11.2.5 Другие виды фотоэлементов из тонкослойного кремния

В 2002 году на 29-ой конференции специалистов в области фотоэлектричества, проводимой Институтом инженеров электротехники и электроники, были представлены ряд докладов о достижениях в области производства фотоэлементов из тонкокристаллического кремния. Разработки в области технологии производства фотоэлементов из тонкокристаллического кремния ведутся в надежде на то, что производительность солнечного элемента можно будет улучшить за счет использования кристаллического кремния, и что производственные затраты можно будет снизить за счет уменьшения количества материала, используемого для изготовления фотоэлемента. В материалах конференции дано описание ряда процессов изготовления таких фотоэлементов – это и нанесение кремния на керамическую подложку [13], и нанесение тонкой пленки из кристаллического кремния на стекло (CSG) [14], и метод эпитаксиального выращивания кремния на подложке из кристаллического кремния (дословно: на существующем кристаллическом кремнии), с последующим снятием выращенного эпитаксиальным путем солнечного элемента с кремниевой подложки (процессPSI) [15].

С 1998 года при помощи технологии CSGвыпускаются модули с площадью в диапазоне от 480 до 900 см². Показатели эффективности таких модулей выросли с 2 % в 1999 до 8 % в 2002 году. Модуль, произведенный по данной технологии, состоит из текстурированного стекла, противоотражающего покрытия,пластины, каучуковой изоляции и металлизированного покрытия, которое внедрено в структуру фотоэлектрической пластины с тыльной стороны и образует контакты к тыльной и лицевой поверхностям фотоэлектрического элемента. Контакт к лицевой поверхности фотоэлемента не требует использования покрытия из прозрачного проводникового оксида (TCO), поэтому потери, вызванные его применением, в данном случае не возникают. О прозрачных проводниковых оксидах будет рассказано далее в тексте данной главы.

Модули состоят из фотоэлементов наглухо соединенных между собой, и благодаря использованию изолированных металлических соединений, которые образуют устойчивую к сбоям//замыканию/шунтированиюструктуру, эффективность модуля с увеличением его размеров не ухудшается. По состоянию на май 2002 г. затраты на производство такого модуля составляли $1,95 на 1 Вт мощности. Есть перспективы возможного снижения стоимости до $1 за 1 Вт по мере улучшения технологии производства.

Успехи, достигнутые в области производства фотоэлементов из тонкослойного кремния за относительно короткий период с 1997 г. по настоящее время, говорят о том, что можно ожидать и дальнейшего развития в этой области и совершенствования данного вида солнечных элементов.

11.2.6 Фотоэлементы из аморфного кремния

Аморфный кремний не имеет заранее известной кристаллической структуры. Его атомы расположены под более или менее произвольными углами и на произвольном расстоянии по отношении друг к другу. Поэтому многие из возможных ковалентных связей в кремнии не образуются. В результате наличия этих неполных связей в запрещенной энергетической зоне образуется большое количество аналогичных примесным состояний, а по причине того, что материал обладает некристаллической структурой, подвижность электронов и дырок является очень маленькой. Наличие примесных состояний обычно приводит к захвату свободных носителей заряда, поэтому наличие примесных состояний в сочетании со сниженными способностями к переносу сначала не позволяли рассматривать аморфный кремний в качестве хорошего полупроводникового материала.

Однако благодаря настойчивости ученых, специализирующихся в области физики твердого тела, было доказано, что неполные связи можно пассивировать водородом, в результате чего количество примесных состояний в запрещенной зоне существенно уменьшается, и что с использованием материалов n- иp-типа можно создатьpn-переход. Помимо этого, разместив между слоями изn-материала и материала, слой с собственной проводимостью, можно создать область с довольно хорошей способностью к образованию электронно-дырочных пар и неплохими способностям к переносу в результате уменьшения рассеяния на примесях в пассивированном материале с собственной проводимостью.

