CC BY
9СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Солнечные электростанции
SOLAR ENERGY
Solar thermal plants
ОДНОСЛОЙНЫЕ И ДВУХСЛОЙНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ I С БАЗОВОЙ АМОРФНОЙ ПЛЕНКОЙ a-Si082Ge018:H f
т и 'с
Б.А.Наджафов |
Институт радиационных проблем HAH Азербайджана J
пр-т Г. Джавида, 31а, Баку, AZ-1143, Азербайджан £
В работе рассматриваются некоторые параметры тонких пленок а^082Ле018:Н (где Н = 23 ат. %), двухслойного солнечного элемента ( где каждый слой состоит из р—1—п-типов структуры), однослойного р-1-п-перехода и гетероперехода в которых п+-слой изготавливался из цт^кН. Исследовались вольт-амперные характеристики для каждого из элементов. Установлено, что при освещении мощностью 85 мВт/см2 и площадью элементов 0,9 см2, наибольшее значение КПД двухслойных солнечных элементов составляет 9,6 %.
Введение
В настоящее время интенсивно изучаются аморфные гидрогенизированные пленки твердых растворов а-3^-х№х:Н, а^1-хСх:Н, а-Ле1-хСх:Н, а также а^1-хЛех:Н. Следует отметить, что среди этих пленок в полупроводниковой электронике к аморфным твердым растворам а^1_хЛе1_х:Н проявляется больший интерес, чем к другим матриалам [1].
Гидрогенизированные аморфные пленки а^1-хЛех:Н по сравнению с а-ЗкН имеют меньшую ширину запрещенной зоны, а следовательно, и лучшие оптоэлектронные свойства в длинноволновой части видимого спектра, а также термодинамически более стабильны и радиаци-онно стойки [1]. Это позволяет использовать их для создания солнечных элементов [2, 3]. Среди материалов а^1-хЛех составы с х < 0,2 считаются наиболее стабильными для создания солнечных элементов. Поэтому исследованный в данной работе состав а^0 82Ле018:Н представляет интерес для приборного использования в фотоэлементах [4, 5, 7].
Результаты эксперимента и их обсуждение
Изучению солнечных элементов на основе гид-рогенизированных аморфных пленок а^1-хЛех:Н посвящен ряд работ [1-10]. Отметим, что аморфные пленки а^1-хЛех:Н без гидрогенизации обладают довольно высокой плотностью состояний в запрещенной зоне [11]. Поэтому они имеют низкие значения фотопроводимости. Для повышения фотопроводимости в пленки вводят во-
дород или получение пленок осуществляют в водородной среде.
Пленка а^082Ле018:Н была получена методом плазмохимического осаждения. Скорость осаждения 3 А/с, толщина пленки 0,8 мкм при температуре подложки 150 °С. 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 высокочастотного (ВЧ) полей. Частота ВЧ-поля 230 МГц, магнитное поле 500 Гс, анодное напряжение в процессе изменялось от 400 до 600 В, давление газа 5 мТорр. Для изготовления ¿-слоя для каждого элемента давление газа менялось от 0,6 до 5 мТорр. Аморфность пленок а^0,82Ле0,18:Н контролировали методом электронографического * анализа. Отметим, что относительная погреш- |< ность при определении концентрации водорода р-равнялась 10-12 %. Нагревание образца в зам- % кнутом объеме происходит из-за того, что ма- 1 териал почти полностью распадается при крис- I таллизации на составляющие его элементы в 8 интервале температур 350-650 °С, что вызыва- | ет явление эффузии водорода и приводит к рос- 5 ту давления. Давление измеряли емкостным ма- § нометром с точностью до 0,1 %. Отметим, что © для обеспечения воспроизводимости результатов был выбран оптимальный режим осаждения пленок.
Статья поступила в редакцию 05.07.2005. The article has entered in publishing office 05.07.2005.
Создание солнечных элементов
В работе рассматриваются некоторые физические параметры тонких пленок а^08^е018:Н (Н = 23 ат. %), создание солнечных элементов двухслойных (каждый слой в которых состоит из р-1-п-типов структуры) и однослойных р-¿-п-переходов и гетеропереходов. Площадь каждого из элементов 0,9 см2. Для получения фотогальванического эффекта пленку освещали источником света мощностью ~85 мВт/см2. При создании элементов во всех структурах подложка выбрана из нержавеющей стали, поскольку она является коррозионно стойкой и совместима с пленками, покрытыми составами из аморфного кремния и германий-кремния. Чтобы в пленке не образовывались поры, поверхность подложки была отполирована механически с помощью абразива, а затем полировали электролитически. После полировки покрытия с окисью циркония ^Ю2) и смеси ОИО (окись-индий-олово) толщиной 300 А пропускают до 80 % света. Для создания р-1-п-структуры ¿-слой был нелегированным. Коэффициент оптического поглощения а для ¿-слоя в видимой области спектра дости-и он описывается следующим
-1
гал 8•104см соотношением:
акн = B (кн - Eg) ,
(1)
ZrO2
_:L_,p+ (a-Si:H)
n+ (a-Si:H) p+ (a-Si:H)
' (a-Si0,82Ge0,18:H) n+ (a-Si:H)
hv
Подложка
-слои
-Ar-
о s о
/-слои
-V
п+-слои
V
где В = 547 эВ-1см-1/2 и определен экстраполяцией зависимости (а^)1/2 от Ь^, Е' = 1,74 эВ — ширина запрещенной зоны.
