Текст книги "Солнечные элементы"

Автор книги: Марк Колтун

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 12 страниц)

Преимущества солнечных элементов с изотипным переходом у тыльной поверхности сказываются в том случае, когда диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое больше толщины базового слоя или по крайней мере равна ей. Это требование приводит к необходимости использовать для создания базового слоя достаточно чистый полупроводниковый материал с повышенным удельным сопротивлением или уменьшать толщину базового слоя до значений, меньших диффузионной длины носителей заряда в данном материале. В настоящее время получены зависимости диффузионный длины L и времени жизни τ носителей заряда от удельного сопротивления ρ базового слоя кремния, позволяющие выбрать необходимую толщину базового слоя определенного удельного сопротивления (или, наоборот, определить удельное сопротивление при заданной толщине слоя) для солнечного элемента с эффективно используемым изотипным переходом у тыльного контакта. Эти данные могут привлекаться лишь для качественных оценок. При проведении точных расчетов необходимо учитывать, что диффузионные характеристики неосновных носителей зависят не только от удельного сопротивления, но и от типа проводимости кремния, метода его получения, предшествовавшей обработки. Использование изотипного перехода позволяет применять для получения базовых слоев высокоэффективных солнечных элементов кремнии с очень высокими значениями времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда, которые характерны для кремния с почти собственной проводимостью (так называемой i-проводимостью).

Солнечные элементы с p – i – n- или p⁺ – i – п⁺-структурой и их модификации обладают исключительно высокой чувствительностью в длинноволновой области спектра. Форма вольт-амперной характеристики элементов близка к прямоугольной, поскольку благодаря высокому уровню возбуждения в условиях освещения солнечным светом омическое падение напряжения в базовой области сводится к минимуму (при освещении высокоомного базового слоя концентрация неравновесных носителей значительно выше, чем равновесных). Большое исходное значение диффузионной длины неосновных носителей заряда в высокоомном материале увеличивает срок службы таких солнечных элементов в радиационных поясах Земли.

Солнечные элементы на основе кремния (а также других полупроводниковых материалов), прозрачные в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, представляют собой разработку, сыгравшую большую роль в наблюдаемом нами сейчас бурном прогрессе полупроводниковой фотоэнергетики, ибо на основе таких элементов оказалось возможным реализовать на практике многие казавшиеся неосуществимыми теоретические модели элементов с очень высоким кпд, в частности каскадные элементы. Принципиальная возможность создания таких солнечных элементов обеспечивается прозрачностью любого чистого высокоомного полупроводникового материала за краем основной полосы поглощения. Однако если базовый слой солнечных элементов выполняется из сравнительно чистого материала с малым содержанием легирующих примесей, то верхний слой для уменьшения сопротивления растекания тока носителей заряда, разделенных p-n-переходом, легируется практически до концентрации, соответствующей пределу растворимости донорной или акцепторной примеси в данном полупроводниковом материале. Естественно, что такой высоколегированный слой будет сильно поглощать и отражать длинноволновое излучение.

Низкое значение времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда в легированном слое приводит к необходимости уменьшения толщины этого слоя до значений в диапазоне 0,15—0,5 мкм. Поглощение инфракрасной области солнечного излучения (λ от 1,1 до 2,5 мкм) элементом с легированным слоем такой толщины не превышает 1–3 %. Таким образом, тенденция к уменьшению глубины залегания p-n-перехода, характерная для современных солнечных элементов, позволила устранить одно из главных препятствий на пути создания элемента, прозрачного в длинноволновой области спектра.

Два других препятствия – поглощение излучения в сплошном тыльном контакте и высокое отражение от тыльной поверхности элемента – были преодолены путем замены сплошного тыльного контакта на сетчатый и нанесения просветляющего покрытия с оптической толщиной 0,3–0,4 мкм. Расчет показал, что при сетчатом тыльном контакте определенной конфигурации можно сохранить последовательное сопротивление и коэффициент заполнения нагрузочной вольт-амперной характеристики прозрачного кремниевого солнечного элемента практически на уровне элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом.

