Деградационные процессы в тонкопленочных солнечных элементах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Зезин, Денис Анатольевич

• Зезин, Денис Анатольевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Зезин, Денис Анатольевич

Оглавление

Введение

1. Основные типы солнечных элементов второго поколения и их надёжность

1.1. Основные типы солнечных элементов второго поколения

1.2. Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного аморфного кремния

1.3. Деградация поликристаллических тонкоплёночных солнечных элементов

Выводы по главе

Постановка задач исследования

2. Деградация солнечных элементов на основе аморфных полупроводниковых пленок

2.1. Эксперимент и обработка экспериментальных данных

2.2. Предпосылки для построения модели

2.3. Построение модели темновой деградации

2.3. Расчеты

Выводы по главе 2

3. Деградация поликристаллических солнечных элементов

Выводы по главе 3

4. Метод учета деградации солнечных элементов при расчёте их надёжности

4.1. Классификация солнечных батарей по их надёжности

4.2. Оценка продолжительности жизненного цикла солнечной электростанции

Выводы по главе 4

Заключение

Литература

Приложения

Приложение 1. Ежегодная выработка энергии всеми электростанциями мира

Приложение 2. Таблица параметров образцов a-Si:H до начала эксперимента

Приложение 3. Листинги расчётных программ

Листинги к главе 2

Листинги к главе 3

Листинг к главе 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Деградационные процессы в тонкопленочных солнечных элементах»

Введение

Актуальность темы.

Запасы минеральных ресурсов даже самых богатых стран не безграничны, поэтому вопрос создания источников энергии, альтернативных традиционным, весьма актуален. Современной науке известны несколько способов получения энергии с помощью возобновляемых источников, однако только потенциал солнечной энергетики может обеспечить наши текущие потребности в электроэнергии [1].

Солнечная энергетика сегодня вырабатывает примерно в 100 раз меньше чем традиционные источники [2] (см. приложение 1). Тем не менее, рост производства солнечных батарей в последние шесть лет хорошо описывается экспоненциальной зависимостью, в то время как рост традиционной энергетики линеен. Если темпы строительства солнечных электростанций останутся прежними, то уже к 2020 году производство электроэнергии солнечными батареями будет сравнимо с прогнозируемой выработкой традиционных электростанций. Проблема заключается в том, что увеличение мощностей с нуля до современных 90 ГВ потребовало больше 20 лет, при этом капитальные вложения (в пересчёте на один год) можно признать несущественными по сравнению с другими сферами деятельности человека. Иначе выглядит задача за оставшиеся 10 лет построить в 100 раз больше мощностей. Даже с учётом снижающейся стоимости солнечных батарей, к 2020 году суммарно нужно будет вложить около 10 трлн. $. И эта сумма, которую придётся изыскать только для покупки собственно солнечных батарей. С учётом транспортировки, монтажа, и стоимости сопутствующей электротехники придётся потратить в несколько раз больше. Кроме того, солнечные батареи занимают много места. Для строительства придётся выделить площадь примерно равную площади Великобритании (240000 кв. км), покупка земли также увеличит расходы. Очевидно, что такие траты не окажутся фатальными, если их распределить примерно до 2050 года. Тогда возникнет новая проблема: смогут ли те батареи, которые мы установили сейчас доработать до

2050 года без сбоев? Не произойдёт ли так, что достроив к 2050 году необходимое количество мощностей, мы обнаружим, что половина наших солнечных электростанций уже вышла из строя, ведь производители сейчас гарантируют в среднем 20 лет работы, при этом до момента отказа батареи гарантированно потеряют 10-20% мощности.

В этой связи, для дальнейшего развития солнечной энергетики необходимо с одной стороны обеспечить высокую надёжность солнечных батарей, которая позволит увеличить срок службы батареи и снизить затраты на производство солнечной энергии. С другой стороны необходимо внедрять энергоёмкие тонкоплёночные технологии, которые могли бы за сравнительно небольшое время обеспечить масштабное производство для покрытия больших площадей (например, технология roll to roll).

При проектировании солнечной электростанции необходимо не только произвести расчёты её максимальных электротехнических показателей, но и оценить потерю пиковой мощности электростанции, связанную с выходом из строя элементов системы. Поскольку строительство солнечных электростанций (СЭС) началось сравнительно недавно, то стандартных подходов оценки их времени жизни нет. В то же время, ошибки проекта на начальном этапе могут приводить к значительным трудностям, как на стадии строительства, так и эксплуатации станции.

В связи с этим, основная цель работы заключалась в выявлении основных процессов, приводящих к деградации тонкоплёночных солнечных элементов и батарей на их основе, их анализе, объяснении, и построении расчетных моделей, которые бы позволили оценить влияние конструктивно-технологических параметров и условий эксплуатации на деградацию солнечных элементов и длительность жизненного цикла солнечных электростанций.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе анализа собственных и литературных данных выявить основные физические причины деградации тонкоплёночных солнечных элементов и батарей, перспективных для использования в массовом производстве;

2. Выполнить соответствующие расчёты на основе известных и разработанных в рамках данной работы моделей, сравнить их с полученными в работе экспериментальными данными и данными, имеющиеся в литературе;

3. Предложить способ описания деградации, пригодный для оценки жизненного цикла солнечных электростанций уже на стадии их проектирования.

