Научная статья на тему 'Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы на гибких подложках'

Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы на гибких подложках Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
2485
431
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ / ТОНКИЕ ПЛЕНКИ / АМОРФНЫЙ КРЕМНИЙ / НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕМНИЙ / ПРОТОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕМНИЙ / SOLAR CELLS / THIN FILMS / AMORPHOUS SILICON / NANOCRYSTALLINE SILICON / PROTOCRYSTALLINE SILICON

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Казанский Андрей Георгиевич

Успехи в разработке и создании тонкопленочных солнечных элементов привели к развитию целого направления в фотовольтаике фотовольтаике «гибких» солнечных батарей, т.е. тонкопленочных солнечных батарей, сформированных на гибких подложках. Допустимость изменения формы данных солнечных батарей открывает новые возможности для их применения, в частности, использование для питания мобильных, портативных электронных устройств. Подобные солнечные батареи могут быть закреплены на предметах, имеющих сложную, негладкую поверхность, в том числе и на одежде. Помимо этого, относительная простота технологического процесса создания подобных солнечных батарей, малые энергозатраты и дешевизна используемых гибких подложек существенно снижает стоимость их производства. Среди различных полупроводниковых материалов, используемых для создания «гибких» солнечных батарей, одно из ведущих мест занимает протокристаллический гидрогенизированный кремний, структура которого состоит из аморфной кремниевой матрицы, содержащей нанокристаллические включения. В работе представлен обзор имеющихся данных о свойствах пленок гидрогенизированного кремния, условиях получения протокристаллического кремния и параметрах созданных на его основе солнечных элементов на гибких подложках.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Казанский Андрей Георгиевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Thin-film silicon solar cells on flexible substrates

Advances in the design and creation of thin film solar cells have led to the development of a trend in photovoltaics photovoltaic of "flexible" solar cells, namely thin-film solar cells formed on flexible substrates. Possibility of changing the form of these solar panels opens up new possibilities for their application, in particular, for energy supply of mobile, portable electronic devices. Such solar cells may be mounted on objects having a complex, not a smooth surface, including clothing. In addition, the relative simplicity of the process of creating such solar cells, low power consumption and low cost of flexible substrates used reduce significantly the cost of their production. Protocrystalline hydrogenated silicon is one of the leading among various semiconductor materials used for creation of "flexible" solar panels. The structure of this material is composed of an amorphous silicon matrix having nanocrystalline inclusions. This paper presents a review of available data on the properties of hydrogenated silicon films, the conditions of protocrystalline hydrogenated silicon production and parameters of flexible solar cells based on this material.

Текст научной работы на тему «Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы на гибких подложках»

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ГИБКИХ ПОДЛОЖКАХ

Казанский А. Г.

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, http://wwwjphys.msu.ru 119991, Москва Российская Федерация Поступила в редакцию 25.02.2015

Успехи в разработке и создании тонкопленочных солнечных элементов привели к развитию целого направления в фотовольтаике — фотовольтаике «гибких» солнечных батарей, т.е. тонкопленочных солнечных батарей, сформированных на гибких подложках. Допустимость изменения формы данных солнечных батарей открывает новые возможности для их применения, в частности, использование для питания мобильных, портативных электронных устройств. Подобные солнечные батареи могут быть закреплены на предметах, имеющих сложную, негладкую поверхность, в том числе и на одежде. Помимо этого, относительная простота технологического процесса создания подобных солнечных батарей, малые энергозатраты и дешевизна используемых гибких подложек существенно снижает стоимость их производства. Среди различных полупроводниковых материалов, используемых для создания «гибких» солнечных батарей, одно из ведущих мест занимает протокристаллический гидрогенизированный кремний, структура которого состоит из аморфной кремниевой матрицы, содержащей нанокристаллические включения. В работе представлен обзор имеющихся данных о свойствах пленок гидрогенизированного кремния, условиях получения протокристаллического кремния и параметрах созданных на его основе солнечных элементов на гибких подложках.

Ключевые слова, солнечные элементы, тонкие пленки, аморфный кремний, нанокристаллический кремний, протокристаллический кремний.

PACS: 68.55.ag; 72.40^; 77.55.df; 88.40.jj_

Содержание

1. Введение (15)

2. Выбор оптимального нелегированного слоя гидрогенизированного кремния для формирования солнечного элемента на гибкой подложке (18)

3. формирование легированных слоев гидрогенизированного кремния для солнечных элементов на гибких подложках (19)

4. Формирование кремниевых солнечных элементов на гибких подложках (20)

5. заключение (22) Литература (22)

1. ВВЕДЕНИЕ

В последние годы наблюдается значительное увеличение интереса к солнечным батареям на гибких подложках («гибким» солнечным батареям) и, соответственно, увеличивается число работ, посвященных данным исследованиям. При этом, хотя к гибким положкам можно отнести фольгу из нержавеющей стали и пластик, тем не менее, в большинстве случаев говоря о «гибких» солнечных элементах имеют в виду батареи, сформированные на гибком пластике. С одной стороны, отмеченный интерес

связан с тем, что подобные батареи имеют малую толщину и, соответственно, малый вес, что облегчает доставку их в те места использования, куда достаточно трудно доставить солнечные батареи, сформированные на тяжелых стеклянных подложках [1]. С другой стороны, подобные солнечные батареи могут быть закреплены на предметах, имеющих сложную, негладкую поверхность, в том числе и на одежде [2]. Дешевизна, простота и малый вес солнечных батарей на гибких подложках, по мнению ряда исследователей, делает их привлекательными для энергообеспечения различных объектов, работающих в космическом пространстве.

