CC BY
7СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Солнечные электростанции
SOLAR ENERGY
Solar thermal plants
ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ПЛЕНКАХ
a-Si080Ge020:Hx
Б. А. Наджафов
Институт радиационных проблем НАН Азербайджана, AZ-1143, Баку, пр. Г. Джавида 31а
Some parameters of amorphous a-Si080Ge0 20:Hx thin films and solar Pt/a-Si080Ge0 20:Hx — cells (where x = 1,9; 14 at. % and 21 at. %) with pin-structure in which i-layer has been prepared from amorphous a-Si080Ge0 20:Hx (with x = 21 at. %) are considering in this paper. Current-voltaic (I-V) characteristics under lightening and dark have been investigated. The C-V characteristics have also been considered in the paper and diode's capacity has been measured. The some important characteristics, such as diode's barrier height (фв), the expanse charge layer width (WB), diode quality factor (n' & n) measured both under illumination and dark and coefficient of efficiency (n) for each of the elements has been calculated. It has been determined that the biggest efficiency coefficient gets pin-structure the value of which at square surface S = 0,7 cm2 equals n = 6,5 %.
Введение
Изучению солнечных элементов на основе гидрогенизированных аморфных пленок a-Si1-x Gex:H посвящен ряд работ [1-10].
Пленки a-Si1-xGe1-x:H по сравнению с пленками a-Si:H имеют меньшую ширину запрещенной зоны, а следовательно, и лучшие опто-электронные свойства в длинноволновой части видимого спектра, а также являются термодинамически более стабильными и радиационно стойкими [1]. Это позволяет использовать их для создания солнечных элементов [2, 3]. Среди материалов a-Si1-xGex составы с x < 0,2 считаются наиболее стабильными для создания солнечных элементов. Поэтому исследованный в данной работе состав a-Si080Ge0 20:H представляет интерес для использования в фотоэлемен-
< тах [4, 5, 7].
g
¡1 Результаты эксперимента и их обсуждение
1С
а =1
>1 Аморфные пленки a-Si1-xGex:H без гидроге-
а низации обладают довольно высокой плотнос-
| тью состояний в запрещенной зоне [11], поэто-
си
6 му они имеют низкую фотопроводимость. Для | повышения фотопроводимости в пленки вводят
I
g водород или получение пленок осуществляют в Я водородной среде.
Пленка a-Si080Ge020:Hx была получена методом плазмохимического осаждения. Скорость осаждения 3 Ä/с, толщина пленки 0,8 мкм, температура подложки 150 °C, расстояние между
мишенью и подложкой ~25 см. Пленки наращивали примерно в течение 1 ч. Концентрацию водорода в пленках вычисляли методом эффузии и с помощью спектров поглощения [12-16]. Процесс осаждения проводили в водородной плазменной среде, которая была получена с помощью магнетрона, постоянного магнитного и ВЧ-поля. Отметим, что для обеспечения воспроизводимости результатов был выбран оптимальный режим осаждения пленок. Аморфность пленок а^0,8^е020:Нх контролировали электронографи-ческим методом. Относительная погрешность при определении концентрации водорода невелика и составляет 10-12 ат. %.
При нагревании образца в замкнутом объеме до 650 °С материал почти полностью распадается на составляющие элементы, что вызывает выделение водорода и приводит к росту давления. Давление измерялось емкостным манометром с точностью до 0,1 %.
Создание солнечных элементов
В работе рассматриваются некоторые физические параметры тонких пленок а^0,8^е020:Нх и солнечных элементов с барьером Шоттки (Pt/а-Siо,8оGeо,2о:Hx) и рт-структурой. Для получения фотогальванического эффекта пленку освещали источником света мощностью ~65 мВт см-2. Для использования рш-структу-ры выбрана стеклянная подложка, покрытие — ОИО (двойной оксид индия и олова) толщиной
Статья поступила в редакцию 31.10.2004 г. The article has entered in publishing office 31.10.2004
~500 А, которое пропускает 80 % света. Причем ¿-слой являлся нелегированным, а коэффициент оптического поглощения а в видимой области спектра достигал 8-104см-1 и описывался соотношением:
J, мА/см2
ahv = B (hv- Eg )
(1)
определено экстраполя-
где В = 539 эВ-1-см-1/2 цией зависимости (а^)1/2 от энергии фотонов ¡IV; Ег = 1,72 эВ — ширина запрещенной зоны.
