Розділ 7. Нові типи сонячних елементів

7.1 Вступ

Крім полікристалічного та аморфного кремнію, а також сульфідів міді та кадмію, які вже застосовуються для виготовлення тонкоплівкових сонячних елементів, існує кілька інших напівпровідникових матеріалів, таких як GaAs, CdTe, InP, Zn₃P₂, CdSe, Cu₂Se, CuInSe₂, ZnIn₂Se₄ і Cu₂O, на основі яких можуть бути створені високоефективні тонкоплівкові фотоелектричні перетворювачі. Арсенід галію і телурид кадмію привернули увагу дослідників ще в 60-і роки, проте через відсутність впевненості у можливості отримання цих матеріалів у необхідній кількості їх вивченням займалися лише в кількох лабораторіях. Останнім часом спостерігається відновлення інтересу до сонячних елементів на основі GaAs і CdТе. Дослідження інших тонкоплівкових матеріалів розпочаті відносно недавно, і, як, наприклад, у випадку InP і CuInSe₂, вже після створення монокристалічних сонячних елементів з гетеропереходів (у поєднанні з сульфідом кадмію СdS, що створює оптичне вікно) досягнуті ККД відповідно 15 і 12,5%. Фосфід цинку Zn₂P₃ привертає увагу як матеріал, до складу якого входять широко поширені в природі хімічні елементи. Цією причиною обумовлений інтерес і до органічних напівпровідників, що мають до того ж дуже низьку вартість. Високоефективні тонкоплівкові сонячні елементи отримані на основі лише двох з перечйсленних сполук - СuInSe₂ і СdТе, причому з найбільшими ККД, рівними відповідно 10 і 8%, мають елементи з гетеропереходами, до складу яких входить сульфід кадмію, який утворює оптичне вікно. Певні успіхи досягнуті і при створенні елементів на основі інших матеріалів, однак вони не настільки істотні.

Властивості тонких плівок GaAs, СdTе, Inр, Zn₃Р₂, СdSе, Сu₂Sе і СuInSе₂ розглянуті в розділі 3. У цьому розділі мова піде про фотоелектричні характеристики тонкоплівкових сонячних елементів на основі цих матеріалів.

7.2. Арсенід галію

Серед різних типів масивних сонячних елементів на основі GaAs найбільш докладно вивчені елементи з гомогенним р-п-переходом. Для їх виготовлення зазвичай застосовують поліровані монокристалічні пластини матеріалів з провідністю п-типу і концентрацією легуючої домішки близько 10¹⁷ см^-3; р-п- перехід формують за допомогою введення дифузійним методом у поверхневий шар товщиною - 1 мкм акцепторних домішок (Zn або Cd) | [1] . Крім того, виготовляють елементи з мілкозалягаючим переходом (розташованим на відстані 0,25 ... 0,5 мкм від поверхні), які в наземних умовах володіють найбільш високим ККД (12%) [1]. Вимірювання спектральної чутливості сонячних елементів з гомогенним переходом показують, що втрати фотоструму пов'язані головним чином з невеликою дифузійною довжиною неосновних носіїв заряду як в п-, так і р-шарах GaAs, а також з високою швидкістю їх рекомбінації на поверхні р-шару.

На основі арсеніду галію недавно розроблені елементи нових типів: з гетероструктур Ga_1-хAl_хAs - р-GaAs - п-GaAs [2] і гетеропереходом p-Ga_1-xAl_xAs - п-GaAs [3], ККД яких становить відповідно 15% (в умовах АМ0) і 19% (в умовах AM1). Сонячні елементи зі структурою p-GaAlAs - p-GaAs - п-GaAs - п⁺-GaAs, призначені для перетворення концентрованого випромінювання, мають ККД 23% при коефіцієнті концентрації, що дорівнює 9,9, і температурі 30 °С [4]. При наявності шару Ga_1-хAl_хAs утворюється відбиваючий потенцальний бар'єр для електронів, що генеруються в p-GaAs, завдяки чому знижуються їх втрати внаслідок поверхневої рекомбінації; крім того, цей шар служить прозорим низькоомним контактом до GaAs; зменшує послідовний опір елемента.

На основі GaAs також виготовлені сонячні елементи з бар'єром Шотткі й структурою метал – діелектрик - напівпровідник. Згідно з даними Стерна і Йє [5], ККД монокристалічних елементів зі структурою метал - діелектрик - напівпровідник на основі Аu і GaAs становить 15%.

Після перерахування найбільш важливих відомостей про характеристики та основні результати розробок сонячних елементів на основі монокристалічного арсеніду галію перейдемо до розгляду тонкоплівкових елементів.