WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 Влияние тыльного контакта на электрические свойства пленочных солнечных элементов на основе CdS/CdTe © Г.С. Хрипунов¶ Национальный технический университет „Харьковский политехнический институт“, 61002 Харьков, Украина (Получена 15 марта 2005 г. Принята к печати 18 мая 2005 г.) Приведены результаты сопоставительных исследований темновых вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик пленочных солнечных элементов CdS/CdTe/Cu/Au и CdS/CdTe/ITO. Впервые экспериментально определены физические свойства тыльного контакта p+-CdTe/n+-ITO.

PACS: 84.60.Tt, 85.20.Su, 73.30.+y 1. Введение существенно уменьшить скорость деградации выходных характеристик СЭ на основе CdS/CdTe. Однако эфТеллурид кадмия p-типа проводимости является опти- фективность полученного СЭ CdS/CdTe/ITO пока не мальным материалом для создания базовых слоев высо- превышает 8% [7]. Для дальнейшего увеличения эфкоэффективных пленочных солнечных элементов (СЭ) фективности СЭ CdS/CdTe/ITO является актуальным наземного применения [1]. Его ширина запрещенной изучение влияния тыльного контакта p+-CdTe/n+-ITO зоны, которая составляет 1.45 эВ, наилучшим образом на процессы переноса заряда в приборной структуре.

адаптирована к преобразованию солнечного излучения С этой целью были проведены сопоставительные исв наземных условиях. Поэтому СЭ с базовым слоем следования темновых вольт-амперных (ВАХ) и вольттеллурида кадмия имеют самый высокий среди одно- фарадных характеристик (ВФХ) СЭ CdS/CdTe/ITO и СЭ переходных фотоэлектрических преобразователей теоре- на основе CdS/CdTe с традиционным тыльным электротический коэффициент полезного действия — 29% [1]. дом Cu/Au.

Максимальная экспериментальная эффективность 16.5% зафиксирована для солнечных элементов на основе ге2. Эксперимент теросистем CdS/CdTe [1]. Принципиальной физической проблемой при разработке СЭ на основе CdS/CdTe Получение пленочных слоев CdS и CdTe осуществляявляется создание тыльных электрических контактов лось на подложках из стекла со слоем SnOx : F по к базовым слоям. Для формирования омического контехнологии, описанной в работе [7]. Перед формироватакта к p-CdTe необходим металл с работой выхода нием тыльных электродов поверхность базового слоя более 5.7 эВ. Так как таких металлов не существутеллурида кадмия травилась в растворе бром-метанола.

ет, в качестве тыльного контакта используется барьер Затем на протравленную поверхность при темпераШоттки. Для снижения контактного сопротивления путуре 250C методом нереактивного высокочастотного тем химического травления и термодиффузии примеси магнетронного распыления осаждались слои ITO. Для из буферного слоя увеличивают электропроводность формирования тыльного электрода СЭ CdS/CdTe/Cu/Au поверхности CdTe. На модифицированную таким обна протравленную поверхность базового слоя послеразом поверхность p+-CdTe наносят металлы или выдовательно осаждались пленки Cu толщиной 11 нм, а рожденные полупроводники p+-типа проводимости, в затем пленки Au толщиной 50 нм. После чего СЭ результате чего формируются потенциальные барьеры подвергались отжигу на воздухе при температуре 250C высотой не более 0.5 эВ. Обычно используют следующие в течение 25 мин.

пленочные контакты: Cu/Au [2], Cu/Mo [3], Cu/графит [4], Для измерения ВАХ использовался автоматический ZnTe : Cu/Au [5]. Основная проблема применения таких анализатор (4145A Semiconductor Analyzer, производслоев в конструкции СЭ на основе CdS/CdTe заклюство фирмы Hewlett Packard). Для проведения измерений чается в том, что в процессе эксплуатации диффузия ВАХ СЭ при различных температурах образец помещалпримесей из контакта в области p-n-перехода приводит ся в термостатический бокс. Изменение температуры к деградации выходных характеристик [6].

образца с точностью ±1C осуществлялось с помощью Недавно в качестве тыльного электрода к базовым элемента Пельте (Peltron GmbH, PRG H100 control unit).