Равновесная рабочая температура у прозрачных солнечных элементов из кремния в космосе значительно ниже, чем у обычных, вследствие того, что интегральный коэффициент поглощения солнечной радиации составляет, как показали данные прямых измерений этой величины в космических условиях, не 0,92—0,93 (значения, характерные для элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом из плохо отражающего металла), а 0,72—0,73.

Солнечные элементы с тыльным сетчатым контактом, прозрачные в инфракрасной области спектра, начиная от длины волны 1,1 мкм, были получены в СССР из кремния и арсенида галлия и на основе тонкопленочных структур Cu₂S – CdS во Франции. Как показали расчеты для геостационарной орбиты, у таких солнечных элементов в космосе температура должна понизиться на 10–15°, а выходная мощность возрасти на 5–7 %.

Прозрачные солнечные элементы из кремния и арсенида галлия были успешно использованы также для создания первых реальных моделей каскадных солнечных элементов.

Нефотоактивное длинноволновое инфракрасное излучение может быть не только пропущено сквозь прозрачный солнечный элемент, но и отражено от его тыльной поверхности к источнику излучения. Для этого на тыльную поверхность прозрачных солнечных элементов, свободную от токосъемного омического контакта, должен быть нанесен слой высокоотражающего металла, например алюминия, меди, серебра.

Отражающий слой может быть получен испарением в глубоком вакууме обычной трехслойной структуры титан – палладий – серебро непосредственно на поверхность кремния, свободную от контактных полос, или создан одновременно с алюминиевым контактом. Однако необходимое для получения хорошего омического контакта впекание алюминия при высоких температурах приводит к уменьшению коэффициента отражения таким слоем инфракрасного излучения.

Значительно выгоднее использовать для увеличения отражения в нефотоактивной части спектра слой высокоотражающего металла, нанесенный на поверхность кремния между полосами сетчатого контакта на тыльной стороне. В этом случае можно ограничиться сравнительно небольшим (до температуры 150–200 °C) подогревом поверхности кремния для увеличения адгезии слоев и сохранить отражение в инфракрасной области от границы кремний – металл на достаточно высоком уровне.

К столь же высоким значениям коэффициента отражения приводит решение аналогичной задачи другим простым и технологичным способом: приклейкой кремнийорганическим каучуком к тыльной стороне прозрачных солнечных элементов стеклопленок с нанесенным слоем алюминия или серебра. При этом к внешней поверхности элементов или группы – модуля из таких элементов – может быть приклеено стекло с нанесенной на его поверхность (обращенную к элементу) сеткой из отражающего металла в местах, расположенных над токосъемными контактами самих солнечных элементов или над электрическими соединениями между ними. Изменяя ширину полос отражающей сетки, можно регулировать температуру таких элементов при увеличении или уменьшении потока солнечного излучения. Солнечные батареи такой конфигурации обладают в космосе более низкой равновесной рабочей температурой (на 25–35 °C) и повышенной термостойкостью, что было экспериментально подтверждено в ходе длительной эксплуатации в космических условиях на борту советских межпланетных станций «Венера-9» и «Венера-10».

Рис. 4.3. Конструкция прозрачного двустороннего солнечного элемента с n⁺ – р – p⁺– или p⁺ – p – n⁺-структурой (а) и его вольт-амперные характеристики (б)

1–3 – слои п⁺-, p-, р⁺-типа в случае n⁺ – р – р⁺-структуры и слои p⁺ – ,p-, п⁺-типа в случае р⁺ – р – n⁺-структуры соответственно; 4 – токосъемные контакты, 5 – просветляющие и защитные покрытия. А – солнечное излучение; Б – его инфракрасная составляющая, проходящая сквозь элемент; I – освещение только тыльной стороны (Е = 1360 Вт/м²); II – освещение только верхней стороны (Е = 1360 Вт/м²); III – одновременное освещение верхней (Е = 1360 Вт/м²) и тыльной стороны элемента (Е = 420 Вт/м²)

Следует отметить, что оптические характеристики прозрачных солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов с отражающими покрытиями на тыльной стороне весьма близки к оптическим характеристикам дихроических светоделительных зеркал, что делает весьма перспективным применение таких солнечных элементов для создания высокоэффективных фотоэлектрических систем со спектральным разделением солнечного излучения и последующим преобразованием его в электроэнергию элементами с различной спектральной чувствительностью. Прозрачные солнечные элементы могут при этом выполнять одновременно две функции: активно преобразующего элемента системы и светоделительного зеркала.

