Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

Толщина слоя сульфида кадмия обычно составляет от 2 до 40 мкм, слоя сульфида меди от 0,05 до 0,15 мкм. Ширина запрещенной зоны сульфида меди 1,2 эВ, сульфида кадмия 2,4 эВ, спектральная чувствительность тыльно-барьерных элементов (рис. 4.7, кривая 2) в коротковолновой области отсутствует — в данном случае верхний по отношению к свету слой сульфида кадмия служит окном-фильтром, поглощающим практически все излучение с длиной волны короче 0,5 мкм. Спектральная чувствительность фронтально-барьерного солнечного элемента на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия (кривая 1) и тыльно-барьерного (кривая 2) получена для изготовленных «мокрым» методом элементов со слоем сульфида меди толщиной несколько сотен ангстрем. При увеличении толщины слоя сульфида меди до 0,15 мкм спектральная чувствительность фронтально-барьерных элементов в длинноволновой области спектра, как показывают измерения, проведенные в ряде работ, резко увеличивается (см. рис. 4.7 кривая 3). Эффект влияния термообработки, проведенной после изготовления элемента и нанесения контактных медных полос на его рабочую поверхность, на характеристики фронтально-барьерного солнечного элемента на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия состоит в резком увеличении его спектральной чувствительности практически при всех длинах волн в диапазоне от 0,3 до 1,1 мкм.

Вероятно, происходящая при термообработке диффузия атомов меди из контактов в поверхностный слой элементов улучшает как стехиометрический состав слоя сульфида меди, так и его фоточувствительность. Положение длинноволнового края чувствительности элементов до термообработки соответствует краю поглощения сульфида кадмия (Eg=2,4 эВ). Это дает основание предположить, что коротковолновая область чувствительности фронтально-барьерных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия обусловлена сульфидом кадмия, в то время как чувствительность во всех остальных областях спектра — слоем сульфида меди.

Экспериментально полученные в разных странах тонкопленочные солнечные элементы на основе гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия в основном (при измерениях на наземном Солнце) имеют КПД 4–7 %, однако уже получены отдельные элементы с КПД, превышающем 10 % при измерениях на имитаторе наземного Солнца.

Для такого резкого увеличения КПД были использованы предложенные ранее усовершенствования, в частности сочетание напыленных контактов к сульфиду меди с контактной сеткой, приклеенной к ним токопроводящей пастой, что резко снижает последовательное сопротивление элементов. Кроме того, слой сульфида меди был создан не «сухим» способом, позволяющим увеличить Ux.x до 0,58 В, но повышающим потери на отражение, а «мокрым», однако концентрация соляной кислоты в растворе, травящем поверхность сульфида кадмия перед обработкой в однохлористой меди, была уменьшена и одновременно было увеличено время травления. В результате высота выступов пирамидальной формы на поверхности готовых элементов не превышала 1 мкм, что позволило резко уменьшить потери на отражение, получить Iκз=22,2÷24,7 мА/см2 и в то же время сохранить Ux.x на уровне 0,54–0,58 В при высоком коэффициенте заполнения вольт-амперной характеристики.

Некоторые из путей дальнейшего повышения КПД тонкопленочных элементов основаны на использовании структур, оказавшихся столь эффективными при улучшении характеристик солнечных элементов из кремния или арсенида галлия. В частности, дополнительное легирование сульфида меди с поверхности атомами меди позволяет получить структуру р+ — p-типа в верхнем слое, а при легировании сульфида кадмия цинком, кадмием или алюминием образуется двуслойная структура п — n+-типа в базовом слое. Добавляя к сульфиду кадмия сульфид цинка, можно создать плавную варизонную структуру в базовом слое и уменьшить различие постоянных кристаллической решетки полупроводниковых материалов, составляющих гетеропереход. При термообработке готовых элементов на воздухе при 200 °C на поверхности сульфида меди, возможно, образуется слой широкозонного полупроводникового материала CuхSyO1-y, выполняющего ту же роль, что и слой AIxGa1-xAs в солнечных элементах с гетеропереходами на основе арсенида галлия.

Имеются направления усовершенствования параметров, характерные и специфичные именно для солнечных элементов данного типа. Например, замена слоя Cu2S слоем InP или CuInSe2 приводит к значительному увеличению коэффициента собирания, уменьшение плотности состояний в области гетероперехода (постоянные кристаллической решетки сульфида кадмия и этих материалов весьма близки), а при использовании вместо сульфида меди теллурида хрома удается существенно улучшить стабильность характеристик тонкопленочных элементов во времени, хотя, конечно, основную роль в увеличении срока службы таких элементов при длительной эксплуатации играет применение многослойных просветляющих и защитных покрытий. Для увеличения производительности процесса получения слоя сульфида кадмия и его удешевления успешно используется вместо испарения в квазизамкнутом объеме метод химической пульверизации на воздухе или нанесение с помощью газотранспортных реакций.

Электрофизические и оптические свойства большого числа гетеросистем на основе полупроводниковых соединений AIISvi, предложенных для создания тонкопленочных солнечных элементов, таких, как p-ZnTe — п-CdSe, p-ZnTe — n-CdTe, p-CdTe — n-CdS, p-CdTe — п-ZnSe, p-CdTe — n-CdZnS и др., достаточно подробно описаны в ряде опубликованных работ. У солнечных элементов на основе этих систем КПД пока еще ниже, чем у гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия, однако некоторые из них, например солнечные элементы структуры p-CdTe — n-CdS, привлекают внимание низким температурным градиентом падения мощности и стабильностью характеристик.

Высокий КПД (16 % для условий AM0) получен советскими и зарубежными исследователями в комбинированной монокристаллическо-тонкопленочной гетероструктуре, образованной соединениями A111Bv и A11Bvi, нанесенными в такой последовательности: на монокристаллической подложке из фосфида индия создается эпитаксиальный слой того же материала, на который затем напыляется пленка сульфида кадмия в квазизамкнутом объеме в вакууме. Широкому использованию таких солнечных элементов препятствует высокая стоимость фосфида индия.

Существуют планы крупномасштабного применения тонкопленочных элементов гетеросистемы сульфид меди — сульфид кадмия и ее модификаций в наземной солнечной энергетике, но в настоящее время эти элементы применяют на практике в основном как малогабаритные и очень чувствительные детекторы ультрафиолетового и видимого излучения Солнца и искусственных источников света (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Спектральная чувствительность фронтально-барьерных солнечных элементов, полученных испарением в вакууме слоя селенида (1) и сульфида (2–6) меди на базовые слои из различных полупроводниковых соединении

1, 2 — CdS; 3 — Zn0,1Cd0,9S; 4 — Zn0,15Gd0,85S; 5 — Zn0,4Cd0,6S; 6 — ZnS