7.8 Оксид міді (Сu20)
Оксид міді, який має «пряму» заборонену зону шириною 1,95 еВ, цілком підходить для перетворення сонячного випромінювання. Елементи на основі Сu20 володіють невисокою ефективністю, проте інтерес до дослідження цього матеріалу обумовлений надзвичайно низькою вартістю процесу його отримання. Відповідним чином орієнтовані плівки Сu20 можуть бути вирощені за допомогою нагрівання мідної підкладки на повітрі при температурі 1050 ° С. При цьому на межі розділу Сu і Сu20 утворюється бар'єр Шотткi [59]. Виготовлення тильно-бар'єрного сонячного елемента (з бар'єром Шотткі) на основі Сu - Сu20 завершується створенням омічного контакту до плівки Сu20. Для отримання фронтально-бар'єрного елемента поверхневий шар плівки Сu20 відновлюють, в результаті чого утворюється перехід Сu - Сu20. Структура з бар'єром Шотткі утворюється також і при нанесенні на поверхню плівки Сu20 шару металу.
Олсен і Бохара [59] створювали тильно-бар'єрні елементи на основі Сu - Сu20, розміщуючи на кілька хвилин у піч з температурою 1050 °С очищену мідну підкладку (для отримання плівки Сu20), а потім різко охолоджуючи оксидовану пластину за допомогою дистильованої води. Шар Сu0, що утворюється в процесі загартування, видалявся за допомогою травлення у 20%-му розчині NaCN. Зразки промивалися, і для створення омічного контакту на поверхню Сu20 з парової фази осаджувалися мідь або нікель.
Фронтально-бар'єрні елементи являють собою по суті прилади зі структурою метал - діелектрик - напівпровідник. Діодний коефіцієнт, знайдений з вольтамперних характеристик, виявляється величиною більше двох. Значення дифузійного потенціалу VD, що визначаються за результатами вимірювань вольт-фарадних характеристик, з достатнім ступенем точності збігаються з розрахунковими значеннями VD для моделі елемента зі структурою метал - діелектрик - напівпровідник. Виміри вольт-амперних характеристик і фотореагування показують, що значення висоти бар'єру укладені в межах 0,7 .. .0,8 еВ. У елементів з шаром Сu20 товщиною 161 і 37 мкм коефіцієнт збирання носіїв при довжині хвилі λ = 0,65 мкм дорівнює 0,25 і 0,65 відповідно. Грунтуючись на результатах розрахунку, Олсен і Бохара [59] приходять до висновку про те, що при оптимальній товщині шару діелектрика і малому послідовному опорі елементів їх ККД може перевищити 10%. В даний час кращі елементи на основі Сu - Сu20 при інтенсивності випромінювання 100 мВт/см2 мають Voc = 0,37 В, Jsc = 7,7 мА/см2, FF= 0,57 і η = 1,6% [41].
7.9 Органічні напівпровідники
Органічні напівпровідники привертають увагу внаслідок низької вартості і можливості їх отримання в необхідній кількості при великомасштабному виробництві фотоелектричних перетворювачів.