Советскими специалистами была впервые высказана также идея о том, что можно создать двусторонние солнечные элементы, совмещая элементы, прозрачные в инфракрасной области спектра, с элементами с изотипным переходом у тыльной поверхности n⁺ – р – р⁺– или p⁺ – p – n⁺-структуры (рис. 4.3, а). При уменьшении толщины базового слоя или увеличении диффузионной длины неосновных носителей заряда за счет использования более высокоомного кремния такие двусторонние элементы столь же эффективно преобразуют свет, падающий сзади, как и элементы со вторым p-n-переходом у тыльной поверхности.

Введение изотипного перехода в конструкцию прозрачных солнечных элементов позволяет резко снизить скорость поверхностной рекомбинации S на тыльной поверхности и увеличить коэффициент собирания неосновных носителей заряда (при L/l>1) двусторонних солнечных элементов, освещаемых сзади, до значений, характерных для этого коэффициента при освещении солнечных элементов с верхней лицевой поверхности (рис. 4.3, б).

В отличие от самых первых моделей элементов двусторонней конструкции с двумя p-n-переходами (на передней и тыльной сторонах элемента), предложенных еще в начале 60-х годов, в двусторонних элементах с изотипным переходом не наблюдается увеличения обратного тока насыщения при освещении только верхней лицевой поверхности солнечных элементов. В то же время нанесение токосъемных контактов на обе поверхности может производиться одновременно при использовании однократного фотолитографического процесса (одновременная засветка с двух сторон).

Изготовление двусторонних солнечных элементов не сложнее производства солнечных элементов и батарей с односторонней чувствительностью, прошедших многолетнюю проверку при эксплуатации в космосе. Изотипный барьер под сетчатым тыльным контактом можно создать ионным подлегированием бором с последующим термическим отжигом или нанесением методом химической пульверизации прозрачной токопроводящей пленки SnO₂ (образование изотипного перехода происходит при этом в основном за счет влияния встроенного электрического заряда).

G целью увеличения эффективности двусторонних солнечных элементов с изотипным тыльным переходом желательно использовать при создании базового слоя более высокоомный, чем обычно, материал, например, перейти от монокристаллического кремния с p=0,5÷1,5 Ом×см к кремнию с p=7,5÷10 Ом×см (или уменьшить толщину базового слоя).

Для низколетящих спутников Земли использование двусторонних солнечных элементов с изотипными переходами у тыльной стороны создает значительный резерв мощности, что подтвердили лабораторные эксперименты, в которых плотность потока солнечного излучения, падавшего на двусторонние элементы с тыльной стороны, составляла 0,3 от плотности потока излучения с верхней лицевой стороны в связи с тем, что среднее альбедо Земли близко к этому значению. Результаты измерений, проведенных в лаборатории, позволяют оценить возможный прирост мощности солнечных батарей, выполненных из двусторонних элементов с изотипным переходом у тыльной поверхности, при установке их на низколетящих спутниках Земли (высота орбиты 200–400 км). Эти результаты были качественно подтверждены затем прямым космическим экспериментом, выполненным советскими учеными на орбитальной станции «Салют-5». Среднее альбедо Земли во время этого полета составляло 0,25, а ток двусторонних солнечных батарей был в среднем на 17–18 % (а за первые десять витков на 15±2 %) больше, чем у односторонних солнечных батарей обычной конструкции.

Дешевые солнечные элементы из кремния

и автоматизированная технология их получения

Реальная перспектива широкого использования солнечных элементов не только на борту космических аппаратов, но и в наземной солнечной энергетике, в самых разнообразных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в автоматических системах управления, а также в быту делает актуальной проблему создания экономичного, полностью автоматизированного производства солнечных элементов из недорогих и тонких полупроводниковых слоев.

