7.7.2 Фотоелектричні характеристики

Вольт-амперна характеристика високоефективного тонкоплівкового сонячного елемента зворотньо-бар'єрної конструкції площею 1 см² на основі p ⁺-CuInSe₂: Cu- p-CuInSe² - n-CdS - n ⁺-CdS: In зсвітлюючим покриттям показана на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Вольт-амперна характеристика тонкоплівкового сонячного елемента на основі p-CuInSe₂ – n-CdS з перемінним рівнем легування, виміряна в умовах AM1 при інтенсивності випромінювання 101,5 мВт/см² [54]. При висвітленні імітатором сонячного випромінювання, що відтворює умови AM1 (інтенсивність світла - 101,5 мВт/см²), сонячні елементи мають наступні вихідні параметри: при відсутності просвітлюючого покриття V_oc = 0,396 В, J_sc = 35 мА/см², FF = 0, 64 і η = 8,72%; при використанні просвітлюючого покриття з SiO_x – V_oc = 0,396 В, J_sc = 39 мА/см², FF = 0, 63 і η = 9,53%.

Казмерскі та ін. [53] отримали фронтально-бар'єрні елементи на основі CuInSe₂ – CdS (в єдиному технологічному циклі) з ККД 4,4%. Сонячні елементи, у яких шар CdS піддається хімічному травленню, мають більш низький ККД (2,46%), ймовірно, внаслідок підвищеного послідовного опору, обумовленого забрудненням поверхні (і появою на ній рівнів енергетичних станів) в процесі травлення і витримки на повітрі. При інтенсивності випромінювання 100 мВт/см² вихідні параметри сонячних елементів площею 1,2 см² рівні: V_oc = 0,41 В, J_sс = 19,9 мА/см² і FF = 0,5 (при виготовленні в єдиному циклі) V_oc = 0,34 В, J_sс = 12 мА/см² і FF = 0,36 (при здійсненні травлення шару CdS). Тильно-бар'єрні елементи володіють підвищеною ефективністю (їх ККД становить 5,7% при V_oc = 0,44 В, J_sс = 22,5 мА/см² і FF = 0,59) завдяки більш повному поглинанню світла при наявності вікна з CdS і кращими характеристиками переходу. Крім того, як показують результати досліджень (методом оже-спектроскопії) хімічного складу, елементи тильно-бар'єрної конструкції мають більш різкий перехід [57]. У елементів, що піддавалися хімічному травленню, на межі разділу виявлений шар оксиду.

Рис. 7.6. Крива спектральної залежності коефіцієнта збирання Q носіїв заряду в тонкоплівкових сонячних елементі на основі CuInSe₂-CdS [54]. На рис. 7.6 зображена крива спектральної залежності коефіцієнта збирання носіїв заряду в тонкоплівкових сонячних елементах на основі CuInSe₂-CdS зі змінним рівнем легування, що має ККД 9,53% [54]. Коефіцієнт збирання Q має високі (більше 0,85) і майже однакові значення в інтервалі довжин хвиль λ= 0,60 ... 0,95 мкм (вся область чутливості елемента охоплює діапазон λ = 0,5 ... 1,1 мкм). Спектральне розподілення коефіцієнта збирання носіїв в елементі з ККД 5,7%, виготовленому Казмерскі та ін. [54], однорідно при λ = 0,58 ... 1,3 мкм, проте значення Q в цій області суттєво нижче (0,50 ... 0,55).

Балдхаупт та ін. [54] детально вивчили вплив термообробки, здійснюваної при температурі 200 °С і різному складі атмосфери, на характеристики елементів. Автори відзначають, що в результаті відпалу струм короткого замикання зростає незалежно від складу навколишнього середовища, в той час як напруга холостого ходу і коефіцієнт заповнення вольтамперної характеристики збільшуються при термообробці в суміші водню з аргоном або на повітрі і знижуються при відпалі в чистому водні або вакуумі. Казмерскі та ін. [57] досліджували методом оже-спектроскопії тонкоплівкові сонячні елементи на основі CuInSe₂- CdS, виготовлені в єдиному технологічному циклі і піддані термообробці тривалістю 2 години при температурі 600 К. Автори встановили, що кадмій дифундує з CdS в плівку трьохкомпонентного з'єднання CuInSe₂. Енергія активації цього процесу дорівнює 1,5 еВ, а коефіцієнт дифузії атомів кадмію становить 10^-6 см² / с. При температурах, які перевищують 575 К, дифузія міді в CdS майже не спостерігається. Оскільки при низьких температурах CuInSe₂ існує у вигляді єдиної фази, а атоми міді, які знаходяться в кристалічній решітці халькопірита, міцно пов'язані з іншими атомами, елементи на основі. CuInSe₂ - CdS повинні володіти більшою стабільністю, ніж прилади зі структурою Cu₂S - CdS [53]. Всебічних випробувань сонячних елементів на основі CuInSe₂ - CdS не проводилося, однак, враховуючи, що за період, що дорівнює кільком тижням, їх напруга холостого ходу і струм короткого замикання зменшуються незначно, можна припустити, що ці елементи відносно стабільні.

Властивості переходів в сонячних елементах на основі CuInSe₂ - CdS детально не вивчалися. Згідно з наявними даними [53], струм, що проходить в прямому напрямку, пов'язаний з напругою експоненційною залежністю, а діодний коефіцієнт дорівнює 1,9. .. 2,1, що свідчить про переважання рекомбінаційно - генераційного механізму проходження струму. Балдхаупт та ін. [54] виконали аналіз втрат енергії в високоефективних елементах з змінним рівнем легування. Автори встановили, що послідовний опір елементів складає 1,2 Ом, шунтуючий опір-10⁵ Ом, щільність зворотного струму насичення - 1,8·10^-7 А/см² і діодний коефіцієнт-1,3. На їхню думку,, зменшення послідовного опору до 0,5 Ом дозволить підвищити ККД до 10,6%. Досліджено можливість створення сонячних елементів даного типу, що містять шар ZnCdS замість CdS. У тонкоплівкових елементів зі структурою CuInSe₂- ZnCdS площею 1 см² отримано ККД 10% [58].

На закінчення слід зазначити, що розроблено декілька нових трьох-, чотирьох-і п'ятикомпонентних сполук міді, призначених для виготовлення сонячних елементів. Фотоефект виявлений в тонкоплівкових структурах з гетеропереходами р- CuInTe₂-n-CdS і p- CuInS₂ - n- CdS, створених методом вакуумного випаровування [45]. У елементів на основі CuInS₂ ККД досягає 2,55%. Тонкоплівкові сонячні елементи на основі CdS–CuGaSe_0,90Te_0,10- [56], отримані за допомогою вакуумного випаровування в поєднанні з іонним розпиленням, мають V_oc = 0,5 В, J_sс = 0,9 мА/см², FF = 0,35 і η = 0,1%. При використанні крупнозернистих керамічних плівок V_oc = 0,43 В, J_sс = 26 мА/см² і FF = 0,40. Методом пульверизації з наступним піролізом створені чотири-і п’яти компонентні сплави CuInSSe і CuAgInSSe, які узгоджуються з CdS за параметрами кристалічних решіток і значень ширини забороненої зони. Проте сонячні елементи на основі цих матеріалів ще не виготовлені.