7.3.3 Аналіз характеристик переходу

Тонкоплівкові сонячні елементи зі структурою Сu_xTе-СdTе, виготовлені Кузанo [28], володіють поганими випрямляючими властивостями: їх діодний коефіцієнт становить ~ 2,7, а коефіцієнт випрямлення - лише ~ 10². Діодні характеристики елементів на основі плівок СdTе, створених методом трафаретного друку, не вивчалися. Однак деякі відомості про розташування переходу і його електронні властивості можна отримати з результатів дослідження елементів методом рентгенівського мікроаналізу та вимірювання струму, наведеного електронним променем. На рис. 7.2 зображено профілі розподілу концентрації телуру і сірки в сонячному елементі на основі Сu_xТе - СdTе - СdS, отриманому друкованим методом і підданому термообробці, визначені методом рентгенівського мікроаналізу, а також крива розподілу по товщині елемента величини струму, наведенного електронним променем [26]. Накаяма та ін. [26], аналізуючи дані вимірювань струму, наведеного електронним променем, приходять до висновку про те, що при оптимальному режимі термообробки електронно-дірковий перехід у високоефективних елементів розташовується на межі розділу СdS і СdTе, так як в результаті дифузії міді з Сu₂Те в n-СdТе утворюється шар р-СdТе. При дуже жорсткому режимі термообробки елементів мідь проникає також і в шар СdS, що призводить до збільшення послідовного опору і погіршення вихідних характеристик. При наявності в елементів зі структурою СdТе - СdS, виготовлених друкарським методом, шару графіту термообробка не викликає інтенсивної дифузії акцепторної домішки в СdS, тоді як внаслідок дифузії міді в CdTe на раніше фотоелектричні неактивній межі розділу CdTe - CdS утворюється розділючий носії заряду електронно-дірковий перехід p-CdTe - n-CdS. Завдяки тому що шар графіту перешкоджає проникненню акцепторної домішки в CdS, елементи володіють більш високою стабільністю.

7.4 CdSe, Cu2-хSe і ZnIn2Se4

Фотоелектричні прилади на основі тонких плівок CdSe, Cu_2-xSe і ZnIn₂Se₄ вивчені недостатньо глибоко. Сонячні елементи зі структурами n-CdSe - p-CdTe і n-CdSe - p-ZnTe, що створюються на монокристалічних підкладках з n-CdSe методом газотранспортного осадження в квазізамкнутомy об’ємі, при інтенсивності випромінювання 85 мВт/см² мають напруги холостого ходу, рівні відповідно 0 , 61 і 0,56 В, і густини струмів короткого замикання - 0,75 і 1,89 мА/см² [25]. На монокристалічних підкладках з n-Si за допомогою вакуумного випаровування Cu_2-xSe виготовлені елементи з гетеропереходом Cu_2-xSe-Si, у яких при інтенсивності світла 75 мВт/см² V_oc = 0,45 В, J_sc = 23 мА/см², FF = 0,62 ... 0,65 і η = 8,8% [34]. Електричні та фотоелектричні властивості переходу визначаються відповідними властивостями вихідного кремнію.

На основі Cu_2-xSe - CdS створюють тонкоплівкові сонячні елементи на скляних підкладках як фронтально-бар'єрної, так і тильно-бар'єрної конструкцій [35]. При виготовленні тильно-бар'єрних елементів на скляну пластину наносять методом вакуумного випаровування плівки Мо і Аu (товщиною 0,3 i 0,5 мкм відповідно), що утворюють контактну сітку, шар сульфіду кадмію (бездомішкового або легованого індієм) товщиною 10 мкм, шар Cu_2-xSe товщиною 5 мкм і плівку Аu товщиною 0,5 мкм, яка служить тильним контактом. У елементів з не легованим шаром CdS в умовах AM1 V_oc = 0,3 ... 0,45 В, J_sc = 2 ... 4,5 мА/см² і η = 0,51%. Вважають, що при зменшенні питомого опору шару CdS підвищиться напруга холостого ходу, а в результаті оптимізації хімічного складу Cu_2-xSe збільшиться струм короткого замикання. Низькі значення FF (~ 0,36) обумовлені великим контактним опором границі розділу металу з CdS.

Завдяки удосконаленню [41] процесу виготовлення тонкоплівкових елементів на основі Cu_2-xSe - CdS в умовах AM1 отримані наступні вихідні параметри: V_oc = 0,46 В, J_sc = 11,6 мА/см², FF = 0,62 і η = 3,3%. Встановлено, що осадження Cu_2-xSe на підкладки, нагріті до невисокої температури (~ 160 °С), і створення рельєфу на поверхні плівки CdS (шляхом її травлення в НСl перед осадженням Cu_2-xSe) сприяють поліпшенню характеристик елементів.