слоям теллурида кадмия p+-типа проводимости были Чтобы исключить влияние на результаты измерений апробированы пленочные слои вырожденного полупроконденсации на поверхность СЭ водяных паров, внутри водника ITO (оксидов индия и олова) n+-типа провобокса поддерживался постоянный поток азота.

димости [7]. Использование слоев ITO, которые отличаИзмерение ВФХ осуществлялось с помощью высоются высокой стабильностью, принципиально позволяет кочастотного LCR-метра (HP4275A, производство фир¶ E-mail: khrip@ukr.net мы Hewlett Packrad) путем одновременной подачи на 118 Г.С. Хрипунов образец постоянного напряжения в диапазоне от -2В до +2 В и синусоидального сигнала с частотой 100 кГц и амплитудой 10 мВ. Согласно литературным данным [6], при такой частоте сигнала вид ВФХ пленочных СЭ на основе CdTe в основном определяется изменениями размеров областей пространственного заряда.

3. Результаты и их обсуждение 3.1. Вольт-амперные характеристики солнечных элементов CdS/CdTe/Cu/Au и CdS/CdTe/ITO Типичные темновые ВАХ исследованных СЭ CdS/CdTe/Cu/Au и CdS/CdTe/ITO при прямом смещении приведены на рис. 1, a и 2, a соответственно. Анализ ВАХ и температурные зависимости плотности диодного тока насыщения Js свидетельствуют о том, что при прямом смещении до 0.6-0.8В для CdS/CdTe/Cu/Au и до 0.5-0.7 В для CdS/CdTe/ITO в приборных структурах реализуется термически активированный рекомбинационный механизм переноса Рис. 2. Вольт-амперные характеристики солнечных элементов CdS/CdTe/ITO при прямом напряжении смещения (a) и темпе ратуре T, C: 1 — 20, 2 — 12, 3 —0, 4 — (-10). Зависимость тока J от величины U-1/2 при прямом напряжении U > 1В (b).

заряда, при котором ВАХ исследованных СЭ могут быть представлены выражением [8,9] J = Js exp(eU/AkT ) - 1, (1) где Js — плотность диодного тока насыщения, U — напряжение смещения, e — заряд электрона, A — коэффициент идеальности, k — постоянная Больцмана, T — температура;

Js = Js0 exp(-Ea/kT), (2) где Ea — энергия активации тока насыщения, которая в соответствии с [10] связана с высотой потенциального барьера Eb: Ea = Eb/A.

Расчеты показали, что энергия активации для CdS/CdTe/Cu/Au составляет 0.75 эВ, а для CdS/CdTe/ITO — 0.68 эВ. С учетом того что при комнатной температуре коэффициент идеальности исследованных СЭ CdS/CdTe/Cu/Au принимает Рис. 1. Вольт-амперные характеристики солнечных элементов значение 1.9, а для CdS/CdTe/ITO A = 2.1, для обоих CdS/CdTe/Cu/Au при прямом напряжении смещения (a) и типов СЭ получаем практически одинаковую высоту температуре T, C: 1 — 30, 2 — 20, 3 — 12, 4 —0, 5 — (-7).

Температурная зависимость тока насыщения Jsb (b). потенциального барьера Eb = 1.43 эВ. Согласно [11], Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние тыльного контакта на электрические свойства пленочных солнечных элементов... теоретическое значение высоты потенциального барьера выражение для плотности тока имеет вид гетероперехода p-CdS/n-CdTe составляет 1.02 эВ. ПоэтоJ exp -B(Ubb - U)-1/2, (4) му, учитывая то, что ширина запрещенной зоны пленочных слоев теллурида кадмия равна 1.45 эВ, становится где B — параметр, определяемый физическими характеочевидным, что в исследуемых СЭ разделение носителей ристиками материала n-типа, Ubb — контактная разность заряда осуществляется p-n-переходом, формируемым потенциалов (Ebb = eUbb).

в базовом слое CdTe. Действительно, согласно [12], в процессе высокотемпературного получения СЭ 3.2. Вольт-фарадные характеристики на основе CdS/CdTe происходит смещение области солнечных элементов CdS/CdTe/Cu/Au встроенного электрического поля в глубь базового слоя.