Решение этой проблемы усложняется тем, что длительное время в стремлении получить максимальное значение КПД и оптимальные оптические и электрические параметры разработчики солнечных элементов не стремились к уменьшению их толщины, не старались удешевить, механизировать и автоматизировать производство солнечных элементов или процесс сборки их в батарею и часто использовали для создания элементов и батарей самые разнообразные и разнородные физические и химические процессы и операции. Например:

при изготовлении кремниевых солнечных элементов высокотемпературной диффузии примесей для создания p-n-перехода обычно предшествует химическая очистка поверхности в жидких растворителях и травителях, за впеканием контактов в атмосфере инертных газов следует нанесение просветляющих покрытий испарением в высоком вакууме;

при производстве элементов из арсенида галлия применяются толстые дорогие подложки и трудоемкий процесс жидкостной или газовой эпитаксии для получения слоев твердого раствора алюминия в арсениде галлия, повторяющих совершенную структуру монокристаллической подложки;

в изготовлении тонкопленочных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди – сульфид кадмия одновременно участвуют «сухой» (нанесение слоев сульфида кадмия на проводящие подложки) и «мокрый» (образование гетероперехода путем химической реакции в жидкой фазе между поверхностным слоем сульфида кадмия и однохлористой медью) методы.

В то же время очевидно, что успешное решение проблемы автоматизации процесса получения солнечных элементов основано на возможности создания технологии производства, включающей небольшое число однородных операций, а для удешевления изготовления элементов требуется переход ко все более тонким и недорогим слоям и широкому применению полимерных материалов (при сохранении, конечно, оптических и электрических характеристик элементов на достаточно высоком уровне).

В последнее время в этом направлении произошли существенные изменения, и достижения в создании простой технологии дешевых солнечных элементов наземного применения даже начинают использоваться в производстве солнечных батарей космического назначения.

Создается, например, методика получения кремния прямым восстановлением диоксида кремния; освоен способ непрерывного вытягивания лент кремния, позволяющий исключить из процесса производства дорогие и трудоемкие операции резки, шлифовки, химической и механической полировки пластин кремния; методом химической пульверизации получены просветляющие покрытия, контакты и пленки для легирования.

Такая технология может быть названа «химической». В то же время успешно разрабатывается «физическая» технология изготовления солнечных элементов, в которой нанесение просветляющих покрытий, контактов и внедрение легирующей примеси осуществляется ионной бомбардировкой в вакууме, а отжиг образовавшихся при этом дефектов в легированном слое – путем сканирования лазерным или электронным лучом, причем эти операции могут непосредственно следовать одна за другой.

Как правило, новые технологические процессы разрабатываются применительно к кремниевым солнечным элементам. Однако значительные успехи достигнуты и в улучшении качества и удешевлении солнечных элементов других типов.

Несмотря на заметные успехи на пути удешевления и упрощения технологии создания солнечных элементов, процесс их производства пока еще содержит десятки трудоемких операций. Вероятно, только кардинальное изменение основных этапов получения солнечных элементов позволит в ближайшем будущем полностью автоматизировать процесс их производства. Несколько активно разрабатываемых новых моделей солнечных элементов, возможно, позволят на практике решить эту задачу. Оптические и электрические характеристики таких элементов несколько отличаются (в частности, более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра) от характеристик традиционных солнечных элементов с p-n-переходом в гомогенном и гетерогенном полупроводниковых материалах.

Большинство таких моделей является той или иной модификацией барьера Шоттки – барьера между полупрозрачным слоем металла и полупроводником. Резкий изгиб зон в полупроводнике на границе с металлом создает разделяющий барьер, необходимый для работы солнечного элемента. Роль полупрозрачного металла могут также выполнять полупрозрачные проводящие оксидные пленки из широкозонных полупроводниковых материалов.