Изготовление

На Рисунке 11.7 изображена базовая структура фотоэлемента из гидрогенизированного аморфного кремния. Первый этап изготовления фотоэлемента заключается в нанесении покрытия из прозрачного проводникового оксида на подложку из стекла. Прозрачный проводниковый оксид, как правило, для этих целей используется оксид олова n, выполняет функцию контакта к лицевой поверхности фотоэлемента. Затем наносят очень тонкий слой из гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H), обычно это делается при помощи плазменного распыления силана/кремневодорода (). Вырожденный прозрачный проводниковый оксид n-типа и вырожденный слой из материалаp-типа образуют туннельный гетеропереход. Поверхслоя наносят слой с собственной проводимостью со слабо выраженными характеристиками, присущими материаламn-типа, затем наносят слой с более сильной электронной проводимостью, и в завершении наносят материал (обычно это алюминий), служащий контактом к тыльной поверхности фотоэлемента.

Рисунок 11.7 Базовая структура фотоэлемента из гидрогенизированного аморфного кремния

Комментарий к Рисунку 11.7:

Glass substrate – подложка из стекла

Первый опыт эксплуатации простого фотоэлемента с относительно широким слоем с собственной проводимостью показал, что при эксплуатации в условиях воздействия солнечного света, эксплуатационные характеристики таких фотоэлементов ухудшаются. Причина этого явления крылась в возникновении эффекта Стеблера-Вронского, который увязывает ухудшение эксплуатационных показателей с увеличением плотности ловушечных и рассеивающих уровней (поглощающих и рассеивающих состояний) в слое с собственной проводимостью пропорционально интенсивности воздействия фотонов.

Для нейтрализации эффектов, возникающих в связи с использованием более широкого слоя с собственной проводимостью, стали разрабатывать фотоэлементы с более тонким слоем с собственной проводимостью, но при этом сам фотоэлементы стали делать многослойными (многоуровневыми), как показано на Рисунке 11.8а. В составных фотоэлементах требуется использовать туннельные переходы, с тем чтобы не допустить блокирующего действия pn-переходов прилегающих фотоэлементов, о чем говорилось в Разделе 10.5.6. Такие фотоэлементы имеют больший ресурс эксплуатации.

Идея изготовления многослойных фотоэлементов нашла дальнейшее применение с осознанием того, что углерод и германий тоже образуют достаточно прочные химические соединения с аморфным кремнием с образованием таких соединений, как гидрогенизированный аморфный карбид кремния () и сплав аморфного гидрогенизированного кремния с германием (). Сплав кремния с углеродом имеет более высокое значение ширины запрещенной зоны, что усиливает поглощение в синей зоне спектра, в то время как у сплава кремния с германием ширина запрещенной энергетической зоны меньше, что улучшает поглощение в инфракрасной зоне спектра. В результате, общий показатель производительности такого фотоэлемента превышает соответствующий показатель у фотоэлемента из гидрогенизированного аморфного кремния. Структура такого фотоэлемента приведена на Рисунке 11.8б, при этом опять обратим внимание на необходимость использования туннельных переходов между слоями многослойного фотоэлемента.

Рисунок 11.8 Многослойные фотоэлементы из гидрогенизированного аморфного кремния: с использованием только кремния и с использованием слоев из карбида кремния и сплава кремния с германием

а. Многоуровневые переходы из гидрогенизированного аморфного кремния

б. Тройной переход из карбида кремния – кремния – сплава кремния и германия

Комментарий к Рисунку 11.8 а, б:

Glass substrate – подложка из стекла

TCO – прозрачный проводниковый оксид

Tunnel jct – туннельный переход

На Рисунке 11.9 приведен еще один интересный вариант структуры фотоэлемента, который, благодаря использованию подложки из нержавеющей стали, имеет гибкую форму. Компания UnitedSolarпо данной технологии выпускает фотоэлементы из аморфного кремния в виде рулонов, которые предназначены для использования в качестве кровельного материала или других целей в сфере строительства [16]. На Рисунке 11.9 также приведена схема фотоэлемента из аморфного кремния с использованием подложки из сверхлегкого полимера, толщиной около 2 мил (1 мил = 0, 0254 мм = 25, 4 мк), такие фотоэлементы могут применяться на космических аппаратах и устройствах, где главным критерием является малый вес, а нагрузки на конструкцию являются минимальными [17]. По имеющимся данным, эффективность обоих видов таких фотоэлементов составляет порядка 10 %.

