
- •Глава 11 Фотоэлементы, применяемые в настоящее время, и опытные разработки.
- •11.1 Введение
- •11.2 Кремниевые фотоэлементы
- •11.2.1 Получение чистого кремния [4]
- •(По материалам Ciszek, t.F., 1988, © ieee.)
- •11.2.2 Фотоэлементы из монокристаллического кремния
- •11.2.3 Фотоэлементы из поликристаллического кремния
- •11.2.4 Кремниевые фотоэлементы с утопленными/скрытыми контактами
- •11.2.5 Другие виды фотоэлементов из тонкослойного кремния
- •11.2.6 Фотоэлементы из аморфного кремния
- •11.3 Фотоэлементы из арсенида галлия
- •11.3.1 Введение
- •11.3.2 Получение чистых компонентов для производства фотоэлементов
- •(По материалам Энциклопедии химической технологии Кирка-Отмера, 2-е издание, © 1968 Изд. «Джон Вайли и сыновья». Использовано с согласия издательства)
- •11.3.3 Производство фотоэлементов из арсенида галлия
- •Приведено в Таблице 11.1
- •11.3.4 Производительность фотоэлемента
- •11.4 Фотоэлементы из диселенида меди-индия (галлия)
- •11.4.1 Введение
- •11.4.2 Получение чистых компонентов для производства фотоэлементов
- •11.4.2 Производство фотоэлементов из диселенида меди-индия (cis)
- •11.4.4 Производительность фотоэлемента
- •11.5 Фотоэлементы из теллурида кадмия
- •11.5.1 Введение
- •11.5.3 Изготовление фотоэлемента из теллурида кадмия
- •11.5.4 Производительность фотоэлемента
- •11.6 Новые разработки в области производства фотоэлементов
- •11.6.1 Новые разработки в технологии изготовления фотоэлементов на основе кремния
- •11.6.2 Коллекторы на базе семейства фотоэлектрических устройств из диселенида меди-индия
- •11.6.3 Новейшие технологии с использованием химических элементов III-V и II-VI групп.
- •11.6.4 Другие технологии
- •11.6.5 Заключение
- •Приложение а Показатели среднесуточной солнечной освещенности в некоторых населенных пунктах разных стран
- •Приложение б частичной перечень интернет сайтов, посвященных вопросам фотоэлектрической энергии
- •Приложение с контрольный перечень требований для контроля проектной документации
11.6 Новые разработки в области производства фотоэлементов
11.6.1 Новые разработки в технологии изготовления фотоэлементов на основе кремния
По мере развития традиционных технологий изготовления фотоэлементов с использованием кремния, новые идеи появляются и в сфере технологий производства фотоэлементов на основе кристаллического и аморфного кремния. Целью применения кремния для производства фотоэлементов являлось обеспечение хороших свойств переноса и одновременно с этим улучшение поглощения фотонов и снижение расходов на обработку сырья для производства фотоэлементов. Уменьшение толщины слоя кремния требует использования какого-либо дополнительного материала в качестве подложки в целях обеспечения надлежащей прочности фотоэлемента. К перспективным в этом отношении материалам относятся керамика и гранит; фотоэлементы с использованием гранита и керамики показывали производительность порядка 10 % [45]. Практика показала, что диффузия примесей магния, марганца и железа из керамической подложки снижает показатели эффективности кремния; а прокладка того или иного материала в качестве барьерного слоя между кремнием и подложкой из керамики препятствует проникновению примесей в кремний [46]. Вероятно, эти и другие варианты тонких фотоэлементов из кремния будут и дальше вызывать интерес среди приверженцев фотоэлектрических технологий.
Дополнительная возможность снижения себестоимости производства кремниевых фотоэлементов состоит в снижении количества производственных операций. Например, разработана технология введения (методом диффузии) бора и фосфора за одну операцию с одновременным выращиванием пассивирующего оксидного слоя [45].
В качестве альтернативы изготовлению кремниевых фотоэлементов с использованием pn-переходов, производятся фотоэлементы с инверсионным слоем со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник» (MIS-IL), производительность которых составляет 18,5 % [47]. Структура такого фотоэлемента показа на Рисунке 11.16. Этот фотоэлемент с тыльной стороны снабжен точечно-контактным электродом, что позволяет снизить рекомбинацию на тыльной поверхности фотоэлемента, под верхней контактной решеткой, имеющей структуру «металл-диэлектрик-полупроводник», имеется прослойка из цезия (Cs), алицевая поверхность пассивирована оксидом, что необходимо для задания границ фотоэлемента. Дальнейшее улучшение производительности фотоэлемента возможно за счет текстурирования поверхности фотоэлемента.