Сравнительная дешевизна солнечных элементов, сформированных на гибких подложках, по сравнению с солнечными элементами, созданными на стекле, связана в первую очередь с возможностями использования при их производстве так называемого метода «от ролика к ролику» (roll to roll method). Помимо этого, уменьшение энергозатрат при создании солнечных батарей на гибких подложках по сравнению с батареями, сформированными на

16 КАЗАНСКИЙ А.Г.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

стекле, связано с использованием в качестве гибких подложек пластиковых подложек, не требующих при своем формировании существенных затрат энергии. Поэтому несмотря на то, что в последние годы существенно увеличивается производство тонкопленочных кремниевых солнечных батарей, сформированных на стеклянных подложках площадью до ~6 м2 [3, 4], возникает необходимость разработки новых подходов к созданию солнечных батарей, позволяющих на порядок увеличить производительность технологических линий при существенном сокращении расходов. Метод рулонного покрытия (roll coating), который в течение последних лет успешно используется [5] и подробно исследуется [6, 7], по-видимому, является одним из возможных подходов, позволяющих решить сформулированные выше задачи. Однако, чтобы конкурировать с фотовольтаикой больших площадей, сформированной на стеклянных пластинах, метод производства фотовольтаических модулей, основанных на «рулонном покрытии», должен решить ряд задач, связанных с уменьшением стоимости подложки, технологической простоте и прочной инкапсуляции малой стоимости. Принимая во внимание важность всех указанных выше задач, связанных с производством «гибких» солнечных батарей, ниже мы рассмотрим, в основном, проблемы связанные с низкотемпературным осаждением и формированием последовательной структуры солнечной батареи. Заметим при этом, что процессы инкапсулирования также требуют исследования и в настоящее время добавляют 50% к стоимости «гибкого» солнечного модуля [8].

Помимо приложений, связанных с созданием сетей, в частности, фотовольтаики, интегрированной в здания, интерес к фотоэлементам на гибких подложках возрастает со стороны разработчиков автономных систем орбитальных станций и телекоммуникационных спутников, а также специалистов, работающих в области электрификации сельских районов в развивающихся странах. Небольшие самолеты, автомобили и другие потребители электрической энергии могут получить часть необходимой им энергии из окружающего освещения их

открытых поверхностей при использовании гибких фотоэлементов. Другое применение «гибкой» фотовольтаики состоит в интеграции фотовольтаических систем малых размеров в одежду для питания портативных электронных приборов [2, 9, 10]. Более широко говоря, интеграция гибких фотовольтаических систем с текстилем создает технологию формирования материала с широкими функциональными возможностями, позволяющими использовать его для покрытия зданий и обеспечения автономного контроля обогрева, вентиляции и освещения здания.

Необходимо отметить, что основы «гибкой» фотовольтаики на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) были заложены Izu и Ovshinsky еще в 1984 году [11], когда они предложили формировать тонкопленочные солнечные модули методом «roll to roll» на рулонах фольги из нержавеющей стали. Эта технология в дальнейшем привела к созданию метода «рулонного покрытия» (roll coating) [5, 12]. В 1985 году Jeffrey с сотрудниками представил первую гибкую солнечную батарею на основе a-Si:H, сформированную на полиимиде (PI) и обсуждал фундаментальные проблемы, связанные с термическим расширением подложи и контролем примесей [13]. Эти проблемы остаются нерешенными и до настоящего времени. Yano с сотрудниками в 1987 году используя метод «roll to roll» сформировал a-Si:H солнечный элемент на полиэтилентерфталате (PET) с эффективность 9% [14]. Относительно недавно Haug с сотрудниками сообщил о создании одноэлементной a-Si:H солнечной ячейки на наноструктурированном PET со стабилизированной эффективностью преобразования 8.7%, а также о формировании двухэлементного, тандемного, так называемого микроморфного солнечного элемента состоящего из a-Si:H элемента, расположенного на поверхности элемента, использующего нанокристаллический гидрогенизированный кремний (nc-Si:H), с эффективностью преобразования 10.9% [15].