Для ¿-слоя цт = 10-7см2В-1. Эффективность процесса генерации (КПД) в нашем случае равна единице (п ~ 1). Слои р+ и п+ имеют толщину 200-350 А и изготовлены в разряде SiH4, содержащем ~1 % В2Н6 и РН3 (рис. 1, а). Уровень легирования В2Н6^Н4 и РН3^Н4 < 10-4. В качестве контактного электрода на освещаемой стороне элемента использовали полупрозрачный проводящий слой ОИО, а на обратную сторону элементов наносили слой А1. Максимальные: коэффициент полезного действия п = 6,5%, ток короткого замыкания Jкз = 11,02 мА/см2, напряжение разомкнутой цепи V, = 0,77 мВ и коэффициент заполнения £ = 0,50 (рис. 2, кривая 3).
a-Si
ZrO2
12,5
10,0
7,5
5,0
2,5
V, В
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика солнечных элементов при освещении мощностью 65 мВт/см2: 1 — Руа^0>80Ое0>20:Нх (х = 14 ат. %); 2 — Р^а-8к>,8^е0;20:Н1: (х = 21 ат. %); 3 —рт-переход; i-слой из а^0;8СОе0 20:Нх (х = 21 ат. %)
Используя зависимости /кз от V, и применив соотношение [17]
n' kT V„ =-ln
J КЗ
J
+1
(2)
где q — заряд электрона, определили коэффициент качества диода при освещении п , его наибольшее значение 2,48. Плотность темнового тока насыщения J0 определяли из темновой вольт-амперной характеристики, его значение для ^¿п-структуры ~10-12 А/см2.
Аналогично были созданы солнечные элементы с барьером Шоттки: Руа^080Ое0 20:Нх (х = 14 и 21 ат. %). Для этой цели была выбрана стальная подложка, а в качестве покрытия использовали оксид ZrO2 с пропусканием света ~80 %. Чтобы улучшить работу солнечного элемента, на подложку наносился тонкий п+-слой толщиной 200 А, который был изготовлен с использованием SiH4 (рис. 1, б).
На границе «металл-полупроводник» потенциальный барьер фв разделяет заряды, что создает внутренний потенциал, имеющий следующий вид:
^о =Фв -(Ес -ЕР)- —, (3)
hv
p+a-Si
« 2 5 * к о Я ^
ОИО
n+a-Si Al
/
~-
a-Si0,80Ge0,20:H
где Ес - Ер = ДЕ — уровень Ферми для полупроводников (см. табл.); kT/q = 26 мВ при 300 К [7] — характеризует барьер при идеальном условии контакта «металл-полупроводник».
Используя темновые вольт-амперные характеристики (рис. 3), J0 по формуле:
J = Ja
exp
' qV_^ nkT
Рис. 1. Структура солнечных Pya-Si0 80Ge0 20:Hx (a) с pin-переходом (б)
Jо = q^cNcEs exp
-1
kT
(4a)
J, мА/см 10-2
1/С2, х10-9 пФ2см4
* = 8П
eg
V - V0--
kT g
C2.
v, в
Рис. 3. Темновая вольт-амперная характеристика: 1 —РУа^о,8о^ео;2о:Нх (х = 1,9 ат. %); 2 — Руа-Siо;8оGeо;2о:Hx (х = 14 ат. %); 3 — Руа^^о^о^о^ (х = 21 ат. %); 4 — ргп-переход, где ¿-слой из а-Siо;8оGeо;2о:Hx (х = 21 ат. %)
где V — приложенное напряжение при темновом режиме; п — коэффициент качества при темновом режиме; ц = 6 см2/(Вс) — подвижность электрона в зоне проводимости (найдена из зависимости электропроводности от температуры о(1/ 7); N = 1о21 см-3 — эффективная плотность состояний в зоне проводимости; Е5 ~ 1о4 В/см [6].
Получив /о, находим фв для каждого из элементов (см. табл.).
Измеряя емкость диода и получив V0 из рис. 4, определяем плотность пространственного заряда N по формуле [5, 7]:
/ 7 гп \
--.О
(5)
Рис. 4. Зависимость емкости диода от напряжения для солнечных элементов с барьером Шоттки: 1 — Руа^о>8^ео>2о:Нх (х = 21 ат. %); 2 — Руа-Siо;8оGeо;2о:Hx (х = 14 ат. %); 3 — РУа- Siо;8оGeо;2о: :Нх (х = 1,9 ат. %)
Для каждой пленки при нулевом смещении N = (1,31,8)1о17 см-3 (см. табл.).
Используя найденные значения V0 и N определяем ширину области пространственного заряда, или толщину обедненного слоя:
W =
e 2ng
\V2f V 4l/2
V0 *
V /
; 0,34 мкм.
(6)
Плотность пространственного заряда оказалась распределенной в области барьера в пленке толщиной о,8 мкм.