Рисунок 11.16 Строениефотоэлемента из кремния с инверсионным слоем, имеющим структуру «металл-диэлектрик-полупроводник» (MIS) [47]
Комментарий к Рисунку 11.16:
Front fingers – пальцевые контакты
Inversion layer – инверсионный слой
Oxide window – окно в слое оксида
Oxide layer – оксидный слой
Back electrode – электрод с тыльной стороны фотоэлемента
Верхний слой из
в фотоэлементе типаMIS-ILиграет роль туннельного перехода.
Благодаря наличию положительных зарядов
в слое из
между оксидом и кремнием с проводимостьюр-типа возникает электрическое
поле, в результате чего на поверхности
материала с проводимостьюр-типа
возникает инверсионный слой. И это полеразделяет/отделяетэлектронно-дырочные пары точно так же,
как электрическое поле наpn-переходеразделяетносители
заряда.
Ряд исследователей работали над созданием фотоэлементов, у которых оба контакта размещаются на тыльной поверхности солнечного элемента, что позволяет избежать проблемы затенения лицевой поверхности фронтальными контактами [44]. В рамках проекта ACEDesigns, финансируемого Европейским сообществом, было разработано три типа кремниевых фотоэлементов с контактами к тыльной поверхности – фотоэлементы с обернутым контактом (MWA), спронизывающим контактом (MWT), ипронизывающимэмиттером (EWT). Применение технологии заглубления контактной решетки в нанесенные при помощи лазера канавки к изготовлению фотоэлементов с обернутым каналом рассматривается как наиболее эффективный с точки зрения затрат способ изготовления фотоэлементов с контактами к тыльной поверхности [48].
Новые разработки в области текстурирования поверхности фотоэлементов могут также способствовать упрощению процесса их производства и улучшению производительности фотоэлектрических устройств на основе кремния. Интерес с точки зрения улучшения производительности и снижения себестоимости кремниевых фотоэлементов представляет поиск новых материалов для использования в качестве подложки и разработка методов выращивания высококачественного кремния.
Внимание разработчиков привлекает идея комбинирования кристаллического и аморфного кремния для изготовления каскадных фотоэлементов, что позволит повысить эффективность поглощения благодаря совместному использованию материалов с разной шириной запрещенных зон [49]. Японские разработчики недавно создали каскадный фотоэлемент площадью 1 см² с напряжением разомкнутой цепи, равным 1,4 В, коэффициентом заполнения равным 71,9 % и производительностью 14,5 % [50]. Фотоэлемент состоит из текстурированного прозрачного проводящего оксида на подложке из стекла, за ним идет фотоэлемент из гидрогенизированного аморфного кремния, затем промежуточный слой, далее – фотоэлемент из микрокристаллического кремния, и далее – контакт к тыльной поверхности / рефлектор. Промежуточный слой предназначен для того, чтобы отражать некоторую часть падающих фотонов обратно в слой из аморфного кремния для обеспечения лучшего соответствия между плотностями тока двух фотоэлементов.
Продолжаются практические исследования
в области использования кремниевых
лент дендритной структуры. В настоящее
время фотоэлемент, изготовленный на
основе кремниевой ленты дендритной
структуры, имеет стандартную толщину,
равную 100м.
По последним данным, толщина таких
фотоэлементов может быть равной 70
м,
а эффективность такого фотоэлемента
может достигать 14,1 % [51].
Интерес представляет еще один метод
изготовления фотоэлементов из
кристаллического тонкопленочного
кремния, который предполагает
эпитаксиальное выращивание сверхтонких
кристаллических фотоэлементов на
существующих кристаллических элементах
[52]. Выращивание происходит при температуре,
которая не вызывает расплавления
имеющегося фотоэлемента, в результате
чего, выращенный методом эпитаксии
фотоэлемент можно «как кожуру» снять
с фотоэлемента, на котором он был выращен,
и поместить на отдельную подложку, в
качестве которой, как правило, выступает
стекло. Выращивание нового фотоэлемента
на фотоэлементе с текстурированной
поверхностью приводит к формированию
текстурированной поверхности и у вновь
выращенного фотоэлемента. Толщина
фотоэлемента, выращенного методом
эпитаксии, составляет менее 20м,
и метод эпитаксиального выращивания
является очень удобным для введения
сначала примесейn-типа, а затем
примесейp-типа, для формирования
в фотоэлементеpn-перехода.
Использование метода эпитаксиального
роста как технологии производства
фотоэлементов является оправданным,
так как этот метод позволяет получать
тонкослойный материал.
По мере роста интереса к технологиям производства фотоэлектрических устройств на базе кремния, будут появляться все новые и новые идеи, поэтому тем, кому интересны данные вопросы, мы рекомендуем посещать конференции, посвященные вопросам развития фотоэлектрических технологий и знакомится с публикуемыми материалами, чтобы оставаться в курсе последних достижений в данной области.