Тонкоплівкові сонячні елементи зі структурою метал - діелектрик - напівпровідник на основі СdSe [36] одержують за допомогою осадження методом вакуумного випаровування на скляну підкладку (з покриттям з хрому товщиною 0,1 мкм) при температурі 425 °С шару СdSe товщиною 2 мкм зі швидкістю - 1 нм/с. Шар СdSе має полікристалічну структуру з віссю с, орієнтованої перпендикулярно підкладці. Склад плівок наближається до стехіометричного; концентрація носіїв заряду дорівнює 10¹⁴ см^-3, а значення їх рухливості знаходяться в межах 10 ... 30 см²/(В∙с). Потім на поверхню СdSе за допомогою вакуумного випаровування наносять тонкий (товщиною 4 ... 5 нм) шар діелектрика (ZnSe або Sb₂Se₃) і осаджують плівку золота завтовшки 20 нм, оптичний коефіцієнт пропускання якої становить 30 ... 40%. Готовий зразок піддають термообробці тривалістю 10 ... 30 хв в атмосфері азоту при температурі нижче 200 °С.

ККД тонкоплівкових сонячних елементів зі структурою метал - діелектрик - напівпровідник на основі СdSе перевищує 5%, при цьому V_oc = 0,55 ... 0,6 В, J_sc 20 мА/см² (інтенсивність випромінювання - 100 мВт/см²) і FF = 0,4 ... 0,5. Істотний вплив на спектральну характеристику чутливості елементів надає відображення випромінювання від металевого шару. При вказаній товщині плівки золота мінімум коефіцієнта відбивання і максимум на кривій спектральної чутливості відповідають довжині хвилі світла - 0,5 мкм. При використанні просвітлюючого покриття форма кривої значно змінюється. Коефіцієнт збирання носіїв заряду в короткохвильовій частині спектра вищий, ніж в довгохвильовій, що свідчить про низьку концентрацію рекомбінаційних центрів в області переходу і про малу дифузійну довжину носіїв всередині плівки СdSе. Розширення області просторового заряду за рахунок зміни профілю концентрації легуючої домішки, очевидно, дозволить підвищити ефективність збирання носіїв.

Згідно з результатами вимірювань вольтфарадних характеристик, дифузійний потенціал дорівнює 0,75 В. Вважають, що його значення повинно збільшитися при підвищенні рівня легування. Проте легування плівок СdSе кадмієм призводить до звуження області просторового заряду і, отже, зменшення коефіцієнта збирання носіїв. При здійсненні дифузії селену для компенсації в поверхневому шарі донорних рівнів, пов'язаних з присутністю кадмію, напруга холостого ходу підвищується до 0,7 В. З вольтамперних характеристик знайдено наступні значення параметрів переходу: діодний коефіцієнт п 2,густина зворотного струму насичення J_s=6∙10^-8 А/см² і висота бар'єру Ф_в = 0,85 еВ.

При оптичній ширині забороненої зони селеніду кадмію, рівним 1,7 еВ, напруга холостого ходу сонячних елементів на його основі може скласти 0,8 .. .0,9 В. Для збільшення V_oc необхідно підвищити рівень легування. Якщо ж, крім цього, за допомогою просвітлюючого покриття зменшити втрати випромінювання на відбиття, а за рахунок збільшення дифузійної довжини неосновних носіїв заряду підвищити коефіцієнт заповнення вольтамперної характеристики, то можна очікувати зростання ККД елементів цього типу до 10%.

Гарсія та Томар [37] виготовили на скляних підкладках, покритих шаром цинку, тонкоплівкові сонячні елементи зі структурою n-CdS - р-ZnIn₂Sе₄. Плівка ZnIn₂Sе₄ товщиною 7 ... 11 мкм наносилася на підкладку при температурі 425 К методом вакуумного випаровування при тиску ~10^-4 Па. На поверхні ZnIn₂Sе₄ вирощувався шар СdS товщиною 3 .. .7 мкм. Спільно з ZnIn₂Sе₄ і СdS осаджувалися Sе і In відповідно. За допомогою вакуумного випаровування напилюється верхня контактна сітка з індію. При інтенсивності випромінювання 100 мВт/см² сонячні елементи мали V_oc = 0,27 В, J_sc = 16 мА/см², FF = 0,31 і ККД ~1,5%.