В настоящее время имеются «гибкие» фотовольтаические элементы, которые не используют технологию, основанную на применении a-Si:H. В частности,

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

сообщается о гибких солнечных элементах на основе монокристаллического кремния с эффективностью преобразования

14.6% [9]. Необходимо отметить, что оптимизированные солнечные элементы на основе монокристаллического кремния по своим параметрам превосходят элементы на основе а-31 в области интенсивностей освещения от среднего до малого уровня вследствие большей эффективности преобразования. В тоже время при очень низком уровне освещения менее 500 лк элемент на основе a-Si:H превосходит элемент на основе с-5г [2, 16]. Гибкие солнечные элементы на основе диселенида меди-индия-галлия (CIGS), сформированные на фольге из нержавеющей стали достигают эффективности преобразования 17.4% [17, 18]. В то же время, для элементов на основе CIGS, сформированных на подложках из Р1, выдерживающих относительно низкие температуры осаждения, коэффициент преобразования уменьшается до 11% [18-20]. Tiwari с сотрудниками сообщили о создании гибкой солнечной батареи на основе CdTe с эффективностью преобразования 8.6% [21]. Помимо этого в настоящее время представляются перспективными гибкие солнечные батареи на органических полупроводниках и так называемые солнечные элементы, очувствленные красителями. Подобного типа батареи могут наноситься методом печати на полимерную фольгу [22]. Примером некоторых успехов в области создания органических солнечных элементов является представление, сделанное ВгаЬес с сотрудниками, батареи с объемным гетеропереходом с эффективностью

преобразования 5% [23]. Основные проблемы при создании органических солнечных батарей и солнечных элементов, использующих для увеличения чувствительности красители, состоят в необходимости увеличения поглощения видимого света рабочим слоем [22] и в фотохимической стабильности красителей [24]. При этом наиболее важной проблемой является долговечность использования органической солнечной батареи [25].

Помимо необходимости оптимизации материала и структуры солнечной батареи в случае использования гибких подложек необходимо решение проблемы, связанной

с последовательным соединением отдельных солнечных элементов в фотовольтаический модуль [1]. Монолитное последовательное соединение отдельных элементов позволяет увеличить напряжение фотовольтаических модулей для дешевых фотовольтаических систем [26]. Широко используемая техника лазерного скрайбирования (несквозной резки) успешно применяется для элементов, сформированных на высокотемпературных стеклянных подложках. В тоже время, эта технология встречает много проблем в случае ее использования для создания батарей на гибких полимерных фольгах, приводя к увеличению ширины области разреза, а также возникновению проблем, связанных с шунтированием. Поэтому была предложена методика последовательного соединения элементов с использованием масок непосредственно в процессе проведения различных этапов осаждения [27, 28].

В работе [1] представлены результаты исследований по оптимизации

низкотемпературного осаждения

солнечных элементов на основе пленок гидрогенизированного кремния, состоящих из аморфного гидрогенизированного кремния, нанокристаллического гидрогенизированного кремния и протокристаллического

гидрогенизированного кремния (pc-Si:H). Протокристаллический кремний представляет из себя двухфазный материал, структура которого состоит из матрицы аморфного кремния, содержащей нанокристаллические кремниевые включения. В работе [1] также рассмотрена разработанная авторами методика формирования in situ последовательного соединения элементов, позволяющая избежать технологии лазерного скрайбирования и прерывания процесса осаждения в условиях вакуума.

Авторы [1] исследовали солнечные батареи на основе оптимизированного солнечного элемента, использующего pc-Si:H, осажденного на гибкой дешевой полимерной подложке при температурах подложки 40°C < Td < 110°С. Проведенные эксперименты показали, что для температуры Td = 110° С в случае использования нетекстурированной PET фольги эффективность преобразования составила 9% [29]. Солнечный модуль площадью 4x10 см2, созданный на

18

АО КАЗАНСКИЙ А.Г.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

основе одноэлементной a-Si pin структуры, сформированной на полиэтиленнафталате (PEN), продемонстрировал эффективность преобразования 3% [27].

2. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО НЕЛЕГИРОВАННОГО СЛОЯ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ГИБКОЙ ПОДЛОЖКЕ Предполагается, что оптимальным материалом для создания поглощающего слоя a-Si солнечной батареи является нелегированный протокристаллический кремний [30], который обладает лучшими электронными параметрами по сравнению с a-Si:H и nc-Si:H. При использовании низких температур подложки T < 100° С pc-Si:H является единственным оптимальным материалом для создания тонкопленочной солнечной батареи на основе Si [31]. В то же время, при T > 200°С параметры солнечного элемента улучшаются при переходе от a-Si:H к pc-Si:H при формировании поглощающего свет слоя [32]. Протокристаллический кремний представляет собой материал, который формируется при технологических условиях на границе формирования a-Si:H и nc-Si:H. Поэтому его структура состоит из аморфной кремниевой матрицы, содержащей отдельные нанокристаллические включения кремния. При этом, объемная доля нанокристаллической фазы XC в pc-Si:H существенно меньше чем в nc-Si:H.

Протокристаллический кремний явился результатом экспериментов по оптимизации активного слоя тонкопленочных батарей на основе Si и SiGe [32], которые привели к созданию структурно-модифицированного материала, названного протокристаллическим кремнием [30]. Обзор структурных свойств этого материала, содержащего практически неконтролируемую концентрацию кремниевых нанокристаллов, проведен в работе [33]. При формировании солнечного элемента на основе pc-Si:H основная задача состоит в подборе технологических условий, позволяющих сформировать в аморфной матрице не контактирующие друг с другом нанокристаллиты.

Формирование и увеличение в объеме

возникших нанокристаллов зависит от температуры осаждения, доли водорода в газовой смеси и толщины пленки [34, 35]. В результате определяется достаточно узкий интервал технологических параметров, позволяющих получить pc-Si:H [36]. Если в технологическом процессе не используются фторированные или хлорированные газы [37], то, как правило, объемная доля нанокристаллической фазы возрастает с толщиной пленки [34, 35, 38-41].

