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 измежду 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 70м, 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.