Разработка методов получения фоточувствительных полупроводниковых слоев на основе соединений A2B6 для тандемных солнечных элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Коновалов, Александр Владимирович

• Коновалов, Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Коновалов, Александр Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИМЕНЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОБРАЗОВАТЕЛЯХ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Основные поколения солнечных элементов

1.2. Многокаскадные тонкопленочные солнечные элементы

1.2. Оптическое согласование каскадов

1.3. Электрическое согласование каскадов

1.5. Солнечные элементы, очувствленные наночастицами

1.6. Особенности электронных процессов в поликристаллических полупроводниках

1.9. Постановка задач исследования

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Общая характеристика технологического процесса и установок

2.2. Образцы

2.3. Измерение темновых и световых вольтамперных характеристик образцов

37

2.4. Установка для измерения спектральных характеристик фотопроводимости

41

Выводы по главе 2

3. ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК СОЕДИНЕНИЙ А2В6

48

3.1. Особенности выбранного технологического процесса и свойства получаемых с его помощью полупроводниковых слоев

3.1.1. Получение пленок СсГГе

3.1.2. Получение пленок ¿пТе

3.1.3. Получение пленок Сё8

3.1.4. Получение пленок Сс18е

3.1.5. Получение пленок 1п2Те3

Выводы по главе 3

4. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОСАЖДЕНЯ НА СОСТАВ ПЛЕНОК

4.1. Выбор режимов, обеспечивающих гомогенный состав полупроводниковых пленок при их конденсации

4.1.1. Определение критических температур конденсации

4.1.2. Анализ влияния температуры подложки на скорость роста пленки

4.2. Анализ влияния температуры испарения компонентов и температуры подложки на состав и скорость конденсации пленок

Выводы по главе 4

5. ВЛИЯНИЕ МЕЖКРИСТАЛЛИТНЫХ БАРЬЕРОВ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК

5.1. Электронный транспорт в поликристаллических пленках

5.3. Влияние собственных дефектов на тип проводимости пленок СсГГе, полученных вакуумной конденсацией

5.4. Контроль качества полупроводниковых пленок с неупорядоченной структурой по оптическому поглощению в области края собственного поглощения

Выводы по главе 5

6. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАНДЕМНОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА

6.1. Основные требования к конструкции и технологии тандемных солнечных элементов

6.2.Выбор материалов для тандемного солнечного элемента

6.3. Расчет энергетических диаграмм солнечных элементов на основе гетеропереходов

6.4. Выбор конструкции и оценка параметров фронтального элемента

6.5. Рекомендованный вариант конструкции тандемного СЭ 110 6.6 Согласование электрических характеристик каскадов тандемного СЭ 111 Выводы по главе 6

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 117 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Основные параметры полупроводниковых соединений, рассматриваемых в работе

2. Листинги

3. Кривые оптического поглощения слоев ITO и CdS

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов получения фоточувствительных полупроводниковых слоев на основе соединений A2B6 для тандемных солнечных элементов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Развитие современной цивилизации сопровождается постоянным увеличением энергопотребления. Рост народонаселения способствует ускорению этого процесса, а сокращение запасов традиционных энергоносителей и загрязнение окружающей среды, связанное с деятельностью человека, способствует постоянному возрастанию стоимости производства энергии. По существующим прогнозам мировой спрос на энергию к 2050 году должен увеличиться более чем в два раза, и более чем в три раза к концу века [1-9]. Это делает одной из важнейших задач проблему поиска достаточных запасов чистой энергии, которые бы позволили не снижать темп развития цивилизации. Одним из решений является преобразование в электричество энергии солнечного излучения. Действительно, за один час на Землю падает примерно 4,3 х Ю" Дж солнечной энергии [9], что примерно соответствует всей потребляемой на планете энергии в течение одного года. Вместе с тем, доля получаемой таким образом электроэнергии в настоящее время не превышает 1% электроэнергии, потребляемой в мире. Основная причина - в высокой стоимость преобразователей солнечной энергии и их сравнительно низкой эффективности [2]. Вместе с тем, в этой области существует вполне определенный прогресс, обусловленный постоянным ростом стоимости электроэнергии. В настоящее время количество солнечных панелей ежегодно производимых в мире приближается к 10 ГВт установочной мощности [3], и их производство ежегодно возрастает примерно на 30%. Резко ускорить процесс внедрения солнечного электричества для использования в промышленности и в быту возможно только при значительном снижении стоимости его генерации. Так, для того, чтобы солнечная энергия стала конкурентоспособной с электроэнергией, производимой атомными станциями, ее стоимость должна снизиться не менее чем в 5 - 10 раз, и в 25-50 раз, чтобы она смогла конкурировать с электроэнергией, производимой электростанциями, работающими на ископаемом топливе [1]. Таким образом, к основным задачам в области создания солнечных электростанций с непосредственным

