LS-Sb92720

5 · 1016 см–3 · эВ–1 представлены на рис. 3.10. Видно, что увеличение плотности состояний в собственном слое аморфного кремния катастрофически влияет на эффективность преобразования солнечной энергии – ухудшаются все основные параметры ВАХ: Jsc, Voc и FF.

31

4. МОДЕЛЬ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА (n)a-Si:H/(p)c-Si

Альтернативным путем развития кремниевой солнечной энергетики является использование гетеропереходов между аморфным гидрогенизированным и кристаллическим кремнием (a-Si:H/c-Si), которые обладают всеми преимуществами СЭ на основе кристаллического кремния, в то время как могут быть изготовлены полностью при низких температурах и при этом достигать очень высоких значений КПД (более 24 %). Схематическое изображение структуры СЭ на основе гетероперехода (n)a-Si:H/(p)c-Si представлено на рис. 4.1. Основной особенностью таких гетероструктур является то, что для формирования выпрямляющего перехода на пластину c-Si p- или n-типа проводимости наносится очень тонкий (≤10 нм) слой сильно легированного a-Si:H n- или p-типа соответственно. Слой a-Si:H играет роль эммитрера, а также обеспечивает пассивацию поверхности c-Si. Толщина слоя a-Si:H должна быть минимальной для уменьшения поглощения в этом слое (и следовательно, потери на рекомбинацию), но в то же время достаточной для формирования гетероперехода. Сверху на сформированный гетеропереход наносится слой прозрачного проводящего оксида (TCO), который играет роль как просветляющего покрытия, так и проводящего слоя, поскольку латеральная проводимость пленок a-Si:H достаточно низка. Для формирования встроенного поля на тыльном невыпрямляющем контакте на пластину c-Si наносится сильнолегированный слой a-Si:H того же типа проводимости, что и c-Si.

32

В табл. 4.1 приведены основные параметры слоев, используемые при расчете, а на рис. 4.2 представлена зонная диаграмма, соответствующая модели гетероперехода (n)a-Si:H/(p)c-Si, используемой в расчете.

Рис. 4.2. Зонная диаграмма, используемая при расчете гетероперехода (n)a-Si:H/(p)c-Si

Свойства границы раздела a-Si:H/c-Si задавались введением «интерфейсного» слоя c-Si толщиной 1 нм, расположенного между a-Si:H и c-Si. Такой подход имеет определенный физический смысл, и его применимость к гетерогранице a-Si:H/c-Si подтверждается результатами структурных исследований, проведенных с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения [4]. Как видно из представленного на рис. 4.3 изображения среза гетероперехода a-Si:H/c-Si, на границе раздела между слоем a-Si:H и подложкой c-Si можно выделить переходную область порядка 2…3 нм. Очевидно, что данную область можно описать слоем с высокой концентрацией дефектов.

33

Однако информация о распределении плотности состояний на границе a-Si:H/c-Si в литературе практически отсутствует. В связи с этим особый интерес представляет полученное с помощью метода поверхностной фотоЭДС распределение Dit (E), представленное на рис. 4.4 [5]. Видно, что Dit не сильно зависит от энергетического положения. Учитывая этот факт, а также скудность информации по распределению плотности поверхностных состояний на границе a-Si:H/c-Si, было предложено использовать в модели постоянное распределение плотности состояний git(E) = = const в интерфейсном слое. Плотность

поверхностных состояний определялась как Dit = git dit, где dit = 1 нм. При этом вводимые дефекты были донорного типа в нижней половине запрещенной зоны и акцепторного – в верхней (рис. 4.5, а). Сечения захвата для электронов и дырок по умолчанию были равны 1 × 10–14 см2.

Рис. 4.4. Распределение Dit (E) на границах (i)a-Si:H/(p)c-Si

и (i)a-Si:H/(n)c-Si, полученное с помощью метода фотоЭДС, где Ei – положение уровня Ферми в собственном c-Si

Для описания плотности состояний в щели подвижности слоев аморфных полупроводников использовался классический подход, упомянутый ранее: два экспоненциальных распределения, описывающие состояния в хво-

34

стах зоны проводимости (CBT) и валентной зоны (VBT) с характеристическими энергиями kTC и kTV; два дефекта в середине щели подвижности с распределением Гаусса: донорного (DBD) и акцепторного (DBA) типов, описывающие состояния в середине щели, обусловленные оборванными связями. Схематическое изображение распределения плотности состояний в щели подвижности a-Si:H показано на рис. 4.5, б. Параметры плотности состояний для хвостов зон и дефектов в середине щели подвижности, используемые в расчете по умолчанию, представлены в табл. 4.2 и 4.3 соответственно.