Для формирования pc-Si:H необходима большая доля водорода в газовой среде при использовании метода плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD) или другого газофазного метода (CVD), например, метода термического газофазного осаждения — метода «горячей проволоки» (hot-wire CVD) [41-43]. При увеличении относительной доли водорода в водородно-силановой газовой смеси R = [H2]/ [SiHJ оптоэлектронные свойства формируемого материала резко изменяются в области R от 15 до 50. Оптимальное значение R, необходимое для получения pc-Si:H, зависит от температуры подложки T и геометрии реакционной камеры, в которой происходит осаждение материала [44].

Для того, чтобы проанализировать свойства пленок, условия формирования которых допускают осаждение на гибкие дешевые PET подложки (T < 100°C), в работе [36] были проведены исследования зависимости от R оптоэлектронных свойств пленок, полученных методом PECVD при Td = 40°C и Td = 75°C. Формируемые пленки pc-Si:H в области перехода от a-Si:H к nc-Si:H демонстрировали оптоэлектронные свойства, которые

превосходили соответствующие свойства a-Si:H и nc-Si:H. Результаты представлены на рис. 1. Измерения фоточувствительности (отношения фотопроводимости к темновой проводимости) проводились при освещении пленок светом с энергией квантов hv = 1.96 эВ и интенсивностью 1.3'1015 см-2с-1. Толщина исследованных пленок составляла ~1мкм. При этом скорость осаждения пленок существенно уменьшалась с ростом R.

Как видно, отжиг приводит к некоторому увеличению фоточувствительности пленок, что связано, по-видимому, с перераспределением водорода в структуре а-SiH и pc-Si:H. При этом пленки, полученные при R = 29 (T =

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

25 50 75 100

Н2 dilution ratio R = [HJ/[S¡HJ

Рис. 1. Зависимости фоточувствительности шенок, полученных при Td = 40°C и Td = 75° C от R. Представлены результаты измерений непосредственно после получения пленок (а), после их отжига при 110°С в течение 16 часов (b) и после освещения при Т < 50° C светом с интенсивностью AM 1.5 в течение 100 часов (с) [1].

75°C) и R = 45 (T = 40°C), демонстрируют не только наивысшую фоточувствительность, но и наилучшую стабильность параметров при световом воздействии [45].

В работах Koch с сотрудниками [31, 36, 46], а также Ishikawa и Schubert [29] показано, что для получения при температурах подложки 40°С < T < 110°C нелегированного pc-Si:H c хорошими оптоэлектронными свойствами и фоточувствительностью, большей 105, необходим соответствующий подбор величины R и использование достаточно высоких частот, обеспечивающих плазменный разряд.

3. ФОРМИРОВАНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ СЛОЕВ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ГИБКИХ ПОДЛОЖКАХ

Необходимость использования низких температур подложки (T < 100°C) в случае формирования солнечного элемента на гибкой дешевой PET фольге приводит к

некоторым проблемам получения легированных слоев, связанных с малой эффективностью легирования a-Si при низкой температуре [47]. В работе [43] было проведено сравнение параметров пленок a-Si:H и nc-S:Hi, полученных методом высокочастотного плазмохимического осаждения и методом «горячей проволоки» при температурах подложки T' = 25°С и T¿ = 100°С, и легированных донорами (ж-тип) или акцепторами (р-тип). Было отмечено монотонное изменение структуры от аморфной к нанокристаллической с ростом R в случае метода «горячей проволоки» и резкое изменение структуры в случае «высокочастотного метода». Помимо этого, было отмечено существенное увеличение эффективности легирования после отжига пленок при 300°С, что приводило к увеличению проводимости пленок a-Si на два порядка [48].

Koch обнаружил значительное уменьшение (на четыре порядка величины) проводимости a-Si пленок ж-типа при уменьшении температуры подложки от Td = 150° С до T = 100° С в случае использования метода высокочастотного плазмохимического

осаждения [31]. Исследования показали, что проблемы большой концентрации дефектов и малой эффективности легирования могут быть преодолены в случае использования силаново-водородной смеси с R > 3 [31, 36]. При этом удается поднять проводимость пленки ж-типа, полученной при T d = 100° С, до значения 5'104 Ом-1см-1. В отличие от материала ж-типа, в случае материала р-типа проблема получения легированной a-Si:H или pc-Si:H пленки при низкой температуре подложки требует решения.

На рис. 2 представлены результаты измерений проводимости и фотопроводимости пленок ж- и р-типа, полученных при низких температурах подложки, проведенных в работах Koch с сотрудниками [31, 36] и Ishikawa и Schubert [29]. Было отмечено, что пленки р-типа с большой проводимостью можно было получить лишь в случае использования больших частот возбуждения плазменного разряда (80 МГц). В тоже время, большая проводимость в пленках ж-типа могла быть достигнута и при использовании средних

20

^ КАЗАНСКИМ А.Г.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

10°

£ л л-2 О 10

а

10"

ь >>

>

о =

■о с

о -и О 10"6

10

г CT^kJ. n-type (RF)

- yvj / [PH3]/[SiH4] = 1% "i

с, JL

г d -

AhJ p-type (VHF)

[B2H6]/[SiHJ = 2%

г J v.,

9 d

100

20 40 60 80 н2 dilution ratio R = [H2]/[SiHJ

Рис. 2. Проводимость ad и фотопроводимость а^ пленок n- ир-типа, полученных при низкой температуре подложки и

при различных значениях R [1]. частот 13.56 МГц.

4. ФОРМИРОВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ГИБКИХ ПОДЛОЖКАХ

В работе Koch с сотрудниками [36] показано, что в случае осаждения пленки при низких температурах (T < 100°C) использование pc-Si:H в качестве активного слоя солнечного pin элемента приводит к наилучшим его параметрам. При T' = 75°C эффективность преобразования полученных элементов составила 3.8%. В тоже время, для Td = 100°С была получена эффективность преобразования 6% [31]. Для структур, сформированных при Td = 110°C, после фотоиндуцированной деградации эффективность преобразования несколько уменьшалась и составляла ~5% [49].

На рис. 3 показана корреляция фоточувствительности и длины амбиполярной диффузии для активного слоя, сформированного из pc-Si:H при низкой температуре Td = 110°C (рис. 3а), и эффективности преобразования p-i-n солнечного элемента, осажденного на подложку Asahi-U и использующего данную пленку (рис. 3b) [1]. Значения эффективности показаны для p-i-n элемента до и после его освещения в течение 100 часов светом с интенсивностью AM 1.5.

Возможность изменения оптической ширины

(а)

(Ь)

200

150

100

5 10 15 20 25

н2 dilution ratio R = [H2]/[SiHJ

Рис. 3. Влияние R на фоточувствительность и длину амбиполярной диффузии носителей заряда в нелегированной пленке гидрогенизированного кремния, полученной при низкой температуре подложки (а), и на эффективность преобразования созданного на её основе p-i-n солнечного элемента до (ц. ) и после (ц) длительного освещения (b) [2].

зоны при изменении R позволяет формировать

многоэлементные солнечные батареи при низких

температурах [31, 46, 50]. На рис. 4 показаны

вольтамперные зависимости сформированных

на гибкой PET фольге двухэлементных

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(тандемных) и четырехэлементных солнечных

батарей [1].

КосЬ с сотрудниками сообщил о создании «низкотемпературных» p-i-n/p-i-n и n-i-p/n-i-p солнечных элементов с начальной (до световой деградации) эффективностью преобразования 6% [31]. Исследуя влияние последовательности осаждения слоев на стабильность параметров

$ 0.0

-1.0

со

1 -2-0

с

2

з -3-0

о о

-4.0

ю

< -5.0

i i -i i i— i i

- /

quadruple ceil n = 4.3 %

- /5.8 % —— tandem cell i i i ■ i t

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Voltage V(V)

Рис. 4. Вольтамперные зависимости для двухэлементной и солнечной батареи, сформированной на гибкой PET фольге [1].

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

формируемой структуры Ishikawa и Schubert показали, что n-i-p структура с pc-Si:H активным слоем более стабильна при световых воздействиях

[49].

На рис. 5 показаны вольтамперные зависимости, полученные для p-i-n структуры, сформированной на подложке из стекла и на PET фольге, толщиной 50 мкм [1]. Оба солнечных элемента площадью 9 мм2 были сформированы в одинаковых условиях. Как видно, эффективность преобразования оптимизированного «низкотемпературного» солнечного элемента, сформированного на PET фольге, почти совпадает с эффективностью преобразования для элемента, сформированного на стекле.

В случае солнечных элементов, интегрированных в одежду, необходимо использование достаточно тонких подложек, чтобы солнечные элементы существенно не изменяли «гибкость» материала, на котором они помещены. На рис. 6а и 6b показаны матрицы из солнечных элементов на основе рс-Si:H, сформированные на тонкой PET фольге, толщиной 23 мкм. Так как толщина активного слоя батареи составляет 1 мкм, то механическая прочность батареи определяется PET фольгой. При этом, как видно из рисунка, солнечная батарея повторяет форму материала, с которым она связана. Эффективность преобразования показанных солнечных элементов составляет 10

Е

о <

Е.

о

сл

с ф

тз

с

а> ^

О-5

glass PET

J (mA cm"2) SC ' 8.9 8.8

V« (mV) 916 908

FF (%) 63.9 61.1

n . (%) 'im 4 ' 5.2 4.9

-10

0.0

0.2

0.4 0.6

Voltage V(V)

1.0

Рис. 6. Фотографии солнечных элементов на основе pc-Si, сформированных на фольге из PET, толщиной 23 мкм, с тыльной стороны (а) и со стороны, на которую падает свет (b), а также фотографии курток с вделанными в них коммерческими солнечными батареями на гибких подложках (с и d) [2].