4. На основе результатов работы дать практические рекомендации проектировщикам при расчете жизненного цикла современных солнечных электростанций.

Объекты и методы исследований.

1. Основными объектами исследований являются тонкопленочные солнечные элементы на основе а-8кН и поликристаллические солнечные элементы на основе сате.

2. Основным методом исследования процессов и характеристик солнечных элементов является экспериментальное измерение их электрических характеристик в условиях естественного старения, численное моделирование, расчеты.

3. Основными методами оценки достоверности полученных результатов является сравнение результатов их расчета и измерения в различных условиях, а так же сравнение полученных результатов с результатами, имеющимися в литературе.

Научная новизна.

1. На основе допущения об определяющем влиянии на деградацию СЭ межкристаллитных границ впервые создана модель деградации поликристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Её достоверность подтверждена соответствующими расчетами и известными экспериментальными данными. При этом впервые отмечено, что происходящие при эксплуатации

процессы на границах солнечных элементов могут приводить как к снижению, так и повышению эффективности СЭ.

2. Впервые проведено сравнительное исследование деградации тонкопленочных солнечных элементов на основе a-Si:H, в темноте и на свету для солнечных элементов, изготовленных на гибкой металлической подложке. Результаты исследования позволили отвергнуть, высказанное в ряде работ предположение об определяющем влиянии на темновую деградацию окислительных процессов.

3. На основе полученных автором экспериментальных данных и допущения об определяющем влиянии на темновую деградацию метастабильных дефектов в обедненной области полупроводниковой структуры впервые создана модель деградации солнечных элементов на основе a-Si:H в темноте. Её достоверность подтверждена соответствующими расчетами и поставленными автором экспериментами.

Практическая ценность.

1. Выявлены зависимости электрических параметров солнечных элементов на основе CdTe от состояния границ поликристаллической пленки.

2. Проведены экспериментальные исследования и расчеты темновой деградации солнечных батарей на основе a-Si:H.

3. Разработаны SPICE-библиотеки солнечного элемента с учетом деградационных процессов, исследованных в работе, для моделирования времени безотказной работы солнечных батарей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Модель темновой деградации солнечных элементов на основе аморфного кремния, подтверждённая соответствующими экспериментальными и расчётными результатами.

2. Модель деградационных процессов в поликристаллических материалах.

3. SPICE - модель солнечного элемента с учётом деградации.

Реализация результатов.

Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного тонкопленочным солнечным батареям в курсе "Полупроводниковые нетрадиционные источники энергии", читаемого в НИУ МЭИ специалистам по направлению 210100 (550700). Апробация работы.

Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного тонкопленочным солнечным батареям в курсе "Полупроводниковые нетрадиционные источники энергии", читаемого в НИУ МЭИ специалистам по направлению 210100 (550700).

Результаты диссертации изложены в 8 работах (в том числе 3 из списка изданий, рекомендуемых ВАК), которые приведены в списке работ автора, опубликованных по теме диссертации, а также докладывались и обсуждались на перечисленных ниже конференциях и семинарах:

1. Международные научно-методические семинары "Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" МНТОРЭС им. A.C. Попова в 2011 и 2012 гг.

2. XV, XVIII и XIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Секция "Полупроводниковая электроника", Москва, МЭИ, 2011 и 2013 г.

3. II всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы», Рязань, 2009

4. VIII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». Научно-образовательный центр нанотехнологий РАН, Санкт-Петербург, 2012.

5. Всероссийская межвузовская конференция молодых учёных, студентов и аспирантов НИУ МИЭТ, 2013

Личный вклад автора.

Автору принадлежат идеи по постановке основных экспериментов и их реализация, включающая конструирование и создание измерительных установок, подготовку образцов к измерениям, сами измерения. Автору принадлежат так же

основные идеи, положенные в основу предложенных в работе моделей численной оценки эксплуатационных потерь наземных солнечных электростанций как на стадии их проектирования, так и эксплуатации. Автором разработаны модели деградации тонкоплёночных солнечных батарей на основе а-БкН и СсГГе, которые могут быть использованы при инженерном проектировании солнечных электростанций. Им же предложено осуществлять классификацию солнечных батарей не только по их электрическим характеристикам, но и группам надежности с использованием статистического описания деградационных отказов в каждой из групп. Также автором составлены программы по автоматизации измерений и обработке их результатов.

1. Основные типы солнечных элементов второго поколения и их

надёжность

1.1. Основные типы солнечных элементов второго поколения

Изучение вопросов, связанных с влиянием солнечного света на твёрдые тела, привело Эдмона Беккереля к открытию в 1839 году фотогальванического эффекта. Понадобилось почти 45 лет, чтобы был создан первый фотоэлемент на селене с КПД всего 1% (1883 г., Нью-Йорк, Чарльз Фритте) и ещё 70 лет ушло на создание первого кремниевого фотоэлектрического преобразователя с КПД 4% (1953 г., «Bell Laboratories», Джеральд Персон). Солнечные элементы сегодня -это сложные полупроводниковые приборы, КПД которых варьируется от 5 до 44% (см. Приложение 1), а единственным, что роднит их с первенцами индустрии солнечной энергетики, являются базовые принципы генерирования электрического тока (рис. 1.1).

В (А

Движение электронов ^у^ПроВодник

и L

Контакт

-rOjb

а.