Параметры подобных солнечных элементов на основе кремния были постепенно улучшены и путем оптимизации свойств полупрозрачных металлических пленок доведены до уровня, характерного для монокристаллических кремниевых солнечных элементов с p-n-переходом; дорогостоящие металлические слои (серебро, хром, золото) в случае базового слоя из кремния успешно заменены полупрозрачными слоями из недорогого алюминия; резко увеличено напряжение холостого хода и уменьшен обратный ток насыщения в результате введения на границе барьера Шоттки очень тонкой (толщиной 10–20 А) пленки диоксида кремния, выращиваемой предварительно (перед нанесением верхнего полупрозрачного проводящего слоя) на поверхности кремния различными методами: термическим окислением на воздухе или в кислороде при 400^oС в течение 20–30 мин, анодным электрохимическим окислением или выдержкой в подогретом до 60–70 °C растворе перекиси водорода в течение 2—15 мин, как сообщается в одной из работ.

Изгиб зон на поверхности полупроводника и разделяющий барьер можно получить также за счет оксидного слоя с сильным встроенным зарядом. Этот инверсионный слой, как, впрочем, и диффузионный легированный слой, может быть использован также для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации на освещаемой поверхности; разделение носителей заряда в этом случае осуществляется на р⁺– и n⁺-барьерах к базовому слою, расположенных с тыльной стороны элемента, что, кстати, облегчает коммутацию элементов в группы и модули солнечной батареи с помощью печатного монтажа.

Процесс изготовления всех перечисленных моделей солнечных элементов выгодно отличается от высокотемпературной термодиффузии (800–900^oC), применяемой для получения p-n-перехода в кремнии, поскольку создание разделяющего барьера требует сравнительно низкой (200–400 °C) температуры. Барьеры Шоттки и МОП– или ПОП-структуры (металл – оксид – полупроводник или полупроводник – оксид – полупроводник) могут быть созданы не только на монокристаллических материалах, но и на поликристаллических и ленточных, а также на пленках из аморфного кремния.

Нанесение барьеров Шоттки или МОП-структур может быть осуществлено в едином технологическом цикле с получением контактов и просветляющих покрытий двумя способами:

все операций Проводятся в одной вакуумной камере или в ряде камер, соединенных шлюзами, с использованием трафаретных масок или «сухой» фотолитографии;

все операции осуществляются на воздухе или в среде инертного газа методами химической пульверизации, шелкографии, химического пли электрохимического нанесения.

Следует, однако, отметить, что высокие значения КПД (12–15 % в наземных условиях) солнечных элементов с барьером Шоттки, а также с МОП– и ПОП-структурами получены, как правило, с использованием изотипного р – р⁺- или п – n⁺-барьера на тыльной стороне базового слоя или подлегированных областей под контактами, образуемых термодиффузией примесей. Операция подлегирования вносит, конечно, в процесс изготовления элементов новых моделей стадию, плохо поддающуюся автоматизации. Для получения изотипного барьера в базе кремниевых солнечных элементов с барьером Шоттки и МОП– или ПОП-структурами осуществлялось вплавление алюминия, предварительно нанесенного на тыльную поверхность термическим испарением в вакууме или на воздухе в виде пасты с органическим связующим, а также создавались МОП– и ПОП-структуры, аналогичные тем, с помощью которых изготовляют верхний разделяющий барьер. В частности, слои Al – SiO_x-p-Si использовались для создания разделяющего барьера, а слои Pt – SiO_x-p-Si – тыльного изотипного барьера, причем слой платины мог быть сплошным. Эти усовершенствования говорят о возможности получения изотипных барьеров в базе солнечных элементов в едином автоматизированном технологическом цикле.

В качестве примера на рис. 4.4 представлена спектральная зависимость чувствительности и коэффициента собирания одного из солнечных элементов из монокристаллического кремния с ПОП-структурой и тонким промежуточным слоем (десятки ангстрем) оксида SiO_x на поверхности кремния. Верхний прозрачный проводящий слой (пленка ITO)^[8] был нанесен методом химической пульверизации из смеси оксидов индия и олова. Толщина этого слоя 700 А (при поверхностном слоевом сопротивлении около 120 Om∕□), вследствие чего он одновременно выполнял роль эффективного просветляющего покрытия. У полученных солнечных элементов при измерении на имитаторе внеатмосферного Солнца КПД составлял 10,8 %. Это значение может быть существенно увеличено путем снижения последовательного сопротивления элементов, в частности, за счет оптимизации свойств пленки ITO, а также размеров и толщины контактной сетки на верхней освещаемой поверхности элементов.