Рисунок 11.9 Фотоэлемент из гидрогенизированного аморфного кремния на подложке из нержавеющей стали и полимера [16, 17].

Комментарий к Рисунку 11.9:

Contact grid – контактная сетка

Stainless steel – нержавеющая сталь

Back contact – контакт к тыльной поверхности фотоэлемента

2 mil Polyimide – полимерный материал толщиной 2 мил

Компания UnitedSolarвыпускает фотоэлементы на подложке из нержавеющей стали по собственной запатентованной технологии «рулон за рулоном» (комментарий мой (источник не проверен) (Сидорова): технология непрерывной подачи рулонного материала для осаждения на нем сверхтонких материалов). Обратите внимание, что в структуре тыльного контакта междуn-слоем и слоем из нержавеющей стали предусмотрен текстурированный слой из алюминия и окиси цинка для улучшения захвата фотонов. Ширина запрещенной зоны фотоэлемента из сплава гидрогенизированного аморфного кремния с германием зависит от содержания германия в сплаве. В приведенном примере ширина запрещенной энергетической зоны верхнего слоя с собственной проводимостью из гидрогенизированного аморфного кремния составляет приблизительно 1,8 эВ. В среднем слое из сплава аморфного гидрогенизированного кремния с германием содержание германия в слое с собственной проводимостью составляет около 15 %, в результате чего ширина запрещенной энергетической зоны составляет около 1,6 эВ; в нижнем слое из гидрогенизированного аморфного кремния с германием содержание германия в слое с собственной проводимостью составляет приблизительно 45 %, в результате ширина запрещенной энергетической зоны в этом слое составляет около 1,4 эВ [18].

Трудность в изготовлении фотоэлемента с применением полимерных материалов состоит в том, чтобы не дать полимеру деформироваться на тех этапах изготовления изделия, которые протекают при высоких температурах. Для этих целей между нижней поверхностью полимерного материала и теплоотводящим материалом прокладывают силиконовый гель, что позволяет защитить полиимид от теплового напряжения (тепловой нагрузки).

Производительность фотоэлементов

В Таблице 10.3 приводятся данные, согласно которым максимальная теоретически возможная производительность фотоэлемента из аморфного кремния, может достигать 27 %, в то время как в 1990-х гг., по имеющимся данным, устройства из аморфного кремния в нормальных условиях эксплуатации показывали КПД порядка 10%, а в лабораторных условиях устройства с тройным переходом показывали производительность около 14% [19]. С учетом того, что изначально производительность не превышала нескольких процентов, такой уровень производительности является большим достижением. С учетом того, что разработчики по всему миру предпринимают шаги по усовершенствованию технологии производства фотоэлементов, и в то же время появляются все новые сферы, где применение фотоэлементов с производительностью в диапазоне 8-10 % является практически оправданным и целесообразным, логично предположить, что производство фотоэлементов из аморфного кремния и тонкой кремниевой пленки будет развиваться и дальше.

При расположении фотоэлементов слоями, важно спроектировать их таким образом, чтобы поглощающие слои вырабатывали фототок одинаковой силы, так как каждый слой представляет собой практически идеальный источник тока, последовательно соединенный с другими источниками тока. Повышение производительности многослойных фотоэлементов (с последовательным соединением слоев), таким образом, обусловлено более полным захватом фотонов, при этом электронно-дырочные пары разделены на переходах, в результате чего в итоге фотоэлемент имеет более высокое напряжение разомкнутой цепи, обусловленноецепьюпоследовательных переходов.

Итоговая производительность фотоэлемента помимо этого зависит от диапазона длин волн, в котором противоотражательное покрытие может эффективно минимизировать отражение, так как оптимальная толщина противоотражательного покрытия составляет ¼ длины волны. Это накладывает ограничение на то, какое количество последовательных переходов можно сделать без ущерба для производительности.