и CdS/CdTe/ITO Это положительным образом влияет на эффективность фотоэлектрических процессов, поскольку уменьшает Типичные экспериментальные зависимости удельной негативное влияние поверхностной рекомбинации на емкости C/S (S — сечение СЭ) от приложеннопроцесс разделения генерированных под действием го напряжения исследованных СЭ CdS/CdTe/Cu/Au и света неравновесных носителей заряда.

CdS/CdTe/ITO приведены на рис. 3, a. На ВФХ обоПри больших прямых смещениях (U > 1В) на вид их типов СЭ можно выделить несколько характерных ВАХ исследуемых СЭ начинает оказывать влияние участков. Первый участок соответствует обратному сметыльный контакт. Так как тыльный контакт с базовым щению и низкому прямому смещению (U 0.2-0.3В).

слоем теллурида кадмия представляет собой барьер На этом участке ВФХ линеаризуются в координатах Шоттки, в работе [13] для описания особенностей переS2/C2 = f (U). В соответствии с [13] на этом участке носа заряда СЭ CdS/CdTe/Cu/Au при прямых смещениях плотность тока, протекающего через СЭ на основе свыше 1 В было предложено учитывать тыльный кон- CdS/CdTe/Cu/Au, много меньше, чем плотность тока такт как последовательно соединенный диод, который подключен в направлении, противоположном основному p-n-переходу.

Исследования показали, что на ВАХ исследуемых СЭ CdS/CdTe/Cu/Au при прямом напряжении U > 1В наблюдается плато. Величина плотности тока, соответствующего плато, увеличивается с ростом температуры (рис. 1, b). Следовательно, плотность протекающего через СЭ тока начинает лимитироваться плотностью тока насыщения тыльного контакта Jsb. Экспоненциальная температурная зависимость Jsb(T ) от 1/T свидетельствует о том, что в указанном диапазоне напряжений наблюдается термоэмиссионный механизм переноса заряда в приборной структуре:

Jsb = Jsb0 exp(-Eab/kT), (3) где Eab — энергия активации тока насыщения тыльного контакта, которая в соответствии с [9] связана с высотой потенциального барьера тыльного контакта (Ebb) соотношением Eab = Ebb/A. Для исследуемых образцов величина Eab составляет 0.16 эВ, A = 1.9 и, следовательно, Ebb = 0.30 эВ. Полученное значение высоты потенциального барьера практически совпадает со значением Ebb =(0.31-0.33) эВ, полученным для таких СЭ аналогичным методом в работе [10].

На ВАХ CdS/CdTe/ITO при прямом смещении U > 1 В температурной зависимости плотности тока насыщения не наблюдается. При таких значениях напряжения ток J экспоненциально зависит от величины U-1/2 (рис. 2, b), что, согласно [14], свидетельствует Рис. 3. Вольт-фарадные характеристики солнечных элемено реализации туннельно-рекомбинационного механизма тов (a) CdS/CdTe/ITO (1) и CdS/CdTe/Cu/Au (2). Зависимости переноса заряда в приборной структуре, для которого S2/C2 = f (U) при U > 0.7В (b).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 120 Г.С. Хрипунов насыщения тыльного контакта Jsb. Поэтому все прикла- заряда вблизи тыльного контакта и высокий потенцидываемое напряжение падает на p-n-переходе. Следова- альный барьер тыльного контакта обусловили эксперительно, на этом участке общая емкость СЭ соответству- ментально наблюдаемый при анализе темновых ВАХ ет емкости p-n-перехода и описывается соотношением, туннельно-рекомбинационный механизм зарядопереноса характерным для полупроводниковых композиций с рез- в СЭ CdS/CdTe/ITO при прямом смещении свыше 0.8 В.

ким p-n-переходом или барьером Шоттки [15]:

4. Заключение C 0eN =, (5) 1/S 2(Vb - U) Показано, что фронтальный потенциальный барьер солнечных элементов (СЭ) CdS/CdTe/Cu/Au и где S — площадь слоя обеднения, — относительная диCdS/CdTe/ITO представляет собой p-n-переход, формиэлектрическая проницаемость, 0 — абсолютная диэлекруемый в базовом слое. При обратных смещениях и трическая проницаемость, Vb — контактная разность при прямых смещениях до 0.8 эВ для CdS/CdTe/Cu/Au потенциалов (Eb = eVb), N — концентрация носителей и до 0.7 эВ для CdS/CdTe/ITO наличие этого p-n-перезаряда.