Рис. 4.4. Спектральная зависимость чувствительности (1) и коэффициента собирания (2) солнечного элемента с гетероструктурой ITO – SiO_x – Si (монокристаллический кремний n-типа с удельным сопротивлением ρ = 10 Ом×см).

Рис. 4.5. Спектральная зависимость коэффициента поглощения кремния

1 – монокристаллический; 2 – нелегированный аморфный с водородом; 3,4 – аморфный n– и р – типа соответственно

Для получения дешевых и в то же время достаточно эффективных солнечных элементов перспективно использование кремниевых слоев, полученных на графитовых пластинках или пленках (так называемого «кремния на графитовой ткани»).

Типичный процесс изготовления дешевых и высокоэффективных солнечных элементов, как показано в ряде детальных исследований, состоит из следующих этапов:

распыление расплава металлургического кремния и его очистка посредством многократного выщелачивания в водной среде;

осуществление направленной кристаллизации расплава на поверхности термостойких графитовых пластин, лент или тканей (служащих подложками), в результате которой образуются слои металлургического кремния р⁺-типа с низким удельным сопротивлением (0,01 Ом×см), состоящие из довольно крупных кристаллитов;

последовательное выращивание эпитаксиального слоя p-Si толщиной ~25 мкм с удельным сопротивлением 0,1–1,0 Ом×см и неоднородно легированной пленки n⁺-Si толщиной ~10 мкм методом химического осаждения из паровой фазы с использованием термически активированной реакции восстановления трихлорсилана (необходимая легирующая примесь содержится в водороде) при температуре подложки около 1150^o C и средней скорости роста ~1 мкм/мин;

получение контактной сетки с помощью вакуумного испарения Ti и Ag через металлическую маску;

создание просветляющего покрытия из SnO₂ путем окисления тетраметилолова пои температуре 400^o C в атмосфере Аr;

отжиг полученной структуры в атмосфере Не, стимулирующий диффузию примесей к границе зерен.

Графитовая пластина служит омическим контактом к р⁺-области элемента, достаточно структурно совершенные эпитаксиальные слои кремния обеспечивают эффективное образование и собирание носителей заряда, обладающих в таких слоях большим временем жизни, а низкоомная подложка из металлургического кремния p⁺-типа обусловливает появление электрического поля на границе раздела p-Si – p⁺-Si вблизи тыльной поверхности. Вследствие неоднородного легирования верхнего слоя n⁺-Si в нем образуется тянущее электрическое поле.

Проводимые испытания стабильности солнечных элементов рассмотренных моделей должны выявить физико-химическую совместимость всех слоев, использованных в таких многослойных структурах, при непрерывном освещении и повышенной температуре. Несомненно, однако, что для обеспечения длительной эксплуатации новых солнечных элементов потребуется тщательная герметизация и защита их от влияния внешней среды.

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния и других полупроводниковых материалов

В настоящее время большое число исследований посвящено тонкопленочным солнечным элементам на основе аморфного кремния, так называемого α-Si, – интересного полупроводникового материала, который получается в основном разложением соединений кремния в высокочастотном разряде в вакууме.

В первых исследованиях было показано, что число рекомбинационных центров в запрещенной зоне аморфного кремния, полученного, в разряде, на несколько порядков меньше, чем в кремнии, нанесенном на различные подложки методом испарения в высоком вакууме. Улучшению свойств аморфного кремния помогает включение в состав материала от 5 до 50 ат.% водорода, в результате чего образуется практически сплав кремния и водорода, что, в свою очередь, облегчает легирование материала фосфором или бором для создания проводимости п- или p-типа соответственно. В таком кремнии сохранен ближний порядок атомов, благодаря чему структура элементарной ячейки одинакова как для кристаллического, так и для аморфного состояний кремния, а оборванные связи, обусловливающие отсутствие дальнего порядка, частично восстанавливаются с помощью элементов с положительным электронным сродством, подходящих по радиусу атома, например, таких, как водород. Изучаются возможности дальнейшей модификации оптических и электрофизических свойств данного материала и улучшения его стабильности путем легирования фтором и углеродом.