5%. Заметим, что необходимо также проводить работу по созданию тонкого и прочного материала для инкапсуляции солнечных батарей. На рис. 6с и 6d показаны примеры курток, в которые интегрированы коммерческие фотовольтаические модули для энергоснабжения аварийных светодиодов (рис. 6с), мобильного телефона, МР3 плейера и других электронных приборов, использующих стандартный USB разъем (рис. 6d) [2]. На рис. 7 показаны представленные в работе [2] оценки площади, необходимой для питания указанных электронных приборов с использованием созданных в настоящее время различных тонкопленочных солнечных элементов на гибких подложках. Авторы отмечают, что с учетом

CD walkman GPS system minidisk player mobile phone notebook pocket calculator keyboard world band radio

CIGS-S

o-Si-^/ щ iL

a-Si-^ i—P

—i

. ETZ) '-1

в

«■• 1 '

1

Рис.5.J

p-i-n солнечных элементов, сформированных на стекле и на PET фольге [2].

required cell area A (cm )

Рис. 7. Площади интегрированных в одежду «гибких»> тонкопленочных солнечных батарей, необходимые для питания указанных на рисунке электронных приборов.

КАЗАНСКИМ А.Г.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

возможного расположения на одежде взрослого человека солнечной батареи площадью 1000 см2, интегрированные в одежду гибкие солнечные элементы могут обеспечить необходимое энергопотребление.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор литературы, посвященный солнечным батареям на гибких подложках, показывает, что использование гибких подложек (фольги из нержавеющей стали или полимерной фольги) несколько упрощает и удешевляет процесс формирования солнечной батареи, что отчасти связано с возможностью использования методики "roll to roll". При этом для формирования солнечных элементов на основе пленок гидрогенизированного кремния на гибких полимерных подложках необходима отработка технологии

получения солнечных элементов на основе этого материала при относительно низких температурах (< 150°С). Предпочтительным материалом для формирования активного слоя в этом случае является протокристаллический кремний pc-Si:H, технологические условия формирования которого существенно зависят от соотношения газов в водородно-силановой смеси и конструкции реактора для осаждения пленок структуры. В настоящее время получены кремниевые солнечные элементы на нетекстурированной PET фольге при T = 110°С с эффективностью преобразования ~5% [1]. При этом гибкие солнечные батареи, площадью 40 см2, состоящие из 10 солнечных элементов, демонстрируют эффективность преобразования 3%. Проведенные

исследования показывают, что существуют возможности повышения эффективности преобразования подобных батарей, связанные с соответствующим изменением как структуры слоев, формирующих солнечный элемент, так и структуры самого элемента.

ЛИТЕРАТУРА

1. Schubert MB, Merz R. Flexible solar cells and modules. Phil. Mag., 2009, 89:2623-2644.

2. Schubert MB, Werner JH. Flexible solar cells for clothin. Materials Today, 2006, 9:42-50.

3. Tanner D, Mei F, Le M, Su J, Luu C, Lu W Frei M, Prabhu G, Chae YK, Eberspacher C. Fabrication and

performance of large area thin film solar modules. Proc. of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference. D. Lincot, H. Ossenbrink and P. Helm eds., WIP-Renewable Energies, Munich, 2008, p. 2489-2491.

4. Vetter M, Mata C, Andreu J. Lessons learned in production optimization of 2.60mx2.20m a-Si:H photovoltaic modules. Proc. of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference. D. Lincot, H. Ossenbrink and P. Helm eds., WIP-Renewable Energies, Munich, 2008, p. 2075-2078.

5. Guha S, Yang J. Thin film silicon photovoltaic - from R&D to commercialization. Technical Digest of the 15 th International Photovoltaic Scientific Engineering Conference PVSEC-15. Y. Quinhao ed., Shanghai Scientific & Technical, Shanghai, 2005, p. 35-38.

6. Tanda M, Tabuchi K, Uno M, Kato S, Takeda Y, Iwasaki S, Yokoyama Y, Wada T, Shimosawa M, Sakakibara Y, Takano A, Nishihara H, Enomoto H, Kamoshita T. Large-area, light-weight, flexible solar cell production technology — ready for market entry. Conference Record of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference. IEEE, New York, 2005, p. 1560-1563.

7. Jongerden GJ. Monolithically series integrated flexible PV modules manufactured on commodity polymer substrates. Proc. of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. Osaka, 2003, IEEE, p. 2109-2111.

8. Ballif C, Terrazzoni-Daudrix V, Haug F-J, Fischer D, Soppe W Loffler J, Andreu J, Fahland M, Schlemm H, Topic M, Wurz M. Flexcellence: towards roll to roll mass production of low cost thin film silicon solar cells. Proc. of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference. G. Willeke, H. Ossenbrink and P. Helm eds., WIP Renewable Energies, Munich, 2007, p. 1835-1839.

9. Werner JH, Wagner TA, Gemmer C, Berge C, Brendle W, Schubert MB. Recent progress on transfer-Si solar cells at ipe Stuttgart. Proc. of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. Osaka, 2003, IEEE, p. 1272-1275.

10. Schubert MB, Ishikawa Y, Kramer JW Gemmer CEM, Werner JH. Clothing Integrated photovoltaics. Conference Record of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, IEEE, New York, 2005, p. 1488-1451.

11. Izu M, Ovshinsky SR. Roll-to-roll plasma deposition machine for the production of tandem amorphous silicon alloy solar cells. Thin Solid Films, 1984, 119:55-60.

12. Yang J, Banerjee A, Guha S. Triple-junction amorphous silicon alloy solar cell with 14.6% initial and 13.0% stable conversion efficiencies. Appl. Phys. Lett, 1997, 70:2975-2977.

