался осаждением на поверхность ZnO токосъемной ние при создании высокоэффективных фотовольтаиче- металлической сетки. В условиях освещения АМ-1.5 ских преобразователей солнечного излучения, поскольку (100 мВт/см2) эффективность фотопреобразвания в поих электрические и оптические свойства соответствуют лученных ТСЭ при площади активной поверхности до оптимальным для такого рода устройств. Поликристал- 2см2 находилась на уровне 12–15%.

лические тонкие пленки CuInxGa1-xSe2 (CIGSe) позволя- Конструкция ТСЭ включала обычно 6 раздельных ют реализовать эффективность фотопреобразования сол- гетероструктур на единой стеклянной подложке, которые нечного излучения до 17% [1–4]. Дальнейшие оптими- затем можно было коммутировать необходимым образом зации процессов получения тонкопленочных солнечных с учетом соотношения их фотоэлектрических парамеэлементов (ТСЭ) этого типа и подъем эффективности тров.

фотопреобразования требуют углубления исследований 2. На рис. 1 представлена типичная стационарная взаимосвязи фотоэлектрических параметров с техноло- вольт-амперная характеристика (ВАХ) одной из таких гическими условиями формирования пленок на основе структур. Пропускное направление в ТСЭ отвечает отрисоединений I–III–VI2 [1,5]. В настоящей работе предстацательной полярности напряжения внешнего смещения влены результаты комплексных исследований фотоэлекна ZnO, что соответствует энергетической диаграмме трических свойств ТСЭ ZnO/CdS/CIGSe с привлечением гетероструктуры [3]. Из рис. 1 (кривая 1) видно, что при методики поляризационной спектроскопии фотоактивноUd > 0.4 В наблюдается экспоненциальное увеличение го поглощения [6].

прямого тока в соответствии с соотношением 1. Исследования проводились на тонкопленочных солI = I0(exp eUd/kT - 1).

нечных элементах ZnO/CdS/CIGSe, изготовленных в институте физической электроники (IPE, Germany). ПленТипичная для полученных ТСЭ величина показателя ки твердого раствора создавались вакуумным терми = 2.0-2.2. Высокое значение известно также в ческим испарением компонент из индивидуальных исдругих типах солнечных элементов на основе CuInSeточников. Состав пленок соответствовал отношению (CISe) и обычно связывается с рекомбинацией фотогеIn/(Ga + In) =0.25 и был выбран из требований обеснерированных пар в области пространственного заряпечения максимальной эффективности фотопреобразода [3,4]. Наблюдаемое при Ud > 0.7 В отклонение от вания [1]. Пленки наносились на металлизированное экспоненциального закона обусловлено влиянием послемолибденовое стекло. Молибден обеспечивал омический довательного сопротивления ТСЭ на прямую ВАХ. В контакт к пленке CIGSe. Фоточувствительная структура области Ud > 0.7 В, как видно из рис. 1, между током и создавалась осаждением на поверхность CIGSe пленки напряжением переходит в линейную специально не легированного сульфида кадмия толщиной 0.5 мкм. Затем на поверхность CdS наносилась U = U0 + R0 · I, пленка ZnO толщиной 1 мкм, которая обеспечивала высокое оптическое пропускание и собирание носите- где напряжения отсечки U0 в разных структурах лелей заряда. Технологический цикл создания ТСЭ завер- жат в пределах 0.6–0.7 В, а остаточное сопротивление Фоточувствительность тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/Cu(In, Ga)Se2 технологии в направлении сближения параметров отдельных элементов. Обнаруживаемый разброс параметров ТСЭ влечет за собой понижение эффективности фотопреобразования при увеличении активной площади ТСЭ.

На рис. 2 приводится спектральная зависимость относительной квантовой эффективности фотопреобразования, вычисленной как отношение фототока короткого замыкания is к числу падающих фотонов, для нескольких типов фотопреобразователей при T = 300 K в условиях их освещения неполяризованным светом вдоль нормали к фотоприемной плоскости. Видно, что в ТСЭ ZnO/CdS/CIGSe фоточувствительность наблюдается в широкой спектральной области от 0.5 до 3.5 эВ.

Длинноволновый экспоненциальный край описывается высокой крутизной S = 45-60 эВ-1 для разных ТСЭ (см.

таблицу). Энергетическое положение длинноволнового края в ТСЭ на основе CIGSe оказывается смещенным относительно аналогичного края для структуры CdS/CISe, полученной нанесением пленки CdS толщиной 2 мкм на толстую ( 0.5мм) подложку из p-CISe, полученную кристаллизацией стехиометрического расРис. 1. Стационарная вольт-амперная характеристика ТСЭ nплава. Это смещение происходит в результате замещения ZnO/n-CdS/p-CIGSe. 1 — прямое смещение, 2 —обратное:

T = 300 K. На вставке — конструкция и схема освещения ТСЭ.