Основным достоинством данного материала является высокий коэффициент поглощения а, более чем на порядок превышающий а монокристаллического кремния. На рис. 4.5 представлена зависимость α (λ) для аморфного кремния. Практически все фотоактивное для данного материала солнечное излучение поглощается в нем на глубине 1,5–2 мкм, что позволяет использовать для изготовления солнечных элементов в 50—100 раз меньше дорогостоящего полупроводникового материала.

Однако первые же результаты исследований аморфного кремния показали, что из-за малых значений времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в этом материале (L=0,05÷0,1 мкм) трудно получить на его основе солнечные элементы с высоким КПД. Ширина запретной зоны пленок из аморфного кремния составляет от 1,6 до 1,8 эВ в зависимости от условий их осаждения. Самые высокие значения КПД (от 3 до 7 %) были получены первоначально при использовании для создания солнечных элементов р – i—n-структур и барьеров Шоттки с платиной и хромом. Расширение области объемного заряда в элементах таких конструкций приводит к тому, что большая часть солнечного излучения поглощается непосредственно в этой области и тем самым обеспечивается дальнейший рост КПД. Легирование бором или фосфором способствует увеличению коэффициента поглощения (см. рис. 4.5), однако уменьшает время жизни носителей заряда. В результате солнечный элемент из аморфного кремния на основе p-n-или р – i—n-структуры имеет низкий коэффициент собирания в длинноволновой области спектра и пониженный в коротковолновой при плохом качестве п⁺- и р⁺-слоя. В этом отношении структуры с барьером Шоттки предпочтительнее – в них полнее собираются носители заряда, рожденные светом в тонких поверхностных слоях.

Напряжение холостого хода таких элементов достигает 0,8 В, однако плотность генерируемого фототока не превышает 12 мА/см² при КПД около 5,5 % в условиях измерения на Солнце со спектром AM1.

Еще одна сложная проблема в области создания солнечных элементов из аморфного кремния – необходимость уменьшения переходного сопротивления контакт – полупроводниковый слой, которое у многих элементов составляет от 3 до 10 Ом×см², что приводит к ухудшению вольт-амперной характеристики и низким значениям коэффициента ее заполнения.

Использование тянущих электростатических полей, рост проводимости р⁺-слоя при одновременном увеличении его прозрачности, благодаря чему большее количество света будет попадать в слой объемного заряда, многократное отражение света от границ пленки внутри нее, применение отражающих контактов из алюминия, серебра, хрома позволяют улучшить свойства перспективных тонкопленочных элементов из аморфного кремния, например, получить U_x.x≈l,l В и I_κз≈15–20 мА/см², что даже при коэффициенте заполнения вольт-амперной характеристики не более 0,6 означает достижение КПД около 10 %.

Увеличения КПД солнечных элементов из аморфного кремния следует добиваться одновременно с улучшением стабильности их характеристик, ибо фотопроводимость некачественных пленок α-Si: H может уменьшиться в десять раз и более за семь-восемь часов непрерывного освещения, а при нагреве выше 300^o C начинается экзодиффузия водорода из пленок, резко ухудшающая их параметры. Улучшению стабильности и качества пленок аморфного кремния способствует трехстадийный метод их получения. Сначала на подложку наносится пленка α-Si, не содержащая водорода (методом испарения в высоком вакууме с помощью электронного луча или термически). Скорость конденсации этого слоя 2–5 А/с. Затем проводится отжиг, уплотняющий пленку и уменьшающий количество и объем микропустот. После этого осуществляется гидрогенизация пленок α-Si при обработке в водородной плазме с использованием сильноточных плазменных источников, позволяющих получить ионы водорода с энергией 20–25 кэВ, насыщающие пленки аморфного кремния на глубину до 0,3 мкм. Таким методом получаются стабильные пленки высокого качества, вероятно, за счет практического отсутствия микропустот в них.