Для обеспечения оптимальной работы солнечных элементов и минимизации сопротивления контакта требуется наличие омических контактов. При наличии передних и задних омических контактов в квазинейтральной области диода сопротивление Я8 определяется по формуле:
^ =(Ь - )/с, (7),
Характеристические параметры солнечных элементов типа барьера Шоттки Pt/a-Sio,soGeo,2o:Hx и pin-переходов
Pt/a-Sio,8oGeo,2o:Hx ДЕ, эВ J0, А/см2 Цв, эВ Vo, B 1/ С2, пФ-2см4 N, см 3 WB, мкм з, % n n
x = 1,9 ат. % 0,62 510-9 0,91 0,25 2-10-9 1,4-1017 0,39 — — 1,40
x = 14 ат. % 0,82 710-10 1,0 0,34 3,5-10-9 1,8-1017 0,41 3,4 2,06 1,47
x = 21 ат. % 0,87 2-10-12 1,12 0,42 5,0-10-9 1,3-1017 0,53 5,8 2,29 1,62
pin; i-слой из a-Sio,8oGeo,2o :HX (x = 21 ат. %) 0,87 2-10-12 — — — — — 6,5 2,48 1,74
где Ь — толщина пленки; о — проводимость а^0 80Ое0 20:Н (при комнатной температуре о = 8-102 Ом-1см-1).
Ток диода при сильном прямом смещении ограничен этими последовательными сопротивлениями. В этом режиме WB = Ь < 1 мкм. Тогда получаем
J =
(V - V) _ (V - V )
R L
(8)
Используя рис. 2 (кривая 2) определили, что для структуры Р^а^0,80Ое0,20:Нх (при х = = 21 ат. %) наибольший п = 5,8 % . Находим: Jкз = 9,08 мА/см2; V, = 0,74 В; £=0,56.
Для солнечных элементов на основе а^кН с барьером Шоттки из Pt и просветляющим покрытием из ZrO2 при потоке солнечного света 65 мВт/см2 и площади в 1,5 мм2 п = 5,5 % [17]. При мощности освещения 100 мВт/см2 и площади 1,5 мм2 п~ 6 %. При этом Jкз = 14,5 мА/см2, V, = 890 мВ, £= 0,674. Аналогично для солнечного элемента с ^¿п-структурой п ~ 3,3 % [17].
На рис. 5 представлена зависимость коэффициента сбора от длины волны X света при потоке фотонов ~10131014 см2с-1 в режиме короткого замыкания, рассчитанная по данным оптического поглощения для пленки толщиной 0,8 мкм; при расчете падающий поток фотонов уменьшен на 80 % для учета ограниченного оптического пропускания металлической пленки (кривая 1). Показан коэффициент собирания для ^¿п-струк-туры (кривая 2). Как видно из рисунка, при насыщении фототока, когда все возбужденные светом носители собираются в режиме короткого замыкания, измеренный коэффициент сбора уже не зависит от обратного смещения. Максимум коэффициента собирания соответствует длине вол-
50
40
£ 30
я
VO
о
20
и15
m
£ 10
_L
J
0,3
0,5
0,7
0,9 X, мкм
Рис. 5. Зависимость коэффициента собирания от длины волны света для солнечных элементов: 1 — со структурой ^¿п-перехода; 2 — с барьером Шоттки Руа-Sio,8oGeo o:H (х = 21 ат. %)
ны X» 0,65 мкм, которая, в свою очередь, соответствует ширине запрещенной зоны активного i-слоя элементов.
Чтобы улучшить качество пленок, созданных на основе a-Si080Ge0 20:H и a-Si:H, потребуется изменение свойств аморфного материала и новые технологические разработки.
Выводы
Результаты работы показывают, что аморфные пленки твердых растворов a-Si080Ge020:H перспективны для создания солнечных элементов.
Однако для улучшения качества солнечных элементов требуется большая емкость и ширина области пространственного заряда диода, а также большие значения тока короткого замыкания, напряжения разомкнутой цепи и коэффициента заполнения. Кроме этого, для улучшения качества элементов требуется изменение свойств базового материала и разработка новых технологических установок.
Список литературы
1. Аморфные полупроводники и приборы на их основе. / Под ред. Й. Хамакава. М.: Металлургия, 1986.
2. Najafov B. A. Absorption, photoconductivity and current-voltaic characteristics of amorphous Ge0 90Si0 10:Hx solid solution // Ukr. J. of Phys. 2000. Vol. 45, No. 10. P. 1221.
3. Наджафов Б. А. Солнечные элементы на основе аморфного Si0 75Ge0 25:Hx. // XIII Рос. отмп. по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Июнь 2003. С. 101.
4. Наджафов Б. А. Солнечные элементы на основе аморфного Pt/a-Si0 80Ge0 20:Hx // Тр. Международ. конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии». Ульяновск, 2003. С. 194.