Однак в силу певних властивостей, притаманних цим матеріалам, створювані на їх основі сонячні елементи мають дуже низьку ефективність. В одній з ранніх робіт, присвячених аналізу ККД сонячних елементів на основі органічних напівпровідників, Фенг [60] показав, що якщо один з двох контактів, на поверхні органічного напівпровідника не володітиме діодними характеристиками, то можливе отримання ККД близько 0,01%. Гош та ін [61, 62] вивчали фотоелектричні і діодні характеристики сонячних елементів з бар'єром Шотткі на основі Аl - Mg-фталоціанін Ag і з структурою Аl - тетрацен - Аu. Автори встановили, що у елементів на основі фталоцианiна магнію струм короткого замикання Isc пов'язаний з інтенсивністю випромінювання Н залежністю Isc ~ H0,5. Для напруги холостого ходу Voc справедливе співвідношення Voc ~ lnH, типове для елементів з бар'єром Шотткi або р - n-переходом. Відзначається, що сонячні елементи мають великий послідовний опір. Дифузійна довжина електронів, знайдена за допомогою спектральної характеристики чутливості, дорівнює 1,5 • 10-6 см. Чутливість елементів залежить від напрямку падіння світла. Згідно з результатами вимірювань вольтфарадних характеристик, дифузійний потенціал складає 0,6 В, а ширина збідненого шару - 2,5·10-6 см. Коефіцієнт збирання фотогенерованних носіїв дорівнює 1,5 ·10-3. Якщо світло з довжиною хвилі 0,69 мкм надходить до елемента з боку шару алюмінію, то ККД становить близько 0,01%. В елементах на основі тетрацена [62] протікання струму при прямій напрузі зміщення обумовлено процесами, що відбуваються в області просторового заряду за участю дірок, інжектованих з шару Au. Встановлено, що Isc ~ Hn, де n = 0,6 ... 1. Як і в елементів на основі фталоцианина магнію, спектральна чутливість елементів на основі тетрацена залежить від напрямку падіння світла. У елементів зі структурою Сr - хлорофіл α - Нg [63], при створенні яких мікрокристалічна плівка хлорофіла α осідає електролітичним методом, коефіцієнт випрямлення становить 103. Пряма темнова вольт-амперна характеристика описується рівнянням Шоклі, при чому в елементів площею 0,08 см2 діодний коефіцієнт дорівнює 1,6, а зворотний струм насичення 2·10-11А. Вимірювання показують, що ККД перетворення енергії випромінювання з довжиною хвилі 0,745 мкм при потужності падаючого світлового потоку 6 – 10-5 Вт становить 0,01%. При такому рівні освітлення напруга холостого ходу елементів, дорівнює 0,32 В, не залежить від інтенсивності світла Н, тоді як струм короткого замикання змінюється за лінійним законом при варіаціях Н. Коефіцієнт збирання носіїв заряду в елементах цього типу становить 0,007. Сонячні елементи з бар'єром Шотткі на основі фталоціаніну (до складу якого не входить метал), диспергуючого в органічному сполучному і укладеного між електродами з SnO2: Sb і А1 [64], при низької інтенсивності випромінювання (0,06 Вт/м2) з довжиною хвилі 0,67 мкм мають ККД більше 6%. Якщо екстраполювати залежність ККД від інтенсивностi випромінювання до значення H світла з довжиною хвилі 0,67 мкм, що міститься в сонячному спектрі при максимально можливої загальної інтенсивності, що становить ~ 1400 Вт/м2, то ККД зменшиться до 0,01%. Це зниження ефективності елементів може бути пов'язано з впливом процесів, що відбуваються в області просторового заряду. Напруга холостого ходу елементів даного типу досягає 1,1 В. Можливість поліпшення їх характеристик обмежена внаслідок існування залежності коефіцієнта збирання носіїв від напруженості електричного поля в області просторового заряду.
Морел та ін [65], використовуючи органічні напівпровідники, виготовили істотно більш ефективні сонячні елементи. При інтенсивності випромінювання 78 мВт/см2 ККД елементів площею 1 см2 на основі мероціаніна становить 0,7%, Voc= 1,2В, Jsc= 1,8 мА/см2 і FF = 0,25.
Коефіцієнт збирання носіїв Q залежить від напруженості поля в області просторового заряду та енергії падаючого випромінювання. При високих енергіях фотонів відбувається майже повне збирання носіїв, але в області головного максимуму кривої спектральної залежності коефіцієнта збирання, розташованого у видимій частині спектру, значення Q становить близько 0,35. Ці результати відносяться до елементів, які мають напівпрозорий алюмінієвий контакт з оптичним коефіцієнтом пропускання, рівним 50%. При наявності абсолютно прозорого контакту можна очікувати підвищення ККД до значень більше 1%.
Таблиця 7.1. Фотоелектричні сонячних елементів на основі нових елементів.
ВИ- вакуумне випаровування, ГТО - газотранспортне осадження,
ГТОКО – газотранспорт, ПП - пульверизація з наступним піролізом,
ТП - трафаретний друк, ХОПМОС - осадження з парової фази,
ЕЛО - електролітичне осадження.
БШ - бар'єр Шотткі, ГМП - гомогенний перехід, ГТП - гетерогенний перехід, ГТС тура метал-діелектрик-напівпровідник, МОП - структура метал-оксид-напівпровідник