Направление тона

3L

t & С

I

Ш.

Ж

о

Рис. 1.1. Генерирование электрического тока солнечным элементом (элемент дан в

разрезе) [4]:

а) - фотоны А и В образовали электронно-дырочные пары аа' и ЬЪ'. Электрон с и дырка с', образованные предыдущим фотоном, движутся к контактам солнечного элемента. Электроны ¿/, е,/, g, перемещаются по внешней цепи, образуя электрический ток;

б) — дырка, образованная фотоном А, прошла через переход и направляется к положительному контакту. Электрон, образованный фотоном В, также прошёл через переход и движется к отрицательному контакту. Электрон с перешёл из полупроводника в проводник. Электрон g перешёл в полупроводник и прорекомбинировал с дыркой с'

К СЭ «второго поколения» относят тонкоплёночные преобразователи на основе:

• гидрогенезированного аморфного кремния (а-БкН),

• микро- и нано-кремния (шс-81/пс-81, ис-81)

• теллурида кадмия (Сс1Те),

• (ди)селенида меди-(индия-)галлия (С1(С)8).

Исторически первыми появились СЭ на основе аморфного гидрогенезированного кремния. Этот класс СЭ первым перешёл к использованию тандемных солнечных элементов (рис. 1.2). В данном случае примеси германия позволяют изменять ширину запрещённой зоны аморфного кремния, условно разделяя спектр на красный, синий и зелёный участки, каждый из которых преобразуется наиболее эффективно отдельным слоем.

па

ITO

р

a-Si:H

п

Р

a-SiGe:H

п

Р

a-SiGe:H

п

BR

Stainless Steel

Рис. 1.2. Пример структуры современного трёхкаскадного СЭ на основе аморфного

гидрогенезированного кремния

База технологии производства СЭ второго поколения на основе аморфного кремния - осаждение тонкой плёнки из плазмы, содержащей силан. Конкретные технологии отличаются только способом возбуждения плазмы. Если силан не

содержит примесей водорода, то получится плёнка аморфного гидрогенезированного кремния. Если в рабочую камеру вводить дополнительно к силану водород, то получится смесь аморфной фазы и поликремния [3].

Основным недостатком батарей этого типа является Эффект Стеблера -Вронского: СЭ теряет значительную часть начального КПД под действием света (см. параграф 1.3 данной диссертации). Тем не менее, из всех СЭ второго поколения, батареи на основе аморфного кремния показывают самый высокий КПД (до стабилизации) и их стоимость производства самая низкая.

Микро - и нано-кремний стали логическим продолжением развития поликремния. Структура прибора на основе этих новых материалов приведена на рис. 1.3. Поликремний осаждается непосредственно на подложку из стекла обычно методом газофазной эпитаксии. Верхний слой (отмечен красным на рис. 1.3) дополнительно перекристаллизовывают с помощью мощного лазерного импульса, который повторяется с частотой до 100 кГц [5]. Смысл подобных операций заключается в контроле размера кристаллитов в тонких плёнках, уже осаждённых на стеклянную подложку. Исследователи указывают, что при уменьшении размеров кристаллитов КПД СЭ падает [6-8]. Так, например, для кристаллитов размером около 100 мкм были получены СЭ с КПД 16%, в то время как кристаллиты размером около 1 мкм понижали КПД СЭ до 5%. Подобный эффект объяснялся наличием большего числа границ кристаллитов в объёме материала при малых размерах кристаллитов.

/

Рис. 1.3. Пример структура СЭ второго поколения на основе микрокремния [9]

Микрокремний на сегодняшний день не нашёл широкого распространения, поскольку КПД СЭ на основе этого материала не сильно отличается от аналогичных СЭ на основе обычного поликремния, в то время как стоимость производства микрокремния, даже при отсутствии операций резки, существенно выше.

Иследования по нанокремнию пока далеки от завершения. Из работ [10-14] известно, что при некотором характерном размере кристаллитов КПД начинает снова расти. Так, например, были получены СЭ на основе нанокремния, у которого размер кристаллитов был около 10 нм, при этом КПД таких СЭ достигал 10%. Причина этого феномена до сих пор не ясна. Очевидно, что активность нанометровых кристаллитов как рекомбинационных центров должна быть сама по себе низкой или быть пасивированна некими сторонними факторами. В работах [10-14] выдвинуты разные предположения о возможном роли водорода как пасиватора межкристаллитных границ кислорода как компонента комплекса 8Юг (который может играть роль эффективного рекомбинационного центра) и т.д.

Нанокремний, возможно, станет заменой традиционному поликремнию, однако до разработки необходимой научной базы это маловероятно.

Теллурид кадмия рассматривается как материал, который потенциально может заменить кремний благодаря подходящей ширине запрещенной зоны (1.45 эВ подходит для поглощения большей части солнечного спектра) и высокому коэффициенту поглощения в области видимого света (>105 см"1, что позволяет делать слои всего в несколько микрон для поглощения >90% падающего излучения) [15].

Структура СЭ на основе CdTe представлена на рис. 1.4.

Contact-pads

^-Back-contact

_p-CdTe (3-5 Jim)

_n-CdS (0.1 цш)

— TCO

— Substrate (glass) Light-incidence

Рис. 1.4. Пример структуры СЭ на основе CdTe [15]

Особенность данной технологии заключается в том, что CdTe имеет тенденцию к проводимости р-типа. Для удешевления производства и упрощения техпроцесса велись поиски схожего по свойствам, но имеющего тенденцию к проводимости n-типа материала. Идеальным вспомогательным материалом оказался CdS.