13. Jeffrey FR, Vernstrom GD, Aspen FE, Jacobson RL.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Fabrication of amorphous silicon devices on plastic substrates. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1985, 49:41-43.

14. Yano M, Suzuki K, Nakatani K, Okaniwa H. Roll-to-roll preparation of a hydrogenated amorphous silicon solar cell on a polymer film substrate. Thin Solid Films, 1987, 146:75-81.

15. Haug F-J, Soderstrom T, Python M, Terrazzoni-Daudrix V Niquille X, Ballif C. Development of micromorph tandem solar cells on flexible low-cost plastic substrates. Sol. Energ. Mater. Sol. Cell, 2009, 93:884-887.

16. Gemmer C, Schubert MB. Solar cell performance under different illumination conditions. Mater. Res. Soc. Symp. Proc, 2001, 664:A25.9.1.

17. Contreras MA, Egaas B, Ramanathan K, Hiltner J, Swartzlander A, Hasoon F, Noufi R. Progress toward 20% efficiency in Cu(In,Ga)Se2 polycrystalline thin-film solar cells. Prog. Photovoltaic Res. Appl., 1999, 7:311-316.

18. Kessler F, Herrman D, Powalla M. Approaches to flexible CIGS thin-film solar cells. Thin Solid Films, 2005, 480-481:491-498.

19. Herrmann D, Kessler F, Klemm U, Kniese R, Magorian-Friedlmeier T, Spiering S, Witte W Powalla M. Flexible, monolithically integrated Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar modules. Mater. Res. Soc. Symp. Proc, 2005, 865:F15.1.1.

20. Hartmann M, Schmidt M, Jasenek A, Schock HW, Kessler F, Herz K, Powalla M. Flexible and light weight substrate for Cu(In,Ga)Se2 solar cell and modules. Conference Record of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, IEEE, New York, 2000, p. 638-639.

21. Tiwari AN, Romeo A, Baetzner D, Zogg H. Flexible CdTe solar cells on polymer films. Prog. Photovoltaic Res. Appl, 2001, 9:211-215.

22. Dennler G, Forberich K, Ameri T, Waldauf C, Denk P, Brabec CJ, Hingerl K, Heeger AJ. Design of efficient organic tandem cells: on the interplay between molecular absorption and layer sequence. J. Appl. Phys., 2007, 102:123109-1 - 123109-6.

23. Brabec CJ. Organic photovoltaics: technology and market. Sol. Energ. Mater. Sol. Cell., 2004, 83:273-292.

24. Lagref JJ, Nazeeruddin MK, Graetzel M. Molecular engineering on semiconductor surfaces: design, synthesis and application of new efficient amphiphilic ruthenium photosensitizers for nanocrystalline TiO solar cells. Synth. Met., 2003, 138:333-339.

25. Chwang AB, Rothman MA, Mao SY, Hewitt RH, Weaver MS, Silvernail JA, Rajan K, Hack M, Brown JJ, Chu X, Moro L, Krajewski T, Rutherford N. Thin film encapsulated flexible organic electroluminescent displays. Appl. Phys. Lett, 2003, 83:413-415.

26. Hanak JJ. Monolithic solar cell panel of amorphous

silicon. Sol Energ., 1979, 23:145-147.

27. Merz R, Adachi MM, Werner JH, Schubert MB. n-Situ series connection for thin film photovoltaic modules. Proc. of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference. D. Lincot, H. Ossenbrink and P. Helm eds., WIP Renewable Energies, Munich, 2008, p. 2411-2413.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

28. Merz R. Method for producing series-connected solar cells and apparatus for carrying out the method. US patent application 2009/0017193 (2009).

29. Ishikawa Y, Schubert MB. Flexible protocrystalline silicon solar cells with amorphous buffer layer. Jpn. J. Appl Phys, 2006, 45:6812-6822.

30. Koh J, Lee Y, Fujiwara H, Wronski CR, Collins RW. Optimization of hydrogenated amorphous silicon p-i-n solar cells with two-step i layers guided by real-time spectroscopic ellipsometry. Appl. Phys. Lett, 1998, 73:1526-1528.

31. Koch C, Ito M, Schubert MB. Low-temperature deposition of amorphous silicon solar cells. Sol. Energ. Mater. Sol. Cell, 2001, 68:227-236.

32. Guha S, Yang J, Banerjee A, Yan B, Lord K. High quality amorphous silicon materials and cells grown with hydrogen dilution. Sol. Energ. Mater. Sol. Cell, 2003, 78:329-347.

33. Williamson DL. Nanostructure of a-Si:H and related materials by small-angle X-ray scattering. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1995, 377:251-254.

34. Luysberg M, Hapke P, Carius R, Finger F. Structure and growth of ^c-Si:H: Investigation by TEM and Raman spectroscopy on samples prepared at different plasma excitation frequencies. Phil. Mag., 1997, A75:31-37.

35. Houben L, Luysberg M, Hapke P, Carius R, Finger F, Wagner H. Structural properties of microcrystalline silicon in the transition from highly crystalline to amorphous growth. Phil. Mag., 1998, A77:1447-1452.