преобразованием солнечной энергии в электрическую энергию, является снижение стоимости фотоэлектрических модулей и создание технологии их массового производства, обеспечивающего покрытие солнечными панелями больших площадей. Одним из путей в этом направлении явилось создание тонкопленочных солнечных элементов (их относят к СЭ второго поколения). В настоящее время массовое применение нашли две основные технологии по производству фотопреобразователей второго поколения: солнечные батареи на основе гидрогенизрованного аморфного кремния а-8кН (и его аналогов), и на основе поликристаллического СсГГе (и других соединений этой группы). С точки зрения автора наиболее рациональным и быстрым решением по снижению стоимости солнечных батарей второго поколения было бы повышение эффективности солнечных батарей второго поколения в рамках уже разработанных для их производства технологий. Наиболее эффективным решением является увеличение каскадов СЭ и соответствующее увеличение эффективности преобразования солнечного излучения. При этом экономический выигрыш за счет увеличения эффективности батареи должен превысить затраты на изготовление дополнительных каскадов.

В связи с этим, основная цель работы заключалась в поиске методов

2 6

увеличения эффективности солнечных элементов на основе соединений А В путем оптимизации технологии их производства, а также изготовления на их основе тандемного элемента.

Для достижения поставленной целей необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить особенности вакуумной конденсации полупроводниковых

2 6

соединений группы А В и разработать методы оптимизации режимов получения полупроводниковых пленок на их основе.

2. Методом вакуумной конденсации получить тестовые образцы и изучить влияние условий их осаждения на состав и структуру. Изготовить или

модифицировать имеющееся технологическое оборудование и измерительную аппаратуру, переориентировав ее для решения поставленных задач.

3. Исследовать основные электрофизические процессы, влияющие на эффективность солнечных батарей (электронный транспорт в поликристаллических пленках).

4. На основе анализа физических свойств халькогенидных полупроводников, выбрать наиболее перспективные материалы для изготовления тандемного солнечного элемента, рассчитать его характеристики и предложить возможную конструкцию и технологию изготовления, которая бы согласовалась с технологией, выбранной в качестве базовой.

5. Объекты и методы исследований. Объектами исследования являются

структура и электронные процессы в тонких пленках полупроводников группы

2 6

А В . Основными методами исследования являются измерения электрических и фотоэлектрических характеристик тестовых образцов, их морфологии и состава, а также измерения ВАХ барьеров между слоями различных полупроводников, построение соответствующих моделей и выполнение на их основе расчетов. Основным методом оценки достоверности расчетных результатов является их сравнение с экспериментальными и приведенными в литературе данными.

Научная новизна:

2 6

1. Для выбора режимов нанесения гомогенных соединений группы А В предложено использовать диаграммы конденсации, устанавливающие связь между критической температурой конденсации и плотностью потока частиц, падающих на подложку.

2. Впервые экспериментально определены диаграммы конденсации для полупроводниковых соединений 7пТе, 7п8е и уточнены соответствующие диаграммы для СсГГе, Сс1, Бе, Те.

3. Разработан новый метод оценки высоты межкристаллитных барьеров в поликристаллических пленках А В по величине энергии тепловой активации электропроводности.

4. Проанализирована и предложена для применения не использовавшаяся ранее конструкция солнечного элемента на основе активного слоя СсГГе и-типа, отличающаяся от общепринятой тем, что в ней мелкий /»«-переход индуцируется за счет поверхностных состояний на границе раздела 1ТО/и-Сс1Те

Практическая ценность:

1. Предложено осаждение различных полупроводниковых пленок активных слоев тандемного элемента получать в однотипных графитовых камерах, что позволит унифицировать технологическую линию для их производства.