СЭ на основе CdTe эффективны и недороги, в то же время соединение кадмия с теллуром инертно, в отличие от чистого кадмия, который является токсином. Однако p-CdTe обладает высоким сопротивлением, поэтому предложено использовать p-i-n-структуру, заменив слой p-CdTe гетеропереходом CdTe (i-слой) / ZnTe (р-слой) [16].

Производство СЭ на основе (ди)селенида меди-(индия-)галлия сопряжено с ростом большого количества слоев из разных материалов. Классическая структура СЭ второго поколения на основе CuInGaSe представлен на рис. 1.5.

0.05/3 pnr> 0.1 pm

Ni/Al MgF2

0.12 (im ZnO:AI

0.1 цт i-ZnO

-0.7 рт CdS

1.5-2 рт CulnGaSe,

0.7-0.8 рт Mo

Soda Lime Glass. Stainless Steel or Polyimide Foil Substrate

^ iLLl ZnO

CIGS

Mo iiewffi^telñ ШШШШ %'л % 'íu : »

2 pni

Рис. 1.5. Пример структуры СЭ на основе CulnGaSe [16]

Используются следующие рабочие слои:

• Soda Lime Glass — это дешёвое и ровное силикатное стекло,

• Мо образует слой MoSe2, который является хорошим омическим контактом,

• ZnO/ZnO:Al - двойной слой, который с одной стороны обеспечивает существование собственно р-п-перехода, с другой - пассивирует поверхность CulnGaSe. ZnO защищает СЭ от внешних повреждений, ZnO:Al выполняет роль прозрачного проводящего оксида.

• Напыление слоя ZnO/ZnO:Al непосредственно на CulnGaSe создаёт большое количество дефектов на границе этих слоев, однако если добавить между этими слоями CdS (т.н. «буферный» слой), то проблема будет решена.

Главное достоинство СЭ на основе CulnGaSe самый высокий коэффициент поглощения в видимой части спектра среди всех прочих материалов для СЭ, прямозонность полупроводника и, как следствие, высокий КПД при использовании тонкоплёночной технологии. СЭ на основе CulnGaSe по показателю КПД вплотную подобрались к эталонным СЭ на основе монокремния.

К недостаткам СЭ на основе CulnGaSe можно отнести большое количество разнообразных материалов, использующихся при производстве. Среди них присутствует Cd, опасный токсин, а также очень редкий и дорогой In.

В этой связи предложено перейти на составы на основе меди, олова, цинка, селена и серы (CTZSS). Такие составы относят уже к третьему поколению СЭ.

1.2. Деградации солнечных элементов на основе гидрогенезированного

аморфного кремния

Эффект деградации под действием света характерен для всех СЭ первого поколения, однако для солнечных батарей второго поколения на основе а-БШ подобный механизм деградации на сегодняшний день представляется главным.

Одна из наиболее полных статей, посвященных обзору современных представлений об эффекте Стеблера - Вронского, послужила основой для этого параграфа [17]. Первые упоминания о взаимосвязи деградации данного материала с падающим на него светом были опубликованы в статье [18]. Фамилии авторов дали название эффекту, поэтому сегодня, имея в виду деградацию СЭ на основе а-БШ под действием света, говорят об эффекте Стеблера - Вронского. Суть эффекта заключается в том, что темновая проводимость и фотопроводимость слоя тонкоплёночного аморфного кремния, полученного методом осаждения из плазмы тлеющего разряда, существенно снижаются, если образец подвергался длительному воздействию света.

-г

Рис. 1.6. Проводимость как функция времени до, во время, и после засветки (200 Вт/см2,

600-900 нм) [18]

В статье [18] было обнаружено, что процесс уменьшения проводимости является обратимым: при продолжительном отжиге (>150°С) проводимость образца можно было восстановить практически полностью.

На ранних стадиях развития теории эффекта Стеблера - Вронского было высказано предположение, что причиной подобного явления являлись слабые связи Si-Si: фотоиндуцированные носители заряда в конечном итоге рекомбинировали, выделившейся энергии оказывалось достаточно, чтобы разрушить эти слабые связи, атом водорода пассивировал связь одного из атомов, но связь второго атома оказывалась оборванной. Как следствие повышалось количество дефектов, и уровень Ферми смещался ближе к центру запрещённой зоны, проводимость материала уменьшалась [19].

В последующих работах [20], [21] было показано, что основными факторами, определяющими деградацию, вызванную светом, могут быть разупорядоченность решётки a-Si:H, поведение комплексов на основе водорода, поведение примесей прочих веществ.