R0 = 6-16 Ом при T = 300 K. Обратный ток ТСЭ растет пропорционально напряжению до 5В, что отражает определяющий вклад токов утечки в перенос носителей заряда в обратно смещенных структурах. В таблице в качестве иллюстрации приводятся значения некоторых параметров для 6 ТСЭ, размещенных на общей стеклянной подложке. Из таблицы видно, что наряду с R0, наблюдается и большой разброс в величинах обратного тока IR при UR = 1 В. Пожалуй, наиболее воспроизводимым параметром для полученных в едином технологическом цикле ТСЭ является напряжение отсечки, которое совпадает с фотонапряжением насыщения U на этих же структурах и может быть сопоставлено с контактной разностью потенциалов. Относительно хорошая воспроизводимость в этих элементах позволяет считать, что уровень легирования слоев и состав твердого раствора в сравниваемых ТСЭ оказываются достаточно близкими.

3. При освещении ТСЭ возникает фотовольтаический эффект, причем знак фотонапряжения отвечает его отрицательной полярности на ZnO. На рис. 2 (кривая 4) приведена типичная нагрузочная характеристика одного из лучших ТСЭ, характиризуемых коэффициентом заполнеРис. 2. Спектральные зависимости относительной кванния 0.83. В таблице приводятся также значения фотонатовой эффективности фотопреобразования для структур пряжения холостого хода Ui и тока короткого замыкания ZnO/CdS/CISe/Mo (1), In/CIGSe/Mo(2) иCdS/CISe (3) инагруis, в условиях освещения АМ-1.5. В лучших из элементов зочная характеристика ТСЭ ZnO/CdS/CIGSe (4) при T = 300 K значение is достигает 40 мА/см2, что находится на уровне (освещение со стороны широкозонной пленки или индия в рекордных величин для изучаемой конструкции ТСЭ.

случае поверхностно-барьерной структуры, неполяризованное Наблюдаемый разброс is для сформированных на единой излучение: для исключения наложения кривые смещены друг подложке ТСЭ указывает на необходимость совершения относительно друга по оси ординат.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 808 Т. Вальтер, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Г.В. Шок Фотоэлектрические свойства ТСЭ ZnO/CdS/CIGSe при T = 300 K is, мА/см2 Ui, В N элемента U0, В R0, Ом iR, мА (U = 1В) S, эВ-1 1/2, эВ U, В L 100 мВт/см1 0.6 16 0.2 55 1.5 0.60 30 0.2 0.6 16 0.7 48 1.6 0.62 35 0.3 0.7 7.1 0.1 58 1.6 0.65 40 0.4 0.6 6.7 50 42 1.5 0.61 28 0.5 0.6 11.4 7 48 1.6 0.62 32 0.6 0.7 14.5 0.5 52 1.6 0.70 33 0.атомов In на Ga [5], тогда как близкая для структур Следует также отметить, что в спектральных зависиZnO/CdS/CIGSe и CdS/CISe крутизна длинноволнового мостях ( ) ТСЭ воспроизводимо проявляется систекрая указывает на то обстоятельство, что энергетический ма эквидистантных пиков. В лучших из этих структур спектр твердого раствора CIGSe, как и полностью упо- (рис. 2, кривая 1) в спектре можно выделить 7 пиков.

рядоченного соединения CISe, характризуется прямыми Если связывать их проявление с интерференцией излучемежзонными переходами. Этот вывод согласуется с рения в пленке ZnO, тогда оценка дает толщину, совпадазультатом [5].

ющую с измеренным значением. Проявлением интерфеЧеткая короковолновая граница фоточувствительноренционных особенностей в фоточувствительности ТСЭ сти для структуры CdS/CISe (рис. 2, кривая 3) вызваесть свидетельство достаточно высокого структурного на межзонными переходами в CdS и удалением слоя совершенства составляющих их поликристаллических фотогенерированных пар от активной области ТСЭ на пленок.

расстояния, превышающие длину диффузионного смеПри переходе к поверхностно-барьерным структурам, щения дырок в CdS. Аналогичный по спектральному построенным на аналогичных ТСЭ пленках CIGSe, соположению и физической природе коротковолновый спад хранился широкополосный характер спектров фоточув вблизи ширины запрещенной зоны CdS, как видно из ствительности, однако отсутствует свойственная ТСЭ сирис. 2 (кривая 1), проявлялся и в ТСЭ ZnO/CdS/CIGSe.

стема максимумов (рис. 2, кривые 1 и 2). Эти особенноОднако из-за существенно меньшей толщины слоя CdS сти позволяют считать оба типа энергетических барьеров в последнем случае спад оказывается намного слабее.