2. Предложено получать полупроводниковые пленки в установленных с помощью диаграмм конденсации режимах путем испарения не соединения, а его компонентом с последующим синтезом на подложке. Предложенный метод позволяет контролировать не только толщину пленки, изменяя время процесса, но так же её состав путем изменения плотности потока компонентов.

3. Предложен и апробирован метод экспресс-контроля качества полупроводниковых пленок, базирующийся на измерения крутизны края фундаментального поглощения.

4. Предложено в тандемной структуре ФЭП использовать СЭ, созданный путем образования перехода 8п02/я-Сс1Те за счет соответствующей термической обработки пленки Сс1Те.

Основные положения, выносимые на защиту:

2 6

1. Диаграммы конденсации соединений группы А В , позволяющие получать гомогенные по составу пленки.

2. Модель электропроводности тонких поликристаллических пленок

2 6

полупроводников группы А В , основанная на перколяции по межкристаллитным барьерам.

3. Способ определения высоты межкристаллитных барьеров в поликристаллических полупроводниковых пленках.

4. Метод экспресс-контроля качества полупроводниковых пленок по измерению крутизны края фундаментального поглощения.

5. Новая тандемная структура ФЭП с использованием СЭ, созданного путем образования перехода SnCV^-CdTe за счет соответствующей термической обработки пленки CdTe.

Реализация результатов.

Разработанные в работе программы были использованы автором при создании лабораторной работы по расчету параметров солнечного элемента в рамках курса "Численный анализ электронных схем и автоматизация схемотехнического моделирования", читаемого в НИУ МЭИ бакалаврам по направлению 210100 (550700).

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 (5 50700).

ч /

Апробация работы. Результаты диссертации изложены в 13 работах, 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 2009, 2011, 2012, 2013 гг.

2. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Зеленоград 28-30 апреля 2010. "Микроэлектроника и

информатика 2010". Министерство образования и науки РФ, Московский государственный институт электронной техники (ТУ).

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

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

Личный вклад автора. Автору принадлежат идеи по постановке основных экспериментов и их реализация, включающая конструирование и создание технологических камер, измерительных установок, получение и подготовку образцов к измерениям, сами измерения. Автору принадлежат так же основные идеи, положенные в основу предложенных в работе конструкций и технологии солнечных элементов, а также по созданию моделей электронного транспорта в поликристаллических слоях, метода оптического контроля качества полупроводниковых пленок по крутизне края поглощения. Им непосредственно составлены программы и выполнены численные расчеты по влиянию параметров материала на энергетические диаграммы гетеропереходов, а так же по автоматизации измерений и обработке их результатов.

1. ПРИМЕНЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОБРАЗОВАТЕЛЯХ СОЛНЕЧНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Основные поколения солнечных элементов

Первый солнечный элемент был создан Чапеном, Фуллером и Пирсоном в 1954 году на основе диффузионного р-п перехода в кристалле кремния, имевший КПД около 6%.[10] Впоследствии Рейнольде и другие разработали солнечный элемент на основе сульфида кадмия [24]. Затем солнечные элементы были созданы на многих других полупроводниковых материалах с использованием различных конструкций и различных технологий.

На рис. 1 показано некоторое условное разделение СБ на поколения исходя из их стоимости и эффективности. Цены на рис.1 даны на начало 2012 г. После некоторой нестабильности на рынке к настоящему моменту они упали примерно в 1.5 раза.

100 т

$0.1 ОДУ $0.20/\У / /

Термодинамический предел

$1.00/\У

Современный уровень

_ $3.50М

200 300

Цена, $/кв.м.

400

500

Рис. 1. КПД и стоимость различных солнечных батарей

Среди современных коммерческих применений доминируют, в основном, солнечные батареи "первого поколения", созданные либо на базе

монокристаллов кремния, либо на основе его поликристаллических пластин. Резкий рост цены энергоресурсов заставил пересмотреть политику в области разработки солнечных элементов. Стоимость изготовления и возможность массового производства стали определяющими факторами при оценке перспектив наземного применения солнечных преобразователей.