В работе [22] приведены результаты экспериментов с образцами очень высокой чистоты. Только при концентрациях примеси кислорода свыше 1018 см"3 наблюдалась слабая корреляция концентрации кислорода с темпом деградации. Начиная с этой работы, все последующие исследователи занимались главным образов изучением энергетических состояний водорода и комплексов на его основе в аморфном кремнии. Также изучению процессов образования дефектов было посвящено значительное количество статей. Например, в работе [19] было показано, что концентрация дефектов Nd зависит от интенсивности освещения G и времени t следующим образом:

Nd(t)=constG2/3tl/3

для случая, когда много больше равновесной концентрации дефектов. Подобное предположение в целом объясняет сложности, возникшие у

экспериментаторов при попытке найти взаимосвязь между би В работе [23] была предпринята попытка описать кинетику зарождения дефектов с помощью экспоненты, которая выходит на насыщение при концентрациях дефектов между 5*1016 см-3 и 2*1017 см-3. В работе [24] было высказано предположение, что величина концентрации дефектов в области насыщения ограничивается естественным отжигом при температурах выше 80°С, а при меньших температурах был предложен механизм «светового восстановления», который по сути являлся тем же отжигом, но с комбинированным воздействием тепла и света.

До 2000 года считалось, что эффект Стеблера - Вронского, в целом, понят и осталось разобраться только с механизмами транспорта водорода в толще а-81:Н [19], но последние исследования ставят всё новые вопросы. Так было показано [17], что:

• связь концентрации водорода с темпом деградации не очевидна,

• эффект Стеблера - Вронского наблюдается даже при температуре 4,2К, при этом темп деградации мало отличается от аналогичного при 300К

• концентрация и тип дефектов, образованных светом, зависит, в том числе, и от условий облучения,

• облучение образцов а-вкН вызывает не только образование дефектов, но и является причиной серьёзных структурных изменений в материале.

Так, например, в работе [25] был продемонстрирован способ восстановление величин РБ светом, интенсивность которого меньше, чем интенсивность первоначального источника света.

0.66 0.62

о

£0.58

IE

0.54 0.50

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Time (min)

Рис. 1.7. Снижение FF при засветке интенсивностью в 1 солнце и световое восстановление после деградации под светом интенсивностью в 10 солнц [25]

На рис. 1.7 показано, что при засветке образца светом, интенсивностью в «одно солнце» (примерно 0.1 Вт/см2) FF снизился с 0.67 до 0.58. Засветка таким же светом образца, который изначально был деградирован в результате освещения интенсивностью в 10 солнц, восстановила FF с 0.52 до 0.58. Аналогичные результаты были получены для произведения цптт в то время как подобная корреляция дл концентрации дефектов не была обнаружена.

На рис. 1.8 представлена зависимость относительного увеличения объёма образца (левая шкала) и дефектов, образованных светом (правая шкала) от времени засветки (0.3 Вт/см) [26]. Было подсчитано, что относительное изменение объёма образца на один дефект равно числу 3x10 , что во много раз превышает размер молекулы кремния.

_ 1 т-1-1-1-1--I---1-1-1-

Ik к А 1 sun 50°С degradation :

А • 1 sun 50°С recovery from "

10 sun 50°C

А -

-А . * А AAA A A - ----

l.i.i.i.i.

2 3 4 5 Light soaking time (h)

Рис. 1.8. Изменение объёма образца и концентрации дефектов, вызванные светом, как функция времени засветки при неизменной температуре ЗООК [26]

В работах [24,27-29], было показано, что возможно значительно уменьшить влияние эффекта Стеблера - Вронского на солнечную батарею данного типа при добавлении чистого водорода к силану во время напыления технологических слоёв. При этом если концентрация водорода в силане превышает некоторую пороговую величину, вместо аморфного кремния получается кремний микрокристаллический. Переход от микрокристаллической фазы к фазе аморфной зависит не только от концентрации примеси водорода в силане Я = [НгУ^НЦ], но и толщины получаемой плёнки (рис. 1.9). Соотношение аморфная фаза/микрокристаллическая фаза зависит также и от других технологических параметров, таких как материал подложки и её температура, скорости нанесения плёнки, рабочая частота магнетрона.

^10000 •<

X 00

is 1000 о

(О

со Ф

с

О 100

SZ СО

10

10 20 30 40 60 80

Hydrogen dilution R = (H2)/(SiH4)

Рис. 1.9. Соотношение микрокристаллической и аморфной фазы в плёнке a-Si:H в зависимости от концентрации примеси водорода в силане и толщины плёнки [30]

1.3. Деградация поликристаллических тонкоплёночных солнечных

элементов

Специфика деградации солнечных батарей на основе CdTe сводиться к следующим фактам [31, 34 - 35]:

• минимальные различия в технологии приводят к серьёзным различиям в характеристиках образцов: даже в одной промышленной партии можно обнаружить образцы с большим разбросом параметров солнечной батареи;

• отмечается существование исключительно стабильных образцов, не подверженных старению, кроме того, некоторые образцы даже демонстрировали увеличение КПД со временем;

• темп деградации солнечных батарей, наблюдаемый в режиме холостого хода, выше, чем в режиме оптимальной нагрузки и короткого замыкания;

• темп деградации увеличивается при росте температуры;

• по мере деградации дефектность решетки повышается.

Single phase мс

(а + рс)/рс

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зезин, Денис Анатольевич, 2014 год

Литература

1. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Edited by Antonio Luque. N. Y.: John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester,West Sussex P019 8SQ, England. 2003. p. 205 - 700.

2. BP Statistical Review of World Energy. 2013. URL: http://www.bp.com/en/global/coфorate/about-bp/energy-econornics/statistical-review-of-world-energy-2013 .html

3. Безмен В.П. Получение и исследование пленок гидрогенезированного аморфного кремния и многослойных структур на их основе: Дис. канд. техн. наук. М., 1986.

4. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных элементов: Пер. с англ.-М.: Энергоатомиздат, 1983.

5. Grain populations in laser-crystallised silicon thin films on glass substrates / R. Dassow, J.R. Kohler, M. Grauvogl et al. // Solid State Phenom. № 67-68, 1999. P. 193.

6. Werner J.H. Perspectives of Crystalline Silicon Thin Film Solar Cells // Technical Digest of 13th Sunshine Workshop on Thin Film Solar Cells, NEDO, Tokyo, 2000. P. 41.

7. Growth of polycrystalline silicon on glass by selective laser-induced nucleation / D. Toet, B. Koopmans, P. V. Santos, // Appl. Phys. Lett. №69, 3719 1996. P. 187.

8. Large-grained polycrystalline silicon on glass by copper vapor laser annealing / Bergmann R.B et al. // Thin Solid Films, Volume 337, Issues 1-2, 11 January 1999. P. 129-132.

9. Thin film poly-Si solar cell with "Star Structure" on glass substrate fabricated at low temperature / Yamamoto K., Yoshimi M., Suzuki T. et al. // Conf. Record 26th. IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anaheim, IEEE Press, Piscataway. P. 575-580.

10.Device grade microcrystalline silicon owing to reduced oxygen contamination / H. Keppner, J. Meier, P. Torres et al. //Appl. Phys. Lett. 69,1373,1996.

11.Hydrogenated Microcrystalline Silicon for Photovoltaic Applications / N. Wyrsch, P. Torres, M. Goerlitzer et al.// Solid State Phenom., 67-68,1999. P. 89.

12.Thin-film poly-Si solar cells on glass substrate fabricated at low temperature / K. Yamamoto, M. Yoshimi, Y. Tawada et al. Appl. Phys. A. 69 1999. P. 179.

13.High-quality polyciystalline silicon thin film prepared by a solid phase crystallization method / T. Matsuyama, N. Terada, T. Baba // J. Non-Cryst. Solids, 198200,1996. P. 940.

14.0utdoor performance of triple stacked a-Si photovoltaic module in various geographical locations and climates / K. Saito, M. Sano, K. Matzuda, et al. // Techn. Digest, 11th Int. Photovoltaic Science and Engineering Conf, Tanaka Printing, Kyoto, 1999. P. 229.

15.Cadmium-telluride—Material for thin film solar cells / D. Bonnet et al. // J. Mater. Res., Vol. 13, No. 10, Oct 1998.

16.High efficiency, magnetron sputtered CdS/CdTe solar cells / A. Compaan et al. // Solar Energy Volume 77, Issue 6, December 2004. P. 815-822.

17.Kolodziej A. Staebler-Wronski effect in amorphous silicon and its alloys // Opto-Electron. Rev., 12, no. 1,2004.

18.Staebler D.L., Wronski C.R. Reversible conductivity changes in discharge-

produced amorphous Si // Appl. Phys. Lett. 31, 1977. P. 292-294. 19.Stutzmann M. Metastability in amorphous and microcrystalline semiconductors // Amorphous and Microcrystalline Semiconductor Devices: Materials and Device Physics, edited by J. Kanicki, MA: Artech House, Norwood, 1992. P. 129-187.

20. Winer K. Defect formation in a-Si:H // Phys. Rev. B41,1990. P. 12150-12161.

21. Street R.A. Hydrogenated Amorphous Silicon. Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 1991.

22.Deposition and extensive light soaking of highly pure hydrogenated amorphous silicon / T. Kamei, N. Hata, A. Matsuda, T. Uchimya et al. // Appl. Phys. Lett. 68, 1996. P. 2380-2382.

23 .Fan J., Kakalios J. Light-induced changes of the non-Gaussian 1/f noise statistics in doped hydrogenated amorphous silicon // Phil. Mag. B69, 1994. P. 595-608.

24.Kolodziej A., Krewniak P., Nowak S. Technology of the thin silicon solar cells // Report for the State Committee for Scientific Research on realization of the Goal Orientated Research, Project No. PBZ KBN 05/T11/98, AGH, Krakow, 2003.

25.Light induced defect creation kinetics in thin film protocrystalline silicon materials and their solar cells / R. Wronski, J.M. Pearce, R.J. Koval et al. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 715, 2002. P. A.13.4.1-A.13.4.12.

26.Photoinduced expansion in hydrogenated amorphous silicon / S. Nonomura, T. Gotoh, M. Nishio et al. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 557,1999. P. 337-345.

27.Kolodziej A., Krewniak P., Nowak S. Improvements in silicon thin film solar cell efficiency // Opto-Electron. Rev. 11, 2003. P. 71-79.

28.Street R.A., Guha S. Technology and Applications of Amorphous Silicon. Berlin: Springer, 2000. P. 1-100, 252-305.

29.Application of deposition phase diagrams for the optimisation of a-Si:H-based materials and solar cells / R.W. Collins, A.S. Ferlauto, G.M. Ferreira, et al. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 762,2003. P. А10.1Л-А10Л.12.

30.Kolodziej A., Krewniak P., Nowak S. Influence of ZnO/p+a-Si:H microciystallisation and antireflection coatings on pin a-Si:H solar cells performance // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 715,2002. P. A6.7.1-A6.7.6.