Рис. 4.5. Схематическое изображение распределения плотности состояний: а – в интерфейсном слое; б – в слоях a-Si:H

35

В результате численного расчета была получена зависимость Voc от Dit на гетерогранице (n)a-Si:H/(p)c-Si для различных значений ∆Ec (рис. 4.6). Зависимость демонстрирует значительное снижение Voc с ростом Dit. Только при значениях Dit £ 1010 см–2 × эВ–1 (sn = sp = 10–14 см2) влияние поверхностных состояний становится незначительным. С другой стороны, с ростом ∆Ec наблюдается сдвиг этой зависимости в сторону больших Dit, демонстрирующий уменьшение чувствительности Voc к Dit. Значительный разрыв зон приводит к более сильному изгибу зон и, следовательно, к большему значению контактной разности потенциалов Vd для структуры (p)a-Si:H/(n)c-Si, чем для (n)a-Si:H/(p)c-Si. Более сильное электрическое поле на границе раздела позволяет подавить поверхностную рекомбинацию на интерфейсе. Таким образом, видно, что свойства границы раздела, определяемые такими параметрами, как плотность поверхностных состояний и величины разрыва зон на гетерогранице a-Si:H/c-Si, являются ключевыми в работе СЭ.

36

5. ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Необходимо самостоятельно рассчитать параметры СЭ для различных параметров слоев.

1.Рассчитать параметры СЭ для температур 25, 50 и 70 °C.

2.Рассчитать с вариацией по толщине i-слоя a-Si:H, задавая значения 100, 200, 500 и 1000 нм. Построить зависимость параметров ВАХ от толщи-

ны i-слоя a-Si:H.

3.Рассчитать с вариацией концентрации плотности состояний в середине щели подвижности для i-слоя a-Si:H (аналогично примеру) для величин

gmax 1015, 1016, 1017 см–3 · эВ–1 . Построить зависимость параметров ВАХ от т плотности состояний.

4. Рассчитать с вариацией концентрации плотности состояний в середине щели подвижности для i-слоя a-SiC:H для gmax – 10 16, 1017, 1018 см–3 · эВ–1 . Построить зависимость параметров ВАХ от плотности состояний.

5. Рассчитать параметры СЭ с учетом многократного отражения для двух толщин i-слоя a-Si:H 200 и 400 нм. Построить спектры пропускания СЭ для этих двух толщин.

При каждом изменении параметров необходимо проводить полный расчет характеристик СЭ и сохранять полученные результаты. При этом в процессе расчета необходимо сохранять:

–зонную диаграмму в условиях равновесия;

–диаграмму распределения носителей заряда, уровня рекомбинации и

генерации при освещении спектром АМ1.5G 100 мВт/см2.

С использованием дополнительных программных продуктов (MS Excel, Origin и т. д.) построить графики, на которых должны быть отображены:

–результат расчета ВАХ при освещении спектром АМ1.5G 100 мВт/см2;

–сохранены параметры ВАХ (FF, Vос, Jsс, КПД);

–результат расчета спектральных зависимостей квантовой эффективности. Отчет должен содержать обозначенные результаты расчета для каждого

измененного параметра слоев, указанные зависимости от изменяемых параметров, а также выводы по каждой полученной зависимости.

37

Список литературы

1.Handbook of photovoltaic science and engineering / ed. by Antonio Luque and Steven Hegedus. 2003.

2.Stangl R., Kriegel M., Schmidt M. AFORS-HET, Version 2.2, a numerical computer simulation program for simulation of heterojunction solar cells and measurements // Proc. of the IEEE 4th World Conf. on Photovolt. Energy Conv. Hawaii, USA. 2006. Vol. 2. P. 1350–1353.

3.Selberherr. Analysis and simulation of Semiconductor Devices. Wien: Springer Verlag, 1984.

4.Optimisation of amorphous and polymorphous thin silicon layers for formation of front-side heterojunction solar cells on p-type crystalline silicon substrates / Y. Veschetti, J.-C. Muller, J. Damon-Lacoste et al. // Thin Solid Films. 2006. Vol. 511–512. P. 543–547.

5.Korte L., Laades A., Schmidt M. Electronic states in a-Si:H/c-Si heterostructures // J. of Non-Crystalline Solids. 2006. Vol. 352. P. 1217–1220.

38

39