Именно стремление снизить цену солнечных панелей стимулирует массовое производство тонкопленочных солнечных батарей, которые можно рассматривать как второе поколение фотоэлектрических преобразователей. Снижение стоимости происходит, в основном, за счет того, что технология производства батарей второго поколения менее энергоемкая и легче поддается автоматизации. Весь технологический процесс модуля мощностью от нескольких единиц до десятков ватт, как правило, осуществляется на одной технологической линейке, на которой, в ряде случаев, осуществляется и герметизация. К важным достоинствам СЭ второго поколения можно отнести так же и то, что их технология способна обеспечить массовое производство солнечных панелей, позволяющих покрыть большие площади земной поверхности за сравнительно небольшой период времени, что особенно важно при строительстве больших солнечных электростанций.

Тонкопленочные батареи (часто их называют солнечными модулями или панелями) можно разделить на два типа: на основе аморфных и поликристаллических полупроводников. Среди модулей первого типа доминируют материалы типа я-ЭкН. Среди модулей второго типа доминируют СсГГе и другие халькогенидные соединения. Эффективность модулей обоих типов примерно одинакова и, как правило, не превышает 14%, несмотря на то, что на основе я-ЭкН, как правило, изготавливаются многокаскадные СЭ, а на основе поликристаллических пленок - однокаскадные СЭ. Сравнительно недавно в США и Германии началось массовое производство тонкопленочных панелей на основе СЮ8. По существу, это третий материал (после я-8кН и СсГГе), который нашел применение в массовом производстве солнечных

преобразователей второго поколения. В настоящее время для элементов с тандемной структурой СиОа8е2/Си1п8е2 удалось получить КПД в 18.4%. [6- 7].

На рис. 2 показаны рекордные значения КПД солнечных элементов, полученных в разное время и по различной технологии. Эти данные были собраны Национальной лабораторией возобновляемой энергии США (1чП1ЕЬ), в основном по результатам испытания приборов в их лабораториях [28].

Годы

Рис. 2. Рекордные значения КПД СЭ, изготовленных в различное время и по различной

технологии

Как видно из рис. 2, после 1990 года и по настоящий момент для большинства типов СЭ наблюдается значительный прирост эффективности преобразования. Любопытно, что именно на этот период приходится начало массового производства фотоэлектрических солнечных панелей для наземных автономных установок и солнечных электростанций. На этот же период приходится и рекордный бросок цен на нефть с 20$ за баррель до 140$ за баррель (1996 - 2006 г). Несмотря на то, что цена на нефть несколько снизилась (примерно до 100 $/баррель), она все еще остается на высоком уровне, что в значительной степени стимулирует вложение денег в исследования направленные на создание и применение альтернативных источников энергии, в частности, на строительство солнечных электростанций.

Также из рисунка 2 можно заметить, что наиболее значителен прирост эффективности солнечных элементов, предназначенных для работы в концентрированном солнечном излучении. Для них КПД вырос примерно от 20% до 44%, и превзошел теоретический предел для однокаскадного СЭ (верхняя пунктирная линия на рисунке). Для массово производимых в настоящее время тонкопленочных СЭ на основе СЮБ и СсГГе эффективность вплотную приблизилась к эффективности монокристаллических кремниевых СЭ.

Анализируя эти данные, следует отметить, что существенного роста КПД в концентрированном излучении удалось достичь за счет применения многокаскадных элементов, а это значит, что в перспективе данной технологии еще далеко до исчерпания. Однако, к сожалению, СЭ этого типа чрезвычайно дороги и не рассчитаны на массовое производство в отличие от обычных тонкопленочных солнечных батарей. Вместе с тем, успех, достигнутый в этом направлении указал путь для совершенствования тонкопленочных СБ, а именно создание многокаскадных структур. Именно изучение этого пути для определенного класса полупроводниковых соединений и было выбрано в качестве одной из задач данной работы.

На рис. 3 показан прирост установленных мощностей солнечных батарей за последние 20 лет [29]. При этом, как хорошо видно из этого рисунка, начиная с 2007 года начала развиваться передача электроэнергии, получаемой с помощью солнечных батарей, в обычные электрические сети. К настоящему моменту эта тенденция стала основной. Ежегодный прирост мощностей устанавливаемых на солнечных электростанциях различного типа, начиная с 2000 года, составлял 30 - 40%, и к началу 2013 года общая мощность установленных мощностей достигла примерно 40 ГВт. Ни одна другая отрасль в энергетике не дала такого прироста.