(In/CIGSe и CdS/CIGSe) достаточно эффективными при Для выявления роли пленок CdS и ZnO в короткоподавлении рекомбинационных потерь на поверхности волновой фоточувствительности ТСЭ на основе полиp-CIGSe, а интерференционные пики (рис. 2, кривая 1) кристаллических пленок CIGSe были получены также связывать с оптическими процессами в пленках ZnO.

поверхностно-барьерные структуры In/CIGSe. Типичная В случае структур CdS/CISe, как следует из рис. спектральная зависимость одной из таких структур (кривая 3), также четко проявляется и во всем диапаприведена на рис. 2 (кривая 2). Длинноволновый зоне максимальной фоточувствительности система из край в этих структурах по спектральному положеэквидистантных пиков, которая согласуется с интерфению и крутизне совпадает с характерными для ТСЭ ренцией падающего излучения в пленке CdS.

ZnO/CdS/CIGSe, что служит еще одним свидетельством 4. При освещении тонкопленочных структур в пользу его связи с прямыми межзонными переходами ZnO/CdS/CIGSe линейно-поляризованным излучением электронов в энергетическом спектре CIGSe. С ро(ЛПИ) вдоль нормали к поверхности ZnO фототок стом энергии фотонов вплоть до 3 эВ фоточувствителькороткого замыкания оказывается независимым от ность структур In/CIGSe не обнаруживает выраженного положения плоскости поляризации излучения E и это коротковолнового спада, что свидетельствует о высопозволяет сделать заключение о том, что естественный кой эффективности собирания фотогенерированных пар фотоплеохроизм PN в изготовленных с использованием поверхностно-барьерным переходом. Переходя к ТСЭ анизотропных веществ (CIGSe, CdS и ZnO [7–10]) (рис. 2, кривая 1), следует отметить, что возникающий CdS гетероструктурах отсутствует. Такая ситуация может спад при >EG даже в условиях низких толщин быть результатом поликристаллического строения CdS обусловлен влиянием поглощения излучения в шиZnO пленок или же текстурирования, когда тетрагональная рокозонной пленке CdS, а при > EG и в пленке и гексагональные оси преимущественно ориентируются ZnO.

вдоль нормали к поверхности ZnO.

Спектральный контур i( ) для отдельных ТСЭ, Как только угол падения ЛПИ становится отличасформированных на единой стеклянной подложке, окающимся от 0, фототок короткого замыкания во всем зался хорошо воспроизводимым. Полная ширина их диапазоне фоточувствительности от 0.5 до 3.5 эВ во всех спектральной характеристики ( ) на полувысоте исследованных ТСЭ начинал проявлять зависимость от 1/2 = 1.5-1.6 эВ для различных ТСЭ (см. таблицу) и характеризует их как широкополосные фотопреобразова- ориентации электрического вектора световой волны E тели естественного излучения. относительно плоскости падения (ПП) излучения на Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фоточувствительность тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/Cu(In, Ga)Se2 становились сходными, обнаруживая монотонный спад с увеличением > 0 [18].

В случае же высокоэффективных ТСЭ, обладающих зеркальной поверхностью ZnO, для обеих поляризаций фототок с ростом угла падения начинает возрастать, как видно из рис. 3 (кривые 1 и 2). Это может происходить вследствие устранения потерь на отражение не только для p-, но и для s-волны, т. е. наступает просветление для излучения обеих поляризаций. В выполненных ранее исследованиях этот эффект не проявлялся и поэтому оптические процессы контролировались соотношением Френеля [15,16].

Коэффициент наведенного наклонным падением ЛПИ фотоплеохроизма, определяемый из соотношения PI =(ip -is)/(ip +is), с ростом угла падения во всей области фоточувствительности ТСЭ, как видно из рис. 2 (кривые 3 и 4), плавно растет по квадратичному закону PI 2, что находится в соответствии с [15].

Следует отметить, что рассмотренная здесь особенРис. 3. Зависимости фототоков короткого замыкания ip (1) и is (2) и коэффициента наведенного фотоплеохроиз- ность ip и is() может найти применение для контрома (3, 4) от угла падения ЛПИ на приемную плоскость ТСЭ лирования эффекта просветления ТСЭ. Очевидно, что ZnO/CdS/CIGSe при T = 300 K ( = 1.33 эВ).

полному просветлению отвечает условие, когда поляризационная разность фототоков i = ip - is и, соответственно, коэффициент наведенного фотоплеохроизма устремляются к нулю.

приемную плоскость ZnO. Периодическая зависимость 5. Типичный для полученных ТСЭ пример спектральфототока от азимутального угла между E и ПП при ных зависимостей фототоков ip и is при одном из =const во всем диапазоне фоточувствительности ТСЭ фиксированных углов падения = 70 приведен на следовала закону i = ip cos2 + is sin2, где фототоки ip и is соответствуют поляризациям E ПП и E ПП соответственно.

Pages:     || 2 |



© 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.