31.Karpov V.G. Physics of CdTe Photovoltaics from Front to Back // Invited talk F10.1, MRS Spring Meeting, March 28 - April 1, San Francisco, CA. 2005.

32.Воронков Э.Н. Неравновесные процессы в тонких пленках полупроводников с неупорядоченной структурой: Автореф. дисс. д-ра физ. -мат. наук. -М., 1992. - 42 с.

33.Воронков Э.Н. Исследование конденсированных слоев теллурида кадмия и разработка пленочных фотодиодов и фоторезисторов на их основе: Дисс. канд. физ. -мат. наук. -М., 1967. - 139 с.

34.Shvydka D., Rakotoniaina J.P., Breitenstein О. Lock-in thermography and nonuniformity modeling of thin-film CdTe solar cells // Appl. Phys. Lett. 84, 729, 2004.

35.Sites J. R., Nagle T. J. Cu-related recombination in CdS/CdTe solar cells // Proc. 31th IEEE, PVSC, Orlando, Florida January 3-7, 2005.

36.McMahon T. J., Berniard T. J., Albin D. S. Nonlinear shunt paths in thin-film CdTe solar cells // J. Appl. Phys., 97, 054503,2005.

37.Karpov V. G., Shvydka D., Roussillon Y. E2 phase transition: Thin-film breakdown and Schottky-barrier suppression // Phys. Rev. В 70,155332,2004.

38.Karpov V.G., Shvydka D., Roussillon Y. // 31th IEEE, PVSC, Orlando, Florida, 2005.

39.Albin D.S.. Accelerated Stress Testing and Diagnostic Analysis of Degradation in CdTe Solar Cells // SPIE Optics+Photonics Meeting Reliability of Photovoltaic Cells, Modules, Components and Systems San Diego, California August 10-14, 2008

40.Надёжность технических систем: Справочник / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырёв, В.В. Болотин и др.; Под ред. И. А. Ушакова. - М.: Радио и связь, 1985.-608 с.

41.Основы теории и расчета надежности изделий электронной техники: учебное пособие по курсу "Надежность, стандартизация и сертификация в микроэлектронике" по направлению "Электроника и микроэлектроника" / Е. В. Зенова, Моск. энерг. ин-т (МЭИ ТУ). - М.: Изд-во МЭИ, 2005 . - 68 с. -ISBN 5-7046-1284-9.

42.Учебное пособие по курсу "Полупроводниковые и микроэлектронные приборы": Надежность полупроводниковых приборов и микросхем / Э. Н. Воронков, Моск. энерг. ин-т (МЭИ); Ред. К. В. Шалимова. - 1986 . - 47 с.

43.Kapur К.С., Lamberson L.R.. Reliability in Engineering Design. N. Y.: John Wiley & Sons, 1977.

44.Redfield D., Bube R.H. Photoinduced defects in semiconductors. N. Y.: Cambridge University Press, 2006.

45.Stutzmann M.. Metastability in amorphous and microciystalline semiconductors, in Amorphous and Microcrystalline Semiconductor Devices: Materials and

Device Physics, edited by J. Kanicki. MA: Artech House, Norwood, 1992. P. 129-187.

46.Безмен В.П., Воронков Э.Н., Филиков B.A., Моделирование процессов осаждения плёнок a-Si:H. В кн. Межвузовский сб. трудов №61. М. Моск. энерг. ин-т, 1985, с. 66-70.

47.3езин Д.А., Латохин Д.В. Оценка некоторых факторов, влияющих на деградацию солнечных элементов на основе a-Si:H // Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сборник трудов VIII Международной конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2012. - 452 с.

48.Degradation behavior of hydrogenated amorphous/microcrystalline silicone tandem solar cells / Wang Z., et al. // Physica Status Solidi (a) Vol 210, № 6, June 2013. P.1137-1142.

49.Stability of amorphous/crystalline silicon heterojunctions / Bowden S., et al. // 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference 2008.

50.Metastability of Amorphous Silicon / Jeffrey Yang & Subhendu Guha // PV Module Reliability Workshop. Golden, CO. Februaiy 19,2010.

51.Shimizu T. Staebler-Wronski Effect in Hydrogenated Amorphous Silicon and Related Alloy Films // Japanese Journal of Applied Physics, Volume: 43, Issue: No. 6A, 2004. P. 3257 - 3268.

52.Redfield D., Bube R.H. Reinterpretation kinetics of amorphous silicon // App; Phys. Lett. 54 (11), 13 March 1989. P 1037 -1039.

53.Redfield D., Bube R.H. Identification of Defects in Amorphous Silicon // Physical Review Letters Vol. 65, № 4, 1990, p.464 - 467.

54. Исследование световой деградации тандемных alpha - Si: Н/ mu c-Si: H солнечных фотопреобразователей / B.M. Емельянов и др // Физика и техника полупроводников, 2013, том 47, вып. 5.

55.Chadi D. J., Chang К. Metastability of the Isolated Arsenic-Antisite Defect in GaAs II Phys. Rev. Lett. 60,2187, 1988.

56.Chadi D. J., Chang K. Self-compensation through a large lattice relaxation in p-type ZnSe // Appl. Phys. Lett. 55, 575, 1989.