1 т Автономные

2 ■ Централизованные сети

3 ы Локаяькые сети

14,000 МЛГ

12.000 21 10,000 8.000 6,000 4,000 2,000 О

1992 1994 3996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Рис. 3. Кумулятивное изменение мощности установлены солнечных панелей

1.2. Многокаскадные тонкопленочные солнечные элементы

В настоящее время в области массового производства тонкопленочных батарей на основе поликристаллических пленок накоплен достаточный опыт, так что можно говорить о том, что технология производства батарей данного типа состоялась и заняла свое место в альтернативной энергетике. Производство тонкопленочных СБ в последние десять лет в среднем ежегодно возрастает примерно на 40%. По итогам 2012 года фирма First Solar произвела и отгрузила солнечных батарей на основе CdTe примерно на 2 ГВт установленной мощности и на сумму около 8 миллиардов долларов США [71]. Тем не менее, вклад солнечной энергетики составляет ничтожную долю в вырабатываемой человечеством электроэнергии. Чтобы увеличить эту долю, необходимо резкое наращивание энергетических мощностей солнечных электростанций, для чего самым оптимальным путем было бы при этом увеличение производимой энергии при минимальных вложениях в разработку новых технологий и снижении затрат на создание единицы генерирующей мощности. Одним из путей решения проблемы является увеличение КПД СБ путем наращивания числа каскадов преобразования. Данная идея возникла в 60-е годы XX века, но практически реализовать её удалось лишь к 80-м годам путем механического соединения двух различных каскадов [77].

Действительно, разделение солнечного спектра на отдельные участки и преобразование их в специально рассчитанных каскадах с различной шириной запрещенной зоны фотогенерирующего слоя позволяет снизить потери на термализацию и, соответственно, поднять общий КПД преобразования. Чем уже спектральные диапазоны, т.е. чем больше каскадов, тем выше расчетный кпд преобразования солнечного излучения (рис. 4). Так, если для однокаскадного СЭ максимальный КПД составляет 33% (предел Шокли), то для двухкаскадного СЭ его предельное значение составит уже 49%. Если же количество переходов стремится к бесконечности, то предельное значение эффективности преобразования стремится к 68,2% (в условиях АМ 1,5). Используя концентраторы света, т.е. увеличивая интенсивность излучения, возможно достигнуть 40.8% для однокаскадных, 55.7% для двухкаскадных и

86.2% для элементов с бесконечным числом каскадов.

65

601

55

^ 50

§

3 45 40 35 30

1 2 3 4 5 6 7 8 Число каскадов

Рис. 4. Зависимость КПД СЗ от количества использованных каскадов [4]

Существуют различные способы соединения каскадов друг с другом, которые влияют как на конструкцию интегрального СЭ, так и на технологию его производства. Наиболее распространенным способом соединения СЭ в тандем является монолит. Соответствующие конструкции наиболее удобны при сборке солнечных модулей, которая сравнительно легко выполняется на автоматических линиях, а потому себестоимость выпуска этих панелей несколько ниже, чем для других типов. К недостаткам следует отнести несколько более высокие требования к совместимости технологии слоев в этих

панелях, контактным слоям, а так же большим электрическим потерям за счет не всегда оптимального согласования характеристик верхнего и нижнего каскадов. Лучшее согласование и характеристик и, соответственно, несколько больший КПД можно получить при сборке каскадов из отдельных элементов с различной шириной запрещенной зоны, выполненных в раздельных технологических циклах. Недостатком этого способа является больший расход герметизирующих конструкционных материалов и не всегда высокая надёжность полученного соединения. Гибридный способ соединения может явиться некоторой альтернативой, поскольку при его использовании стремятся осуществить преимущества монолитного СЭ и СЭ с изолированными каскадами.

1.2. Оптическое согласование каскадов

Максимальный КПД многокаскадных элементов достигается только при строгом согласовании ширины запрещенной зоны поглощающего слоя в каждом из каскадов с длиной волны падающего на него излучения. На рис. 5 приведены расчеты эффективности тандемного СЭ от ширины запрещенной зоны активного слоя фронтального и тыльного каскадов (условия освещенности АМ 1.5). Оба каскада должны быть согласованы оптически, чтобы обеспечить максимальное освещение каждого из каскадов в заданном диапазоне излучения.

Рис. 5. Зависимость КПД двухкаскадного СЭ от ширины запрещенной зоны верхнего и

нижнего фотогенерирующих слоев [5].