Величина цт для ¿-слоя равна 10-5 см2В-1. Эффективность процесса генерации (КПД) в нашем случае равна единице [1]. Тонкие р+- и п+-слои для всех элементов имеют толщину 400500 А и изготавливаются в разряде SiH4, содержащем в качестве примеси ~1 % В2Н6 и РН3. Уровень легирования составлял В2Н6/ЗШ4 и РН3/ЗШ4 < 10-4. Дрейфовая подвижность для дырок и электронов соответственно равнялась 3 • 10-1 и 20 см2/(Вс). Во всех элементах ¿-слой изготавливали из а^08^е018:Н (Н — 23 ат. %). При комнатной температуре удельное сопротивление для ¿-слоя составляет >102 Омсм.
При создании двухслойного (рис. 1, а) солнечного элемента сначала на подложку из нержавеющей стали при 150 °С осаждали легиро-
оио
Подложка
Рис. 1. Структуры солнечных элементов: а — двухслойная; б — однослойная; в — однослойная с гетеропереходом
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика солнечных
ванный фосфором п+-слой а^кН толщиной элементов при освещении 85 мВт/см2, ¿-слой на ос-500 А. Затем последовательно наносились ¿-слой толщиной 0,8 мкм и р+-слой а^кН, легированный бором, толщиной 400 А. Аналогично первому изготавливали второй слой. Для передних контактов использовали аллюминий, а для задних подложки из нержавеющей стали. Толщины ¿-слоев для верхних переходов подбираются такими, чтобы соблюдалось условие неизменности тока короткого замыкания для нижнего элемента. Ток короткого замыкания меньшие, чем у элементов с однимр-^п-переходом (рис. 2). КПД двухслойных элементов 9,6 %. Максимальный
нове а^0 82йе0 18:Н (Н = 23 ат. %, площадь элементов 0,9 см2): 1 — двухслойные элементы, каждый слой состоит из р-1-п-перехода; 2 — однослойные элементы с р-1-п-переходом; 3 — элементы с гетеропереходом, п+-слой из мк-ЗкН
ток короткого замыкания = 9,8 мА/см2, напряжение разомкнутой цепи = 2,05 эВ и коэффициент заполнения ^ = 0,42 (см. рис. 2, кривая 1). Механизм изготовления однослойного элемента (см. рис. 1, б) такой же, как двухслойного, но имеет покрытия в виде слоя ОИО (^-¿-п). Для
Солнечная энергетика Солнечные электростанции
однослойного элемента имеем: КПД 6,6 %, Jкз = 13,5 мА/см2, с = 0,40 (см. рис. 2, кривая 2).
Отметим, что двухслойные солнечные элементы по сравнению с обычными однослойными являются чувствительными в более широком диапазоне спектра и им свойственны более высокие напряжения холостого хода и более низкие значения токов короткого замыкания.
Используя зависимости Jкз (У^) и применив соотношение [2, 3]
= ПК in
i™ + 1 J
(2)
Максимальные значения JRЗ, V^ и с соответственно равны: 14,2 мА/см2, 0,90 В и 0,50 (см.
рис. 2, кривая 3). Зависимость J¡sз (У^) для гетеропереходов показывает, что коэффициент качества диода п' = 2,41. На рис. 3 представлена зависимость эффективности собирания от длины волны света, при потоке фотонов ~1013-1014 см2с-1 в режиме короткого замыкания. Как видно из рисунка, при насыщении фототока, когда все возбужденные светом носители собираются в режиме короткого замыкания, эффективность собирания уже не зависит от обратного смещения.
где п' — коэффициент качества элементов (при освещении А'макс = 2,50 и 2,16 для двухслойного и однослойного элементов, соответственно; q — заряд электронов; J0 — плотность тока насыщения.
Значение J0 определяется из темновой вольт-амперной характеристики и для двухслойного и однослойного элементов, соответственно, оно равно ~10-12 и 8 • 10-10 А/см2.
Аналогично были созданы солнечные элементы на подложке из нержавеющей стали со структурой гетеропереходов ОИО/п+(мк-ЗкН)/ /¿(а^0 82Ле018:Н)/р+(а^кН)/ (см. рис. 1, в). Микронные пленки (мк^кН) получены при определенных условиях в том же реакторе, в котором был получен ¿-слой (а^0 82Ле018:Н). Пленки мк-ЗкН, легированные фосфором, толщиной 500 А осаждали при температуре подложки 300 °С, мощность ВЧ-разряда 200Вт. Метод рентгено-структурного анализа позволил определить размеры кристаллитов. Используя анализ полуширины рентгеновских линий, рассчитывали средний размер кристаллитов, который для легированного п-слоя мк^кН составлял 100 А. Подобные результаты были получены и в работе [4]. В работе [5] было показано, что пленки мк^ можно получить осаждением водородной плазмы тлеющего разряда, если температура подложки не превышает 80 °С. Предполагается, что при этой температуре подложки на межфазной границе «плазма - твердое тело» образуются стабильные зародыши, приводящие к росту микрокристаллической пленки мк^ [6].