5. Wronsky C. R., Carlson D. E., Daniel R. E. Schottky-barrier characteristics of metal-amorphous-silicon diodes // Appl. Phys. Lett. 1976. Vol. 29, No. 9. P. 802.
6. Наджафов Б. А. Электрические свойства аморфных пленок а-Ge0 90Si0 10:Hx // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34, № 11. С.1384.
7. Wronsky C. R., Carlson D. E. Surface states and barrier heights of metal-amorphous silicon Schottky barriers // Solid St. Comm. 1977. Vol. 23. P. 421.
8. Yoshiro Hamakawa. Present status of solar photovoltaic R&D projects // Japan Surface Science. 1979. Vol. 86, No. 1. P. 444.
9. Okamoto H., Nitta Y., Dachi T. A., Hamakawa Y. Clow discharge produced amorphous silicon solar cells// Surface Science. 1979. Vol. 86, No. 1. P. 486.
10. Sherchenkov A. A. Spectral photosensitiv-ity of a-SiGe:H/c-Si heterostructures // Semiconductors. 2003. Vol. 37(7). P. 763.
11. Bakirov M. Ya., Najafov B. A., Mame-dov V. S. Optical properties of amorphous semiconductors Ge1-xSix // Phys. Status Sol. A. 1989. Vol. 114(a), K45, No. 1. P. 45.
12. Tauc J., Grigorovich R. et al. Optical properties and electronic structure of amorphous germanium // J. Non-Cryst. Sol. 1966. Vol. 15, No. 1. P. 627.
13. Fang C. J., Gruntz K. J., Ley Z., Cardona M. The hydrogen content of a-Ge:H and Si:H as determined by IR spectroscopy, gas evolution and nuclear reaction techniques// J. Non-Cryst. Sol. 1980. Vol. 35, No. 1. P. 255.
14. Fritzsche H., Tanielian M., Tsai C. C., Gaczi P. I. Hydrogen content and density of plas-
ma-deposited amorphous Silicon-hydrogen // J. Appl. Phys. 1979. Vol. 50, No. 5. P. 3366.
15. Paul W., Paul D. K., Ven Roedern B., Blake J., Oguz S. Preferential attachment of H in amorphous hydrogenated binary semiconductors and consequent inferior reduction of pseudogap state density // Phys. Rev. Lett. 1981. Vol. 46, No. 15. P. 1016.
16. Weiss S. Z., Comez M., Muir Y. A., Resto O., Perez R. Reactivity sputtered a-Si1-xGex:H alloys with compositional gradient in plane of film // Appl. Phys. Lett. 1984. Vol. 44, No. 6. P. 634.
17. Amorphous semiconductors/Ed. by Brod-sky M. H. Springer-Verlag, 1990. 2nd edition. P. 347.
НОВОСТИ НАУКИ." И ТЕХНИКИ
\ ' /
С ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ СНОВА ЗАПУСТЯТ СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУС
Солнечный парус «Космос-1» в ближайшее время будет запущен ракетой с российской подводной лодки, сообщает «The Observer». Он станет вторым космическим аппаратом, способным самостоятельно совершать сложные маневры без источников питания на борту.
«Парус» представляет собой «веер» из 8 тонких жестких пластиковых лепестков площадью 15 м2 каждый и перемещается под действием давления солнечного света. Лепестки расположены вокруг центрального управляющего блока, который, меняя их ориентацию, задает направление движения корабля. Масса «Космоса-1» ~50 кг — это один из самых легких космических аппаратов.
Первый удачный запуск солнечного паруса был осуществлен японским Институтом космонавтики в августе 2004 г. Попытки российских космонавтов «развернуть парус» на орбите в 2001 г. успехом не увенчались, а тестовая версия «Космоса-1» не сумела отделиться от носителя.
Разработанный российским НПО им. Лавочкина «Космос-1» принадлежит частной американской компании «Planetary Society». Как утверждают разработчики, он может стать прототипом серии исследовательских аппаратов, которые будут вести наблюдение за солнечной активностью из космоса и предупреждать о надвигающихся магнитных бурях. Экспериментом заинтересовались специалисты из NASA и ESA, планирующие несколько лет спустя отправить похожий корабль к Меркурию.
Источник: lenta.ru
\1/
В МАРОККО ПОСТРОЯТ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЮ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ
Как передало марокканское информационное агентство, Африканский банк развития выделил королевству 136,4 миллиона евро на строительство «солнечной электростанции».
Проект строительства подобной электростанции нацелен на то, чтобы разнообразить источники энергии и сократить потребление газа в Марокко.
Власти рассчитывают, что новая электростанция, которую планируется построить в районе города Фес к востоку от марокканской столицы Рабата, обеспечит электроэнергией сельские районы страны.
Источник: РИА «Новости»