На рис. 6 приведены некоторые возможные схемы организации освещения каскадов СЭ. Как видно из приведенного рисунка, она может быть последовательной и параллельной. Безусловно, последовательная схема для мощных преобразовательных установок является предпочтительной, поскольку она минимизирует площадь, занимаемую солнечным элементом. Именно эта схема и нашла основное применение в преобразователях, предназначенных для производства больших объемов энергии. Поля солнечных электростанций затеняют находящихся под ними огромные площади земли, что приводит к вводу их из промышленного или сельскохозяйственного употребления. Именно этим объясняется то, что солнечные поля с коллекторами располагаются, как правило, в пустынных местах на участках не пригодных для другой деятельности. В городах они, как правило, располагаются на крышах домов. В последовательной оптической схеме спектральное разделение лучей осуществляется самим поглощающим слоем, который служит также в качестве цветового фильтра. Характеристики этого слоя, как правило, не являются оптимальными с точки зрения разделения спектра по активным слоям, что приводит к дополнительным оптическим потерям. Поэтому разделение световых потоков с помощью хроматических зеркал или призм должно быть более эффективным.

Механическое соединение

Рис. 6. Основные способы оптической интеграции каскадов

Стремление совместить достоинства как параллельной, так и последовательной оптической схемы, так же, как и в случае электрического соединения, приводит к комбинированной схеме (рис. 7).

СЭ с узкой зоной

СЭ с промежуточной зоной

Рис. 7. Последовательно-параллельная интеграция каскадов

Конструкция оптической интеграции может быть самой разнообразной в зависимости от назначения фотопреобразователя, общих требований к конструкции, ее допустимой стоимости, выбранной технологии изготовления СБ и т.д. На рис. 8 показаны некоторые из возможных вариантов конструктивного исполнения оптической части многокаскадных СЭ, в которых реализуется схема параллельных оптических потоков.

Рис. 8. Примеры конструктивных вариантов реализации параллельной оптической схемы

К достоинствам этих схем следует отнести малые оптические потери при разделении потоков (в основном на отражение). Недостатками этих схем являются их громоздкость и высокая стоимость, обусловленная наличием дополнительных оптических деталей, необходимостью специализированной сборочной линии и юстировки готовой батареи. Поэтому эти типы оптической интеграции используются, в основном в дорогих СЭ, рассчитанных на

получение эффективности, близкой к предельной, в частности, в той, которая реализуется в СЭ работающих с концентрированным солнечным излучением.

1.3. Электрическое согласование каскадов

При изготовлении батареи, представляющей собой последовательное или параллельное соединение каскадов с разной ЭДС и величиной тока короткого замыкания необходимо обеспечить электрическое согласование каскадов, чтобы исключить дополнительные потери мощности. При последовательном соединении каскадов максимальный ток будет ограничен тем элементом, который дает минимальный ток. К достоинствам каскадов с таким включением следует отнести то, что такое включение повышает напряжение холостого хода для батареи, что позволяет, в конечном счете, упростить условия согласования солнечной батареи с нагрузкой. Некоторые из возможных способов электрического соединения каскадов приведены на рис. 9.

J

Независимое соединение

Последовательное соединение

Комбинированное соединение

Рис. 9. Основные способы электрического соединения каскадов

Исторически первым было независимое соединение каскадов, представляющее собой механическое соединение нескольких обычных элементов [77]. В настоящее время чаще всего используется схема с монолитным последовательным соединением ряда гетероструктур. Основной сложностью такой конструкции является необходимость согласования материалов, как по размерам кристаллической решетки, так и по

коэффициентам температурного расширения. Рис. 106 иллюстрирует возникновение дефектов в многокаскадных СЭ из-за рассогласования кристаллических решеток. Изоморфизм материалов с близкими параметрами позволяет свести к минимуму рекомбинационные потери на границах и таким образом обеспечить высокую эффективность элементов данного типа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Коновалов, Александр Владимирович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Basic research needs for solar energy utilization. Report of the basic energy workshop on solar energy utilization. April 18 - 21. Basic Energy Sciences, U.S. Department of Energy 2005.

2. Progress in photovoltaics: research and application. Prog. Photovolt: Res. Appl. 20,12-20, 2012.

3. Photovoltaic Manufacturer Shipments, Capacity & Competitive Analysis 2010/2011. Palo Alto, С A: Navigant Consulting Photovoltaic Service Program. Report NPS-Supply №6 (April 2011).