57.Chadi D. J., Chang K. Energetics of DX-center formation in GaAs and AlxGal-xAs alloys И Phys. Rev. В 39, 10063, 1989.

58.Chadi, D. J. Zhang S. Atomic structure of DX centers: Theory // Electron. Mater. 20, 55,1991.

59.Critical oxygen concentration in hydrogenated amorphous silicon solar cells dependent on the contamination source / J. Woerdenweber, T. Merdzhanova, H.t Stiebig et al. // Applied Physics Letters 96, 2010

60.Hibberd B. PV Reliability and Performance. A Project Developer's Experience // PV Module Reliability Workshop, 2011.

61. Electrical PV array reconfiguration strategy for energy extraction improvement in grid connected PV systems / G. Velasco-Quesada, F. Guinjoan-Gispert, R. Pique-Lopez et al. // IEEE T. on Industrial Electronics, 2009.

62.Нозик A.A., Можаев A.C. Расчет надежности, безопасности и риска при проектировании и эксплуатации технических систем. // Информационный бюллетень "Теплоэнергоэффективные технологии" №3/4(48/49), 2007. С. 35-43.

63.Хенли Э. Дж, Кумамото X. Надежность технических систем и оценка риска. //М.: Машиностроение, 1984. 528 с.

64.Райншке К. Модели надежности и чувствительности систем.// М. Мир. 1979. 452 с.

65.Воронков Э.Н. Надежность полупроводниковых приборов и микросхем. // М.: Изд. МЭИ, 1986.

бб.Зенова Е.В. Основы теории и расчета надежности изделий электронной техники. // М.: Изд. МЭИ. 2005.

67.Laronde R., Charki A., Bigaud D. Lifetime estimation of a photovoltaic module based on temperature measurement // Proceedings of2nd IMEKO TC 11 International Symposium Metrological infrastructure , environmental and energy

measurements IMEKO-MI2011, June 15-17, Cavtat, Dubrovnik Riviera,Croatia. P. 17-24.

68.Чирков В.Г. Влияние технологических условий на электрофизические свойства полупроводниковых пленок для каскадных фотоэлектрических преобразователей: Автореф. дисс. канд. техн. наук.-М., 1992. - 18 с.

69. Solar cell efficiency tables / A. M. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta and E. D. Dunlop // Prog. Photovolt: Res. Appl. №. 20, 2012. P. 606-614.

70.Dunlop E. D. Lifetime performance of Crystalline Silicon PV Modules // Proc. 3rd World Conferencion Photovoltaic Energy. Volume C, Osaka, Japanl8-18 May 2003 p. 2927 - 2930 Vol.3. P. 2927 - 2930.

71.Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: КомКнига, 2006. 206с.

72.Berk W.I., Luft W.. Photovoltaic Solar Arrays for Communication Satellites. Proceedings of the IEEE.Vol.59, № 2,1971. P. 263 -271.

73. Dopant segregation in polycrystalline silicon / Mandurah M. M., Saraswat К. C., Helms C. R. and Kamins Т. I. // J. Appl. Phys.V.51, Nol 1, 1980. P. 5755.

74. Кубо P. Статистическая механика: Пер. с англ. - М.: Мир, 1967. 152 с.

75 .Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и

применение. Под ред. Г. Харбеке. М. Мир. 1989. 344с. 76.Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. М. Радио и связь. 1982. 77.Электронные процессы на поверхности полупроводников. Ржанов А.В., монография, изд. «Наука», Главная редакция физико-математической литератры, 1971, стр. 480. 78.1nterface engineering of chalcogenide semiconductors in thin film solar cells: CdTe as an example / J. Fritsche, D. Kraft, A. Thissen et al. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 668, 2001. P.601-611. 79.Desnica U.V., Desnica-Frankovic I.D., Magerle R., Burchard A. & Deicher M. Experimental evidence of the self-compensation mechanism in CdS, J. Crystal Growth, 197,1999. P 612-615. 80.Sze S. Physics of Semiconductor Devices, 2nd ed. N. Y.: Wiley. 1981.

81. Gartner W.W. Depletion-layer photoeffects in semiconductors, Phys. Rev. 116, 1959. P. 84-87.

82.Lavagna M., Pique J. P., Marfaing, Y. Theoretical analysis of the quantum photoelectric yield in Schotky diodes, Solid State Electronics, 20, 1977. P. 235240.

83.Optical constants of Znl-xCdxTe Ternary alloys: Experiment and Modeling / T. Toshifumi, S. Adachi, H. Nakanishi, M. K. Ohtsuka // Jpn. Appl. Phys. 32, 1993. P.3496-3501.

84.Surface barrier p-CdTe-based photodiodes / L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, Y. F. Sklyarchuk, K.S. Ulyanitsky // Semicond. Sci. Technol., 14, 1999. P. 373-377.

85.Коновалов A.B. Разработка методов получения фоточувствительных полупроводниковых слоев на основе соединений А2В6 для тандемных солнечных элементов: Дис. канд. техн. наук. М., 2013.

86.Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применения : пер. с англ. / А. Бурре, и др.; Ред. Г. Харбеке . - М.: Мир, 1989 . - 344 с.

87.Kosyachenko L., Toyama Т. Current-voltage characteristics and quantum efficiency spectra of efficient thin-film CdS/CdTe solar cells / Solar Energy Materials & SolarCells 120, 2014. P.512-520.