Было также показано, что пленки мк-ЗкН на кристаллической подложке &^,нагретой до 250 °С, можно получить реактивным распылением мишени из в атмосфере Н2 при давлении 40-67 Па. Также установлено [7], что размер кристаллитов зависит от условий плазменного осаждения, в частности от частоты возбуждения плазмы, и пленки с большими размерами кристаллитов получаются при более высоких частотах (~40 МГц). Затем для создания элементов осаждался ¿-слой а^0,82Ле0д8:Н. Слой р+(а^кН) изготовлен толщиной 400 А.
Вольт-амперные характеристики показали, что для солнечных элементов из гетеропереходов КПД = 7,4 %.
0,6 0,7 Я, мкм
Рис. 3. Зависимость эффективности собирания от длины волны света: 1 — двухслойные элементы с p-i-n-переходом; 2 — однослойные элементы с p-i-n-пере-ходом; 3 — элементы с гетеропереходом
Заключение
Аморфные пленки a-Si0 82Ge018:H являются перспективными материалами для создания солнечных элементов. Результаты работы показали, что КПД двухслойных солнечных элементов на основе аморфных пленок (9,6 %) выше, чем КПД гетеропереходов (7,4 %) и однослойных солнечных элементов (6,6 %).
Список литературы
1. Аморфные полупроводники и приборы на их основе/Под ред. Й. Хамакава. М.: Металлургия, 1986. С. 376.
2. Najafov B. A. Absorption, photoconductivity and current-voltaic characteristics of amorphous Ge0 90Si0 10:Hx solid solution // Ukr. Jour. 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. конф. «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 a-Ge0 90Si0 10:Hx // Физика и ^ техника полупроводников. 2000. Т. 34, № 11.
С.1384.
О)
f 7. Wronsky C. R., Carlson D. E. Surface states t; and barrier heights of metal-amorphous silicon | Schottky barriers // Solid St. Comm. 1977. Vol. 23. ^ P.421.
1 8. Hamakawa Y. Present Status of Solar pho-S tovoltaic R&D Projects in Japan // Surface Sci. g 1979. Vol.86, No. 1. P. 444.
9. Okamoto H., Nitta Y., Dachi T. A., Ha-makawa Y. Glow Discharge produced Amorphous Silicon Solar Cells // Surface Sci. 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), K.45, 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. Аморфные и микрокристаллические полупроводники // Сб. науч. тр. СПб.: изд-во СПбГПУ, 2004. С. 336.
18. Amorphous Semiconductors/Ed. by Brod-sky M. H. Springer-Verlag, 1990. 2nd Ed. P. 347.
19. Наджафов Б. А. Фотовольтаические эффекты в аморфных пленках a-Si0 82Ge0 18:Hx / / ISJAEE. 2005. No. 3(23). P. 47-51.
20. Hamasaki T., Kurata H., M.Hirose M., Osaka Y. Low-temperature crystallization of doped a-Si:H alloys // Appl. Phys. Lett. 1980. Vol. 37, No. 12, P. 1084-1086.
21. Igbal Z., Veprek S. Raman scattering from hydrogenated microcrystalline and amorphous silicon // J. of Phys. C: Solid State Phys., 15. 1982. No. 2. P. 377-392.
22. Matsuda A., Yoshida T., Yamasaki S., Tanaka K. Structural Study on Amorphous-Micro-crystalline mixed-phase Si:H films / / Japan. Jour. of Appl. Phys. 1981. Vol. 20, No. 6. P. 439-442.
23. Hata N., Yamasaki S., Oheda H., Matsu-da A., Okushi H., Tanaka K. Photoluminescence study of amorphous micro-crystalline mixed-phase Si:H films // Japan. Jour. of Appl. Phys. 1981. Vol. 20, No. 11. P. 793-800.
\ ' /
НОВОСТИ НАУКИ 'И ТЕХНИКИ
ШИШ •-. 'с^- \ -—■ / ЧПяиь^. ^ / V
СОЧИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАБОТАЕТ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ
Необычная установка из стекла и металла появилась на крыше административного здания Сочинского государственного университета. Это специальная гелиосистема, работающая на солнечной энергии. Благодаря этой системе огромное здание полностью обеспечивается горячей водой.
Смонтировали эту установку ученые Черноморского центра энергосбережения, который создан на базе Сочинского государственного университета.
— В ближайшее время такие агрегаты будут установлены на всех университетских корпусах. Это позволит нам серьезно сократить коммунальные расходы и направить сэкономленные средства на социальную поддержку студентов, — сообщил ректор Сочинского государственного университета Григорий Яковенко.
Источник: yuga.ru