4. Honsberg F. Tandem solar cells. Adwnced solar cells. EEE ASU. 598. 2009.

5. Mellau F., Shah A., Droz C. VallatSauvain E, Miaze C. Efficiency limits for single-junction and tandem solar cells. Solar cell materials and solar cells. Vol. 90, №18-19, p. 2952 - 59. 2006.

6. J. Byrne, L. Kurdgelashvili, M. V. Mathai, A. Kumar, Jung-Min Yu, X. Zhang, J. Tian, W. Rickerson. WORLD SOLAR ENERGY REVIEW: TECHNOLOGY, MARKETS AND POLICIES. Center for Energy and Environmental Policy University of Delaware. 153, 2010.

7. Martin A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, E. Dunlop. Solar cells efficiency table. Progress in Photovoltaics: Res. Appl. 2012; 20:12-20.

8. Martin A. Greenl*, Keith Emery2, Yoshihiro Hishikawa3, Wilhelm Warta4 and Ewan D. Dunlop Solar cell efficiency tables (version 40PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS Prog. Photovolt: Res. Appl. 2012; 20:606-614 Published online in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI: 10.1002.

9. Смилл В. Энергетика. Мифы и реальность. Новый подход к анализу мировой энергетической политики. ACT-Пресс. М. Институт мировых идей. 2012. 2012с. 212с.

10. Шалимова К.В., Булатов О.С., Воронков Э.Н., Дмитриев В.А. Получение пленок теллурида кадмия гексагональной модификации. Кристаллография. Том. 11, №3, с.481-483. 1966.

П.Шалимова К.В., Власов A.B., Воронков Э.Н. Определение энергии залегания и концентрации ловушек в напыленных слоях теллурида кадмия. Известия высших учебных заведений. Физика. №1, с. 51 - 53. 1967

12. Воронков Э.Н. Исследование конденсированных слоев теллурида кадмия

и разработка пленочных фотодиодов и фоторезисторов на их основе.

j

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ. 1967.

13. Мухин Ю.А. Разработка фоточувствительного тонкопленочного транзистора на основе рекристаллизованных слоев CdSe и исследование его параметров. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ. 1972

14. Муравьев J1.H. Гетероструктуры на основе пленок CdTe. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ. 1975.

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

16. Безмен В.П. Получение исследование пленок гидрогенизированного аморфного кремния и многослойных структур на его основе. Автореферат дисс. к.т.н. МЭИ. 1986

17. Попов И.А. Метастабильность электронных состояний в a-Si:H и ее влияние на свойства материала и параметры тонкопленочных транзисторов: Автореферат дисс. канд. физ. - мат. наук. -М.: МЭИ, 1993.

18. Колобаев В.В. Исследование тонкопленочных структур на основе CdTe и их применение в солнечных батареях. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ. 2001.

19. М. Powalla, В. Dimmler, "CIGS solar cells on the way to mass production: Process statistics of a 30x30 cm module line". Solar Energy Materials & Solar Cells 67 (2001) 337-344.

20. N. Romeo, A. Bosio, A.Romeo. An innovation process suitable to produce high-efficiency CdTe/CdS thin-film modules // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2010. Vol. 94. p. 2-7.

21. Romeo A., Batzner D.L., Zogg H., Tiwary A.N. Potential of CdTe thin film solar cells for space application. 17~th European Photovoltaic Conference and

^ exhibition 22-26 October, Munich, Germany. 2001.

22. Nakasawa Т., Takamizawa K., Ito K. High efficiency indium oxide/ cadmium telluride solar cells. Appl. Phys. Lett. 50 (5) 1987. 276, 277.

23. Roussillon Y., Karpov V.G, Shvidka Diana, Compaan A.D., Glolando D.M. Reach-through mechanism in CdS/CdTe solar cells 0-7803-8707-4 IEEE. 2005

24. Cooray M.L., Karpov V.G. Phenomenological model of CdS based thin film photovoltaics 1-4244-016-3/06. IEEE 542-544. 2006.

25. Tiwari A.N., Romeo A., Baetzner D., Zogg H. Flexible CdTe Solar Cells on Polymer Films. Progress in Photovoltaics Researh and Applications. Vol. 9, 2001. 211-215.