36. Koch C, Ito M, Schubert MB, Werner JH. Low-temperature deposition of amorphous silicon based solar cells. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1999, 557:749-754.

37. Losurdo M, Giangregorio M, Grimaldi A, Capezzuto P, Bruno G. A study of growth mechanism of microcrystalline thin silicon films deposited at low temperature by SiF4-H2-He PECVD. Eur. Phys. J Appl. Phys, 2004, 26:187-192.

38. Fejfar A, Mates T, Koch C, Rezek B, Svrcek V, Fojtik P, Stuchlirkova H, Stuchlik J, Kocka J. Microscopic aspects of charge transport in hydrogenated microcrystalline silicon. Mater. Res. Soc. Symp. Proc, 2001, 664:A16.1.

39. Meier J, Vallat-Sauvain E, Dubail S, Kroll U, Dubail J, Golay S, Feitknecht L, Torres P, Fay S, Fischer D, Shah A. Microcrystalline/micronorth silicon thin-

24

^^ КАЗАНСКИМ А.Г.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

film solar cells prepared be VHF-GD technique. Sol. Energ. Mater. Sol Cell,, 2001, 66:73-84.

40. Shah AV, Meier J, Vallat-Sauvain E, Wyrsch N, Kroll U, Droz C, Graf U. Material and solar cell research in microcrystalline silicon. Sol. Energ. Mater. Sol. Cell, 2003, 78:469-491.

41. Schropp REI, Rath JK, Li H. Growth mechanism of nanocrystalline silicon at the phase transition and its application in thin film solar cells. J. Cryst. Growth, 2009, 311:760-764.

42. Hamma S, Roca i Cabarroca P. Low-temperature growth of thick intrinsic and ultrathin phosphorous or boron-doped microcrystalline silicon films: Optimum crystalline fractions for solar cell applications. Sol. Energ. Mater. Sol. Cell, 2001, 69:217-239.

43. Alpuim P, Chu V, Conde JP. Amorphous and microcrystalline silicon films grown at low temperatures by radio-frequency and hot-wire chemical vapor deposition. J. Appl. Phys, 1999, 86:3812-3821.

44. Ito M, Koch C, Svrcek V, Schubert MB, Werner JH. Silicon thin film solar cells deposited under 80°C. Thin Solid Films, 2001, 383:129-131.

45. Staebler DL, Wronski CR. Reversible conductivity changes in discharge produced amorphous Si. Appl. Phys. Lett, 1977, 31:292-294.

46. Koch C, Ito M, Svrecek V, Schubert MB, Werner JH. Protocrystalline growth of silicon below 80°C. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 2000, 609:A15.6.

47. Spear WE, LeComber PG. Substitutional doping of amorphous silicon. Solid State Comm, 1975, 17:11931196.

48. Alpuim P, Chu V, Conde JP. Electronic and structural properties of doped amorphous and nanocrystalline silicon deposited at low substrate temperatures by radio-frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition. J. Vac. Sci. Tech, 2003, A21:1048-1054.

49. Ishikawa Y, Schubert MB. Protocrystalline silicon cells deposited at 110°C in nip and pin sequence. Proc. of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference. W Palz, H. Ossenbrink and P. Helm eds., WIP-Renewable Energies, Munich, 2005, p. 15251528.

50. Koh J, Ferlauto AS, Rovira PI, Wronski CR, Collins RW. Evolutionary phase diagrams for plasma-enhanced chemical vapor deposition of silicon thin films from hydrogen-diluted silane. Appl. Phys. Lett, 1999, 75:2286-2288.

Казанский Андрей Георгиевич

д.ф.-м.н, проф., действительный член РАЕН МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет 119991 Москва, Россия kazanski@phys.msu.ru

THIN-FILM SILICON SOLAR CELLS ON FLEXIBLE SUBSTRATES

Kazanskii Andrey G.

Lomonosov Moscow State University, Department of Physics, http://www.phys.msu.ru

119991 Moscow, Russian Federation

kazanski@phys.msu.ru

Advances in the design and creation of thin film solar cells have led to the development of a trend in photovoltaics — photovoltaic of "flexible" solar cells, namely thin-film solar cells formed on flexible substrates. Possibility of changing the form of these solar panels opens up new possibilities for their application, in particular, for energy supply of mobile, portable electronic devices. Such solar cells may be mounted on objects having a complex, not a smooth surface, including clothing. In addition, the relative simplicity of the process of creating such solar cells, low power consumption and low cost of flexible substrates used reduce significantly the cost of their production. Protocrystalline hydrogenated silicon is one of the leading among various semiconductor materials used for creation of "flexible" solar panels. The structure of this material is composed of an amorphous silicon matrix having nanocrystalline inclusions. This paper presents a review of available data on the properties of hydrogenated silicon films, the conditions of protocrystalline hydrogenated silicon production and parameters of flexible solar cells based on this material.

Keywords: solar cells, thin films, amorphous silicon, nanocrystalline silicon, protocrystalline silicon

PACS: 68.55.ag; 72.40.+w; 77.55.df; 88.40.jj

Bibliography - 50 references Received 25.02.2015 RENSIT, 2015, 7(1):15-24_DOI: 10.17725/RENSITe.2015.07.015

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.