хода определяет термически активированный рекомбиПо пересечению продолжения линейной части завинационный механизм зарядопереноса в исследованных симости S2/C2 = f (U) с осью абсцисс была определена приборных структурах.

высота потенциального барьера p-n-перехода, которая Найдено, что высота тыльного потенциального барьдля СЭ CdS/CdTe/Cu/Au и CdS/CdTe/ITO отличалась ера CdTe-Cu/Au составляет 0.25-0.30 эВ. Наличие этонезначительно и составляла eVb = 1.41 и 1.44 эВ соотго барьера приводит к термоэмиссионному механизму ветственно. Полученное значение высоты потенциальпереноса заряда в CdS/CdTe/Cu/Au при прикладывании ного барьера практически совпадает со значениями Eb, прямого смещения свыше 1 В.

которые были определены путем обработки ВАХ. КонВпервые экспериментально определена высота тыльцентрация примеси в базовых слоях СЭ N рассчитыного потенциального барьера СЭ CdS/CdTe/ITO, которая валась по углу наклона линейной части зависимости составляет 2.2 эВ. При этом концентрация носителей S2/C2 = f (U) в соответствии с выражением (5). Для заряда в базовом слое теллурида кадмия вблизи тыльCdS/CdTe/Cu/Au N = 3 · 1020 м-3, а для CdS/CdTe/ITO ного контакта достигает 2.2 · 1021 м-3. Эти два обстоN = 2 · 1020 м-3. С нашей точки зрения, более высоятельства обусловливают туннельно-рекомбинационный кое значение N для CdS/CdTe/Cu/Au обусловлено дифмеханизм зарядопереноса в СЭ CdS/CdTe/ITO при прифузией меди из тыльного контакта к области p-nкладывании прямого смещения свыше 0.8 эВ.

перехода [16].

Экспериментально было установлено, что второй ха- Автор благодарит сотрудников лаборатории групрактерный участок на зависимостях C/S = f (U) иссле- пы физики тонких пленок Швейцарского федеральнодованных приборных структур наблюдается при поло- го технологического института (г. Цюрих, Швейцария) жительном смещении U > 1 В для CdS/CdTe/Cu/Au и Dr. Tiwari A.N. и Dr. Batzner D.L. за помощь в проведении U > 0.8 В для CdS/CdTe/ITO. На этом участке значений измерений вольт-амперных и вольт-фарадных характериприкладываемых напряжений ВФХ обоих типов СЭ стик солнечных элементов.

также линеаризуются в координатах S2/C2 = f (U) (см. рис. 3, b). В соответствии с [13] на этом участке Список литературы все прикладываемое напряжение падает в основном на тыльном выпрямляющем контакте, который включается [1] K. Durose, P.R. Edwards, D.P. Halliday. J. Cryst. Growth, 197, в этом случае в обратном направлении, поэтому общая 733 (1999).

емкость СЭ определяется его емкостью. При таких пря[2] J. Sarlund, M. Ritala, M. Leskela, R. Zilliacus. Sol. Energy мых смещениях геометрические размеры области обедMater. and Solar Cells, 44, 177 (1996).

нения p-n-перехода и соответственно сопротивление [3] N. Romeo, A. Bosio, V. Canevari. Int. J. Solar Energy, 12, области обеднения уменьшаются. По линейной части (1999).

зависимости S2/C2 = f (U), как и в работе [16], опре- [4] N. Suyama, T. Arita, Y. Nishiyama, N. Ueno, S. Kitamura, M. Morono. Conf. Record of the 26th IEEE Photovoltaic делялись высота потенциального барьера, возникающего Specialist Conference (Anaheim, USA, 1997) p. 419.

при формировании тыльного контакта к базовому слою [5] J. Tang, D. Mao, T.R. Ohno, V. Kjaydanov, J.U. Trefny. Conf.

теллурида кадмия, и концентрация носителей заряда Record of the 26th IEEE Photovoltaic Specialist Conference вблизи тыльного контакта (Nb). Для CdS/CdTe/Cu/Au (Anaheim, USA, 1997) p. 439.

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.