26. Pawar S.M. Moholkar A.V., Rajpure K.Y., Kim J.H., Lokhande C.D., Bhosale C.H. Fabrication of Fe:CdSe solar rechargeable (semiconductor-septum) storage cells. Current Applied Physics. 9 (2009) 1122-1124.

27. King R.R. Stanford Photonic Research Simposium> stanfod, CA, Sep-14-16, 2009. P.75. 2012

^ 28. John Byrne, Lado Kurdgelashvili, Manu V. Mathai, Ashok Kumar, Jung-Min

Yu, Xilin Zhang, Jun Tian, and Wilson Rickerson. World solar energy review. Center for Energy and Environmental Policy. University of Delaware. 2010.

29. J. M. Olson, D. J. Friedman and Sarah Kurtz, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Edited by A. Luque and S. Hegedus (Wiley & Sons, 2003) Chapter 9, p. 359.

30. В. Ф. Гременок, M. С. Тиванов, В. Б. Залесский. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материлов. Минск. Изд. БГУ. 2007.

31. Dharmadasa, M., "Latest developments in CdTe, CuInGaSe2 and GaAs/AlGaAs thin film PV solar cells," Current Applied Physics 9(2), e2-e6 (2009).

32. Boer, K.W., "CdS enhances Voc and fill factor in CdS/CdTe and CdS/CuInSe2 solar cells," J. Appl. Phys. 107,023701 (2010).

33. Клевков Ю.В. и др. Электрические свойства, фотопроводимость и фотолюминесценция крупнозернистого р-ZnTe. ФТП, т. 42. Вып. 11. 2008, стр.1291- 1296.

34. Gloeckler, М., Fahrenbruch, A.L. and Sites, J.R., "Numerical Modeling of CIGS and CdTe Solar Cells: Setting the Baseline," Proc. World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion 3, 491-494 (2003).

35. Hermle, H., et al., Numerical simulation of tunnel diodes for multi-junction solar cells. Prog. Photo volt: Res. Appl. 9(3), 179-189 (2001).

36. Hwang, H.L., Hsu, K.Y.J, and Ueng, H.Y., "Fundamental studies of p-type doping of CdTe," J. Cryst. Growth, 161(1-4), 73-81 (1996).

37. J.H.W. de Wit, G. Van Unen and M. Lahey. J. Phys. Chem. Solids 38, 819 (1977).

38. J.E. Morris, M.I. Ridge, C.A. Bishop and R.P. Howson: Journal of Applied Physics. 51, p. 1847(1980).

39. R.L. Petritz. Phys. Rev. 104, 1508 (1956).

40. L.L. Kazmerski. Properties of Polycrystalline and Amorphous Thin Films and Devices, in Chap. 3: "Electrical Properties of Polycrystalline Semiconductor Thin Films", Academic Press, New York, 1980.

41. J. Volger. Phys. Rev. 9, 1023 (1950).

42. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение. Под ред. Г. Харбеке. М. Мир. 1989. 344с.

43. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. М. Радио и связь. 1982.

44. Chrisa Xirouchaki Pedersen. Growth and characterization of indium oxide films. Phys. Dept. Univ. of Grete. Ph. D. Thesis. Heraklion, Crete, Greece. 1998.

45. Б.И. Шкловский, A.J1. Эфрос. Теория протекания и проводимости сильно неоднородных сред. УФН, т.117, вып. 3, 1975. С.401-435.

46. Sukach A.V, Tetyorkin V.V., Krovelevec N.M Mechanisma of cerrier transport in CdTepolycrystalline films. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. Vol.3, №2, 2010. P.221 - 225.

47. Baban C., Caraman M., Rusu G.I. Electronic transport and photoconductivity polycrystalline CdSe thin film. Lournal of optoelectronics and adwanced materials. Vol. 8, №3, 2006. P.917-921.

48. Гольдман Е.И., Гуляев И.Б., Ждан А.Г., Сандомирский В.Б. Полевые характеристики электропроводности полупроводниковых пленок, содержащих межгранульные барьеры. Физика и техника полупроводиков. Т. 10, в.11, 1976. 2089-2092.

49. Шалимова К.В. , Воронков Э.Н. О вакуумной конденсации сильно диссоциирующих соединений. Журнал физической химии. Том 416 №76 с.1822- 1823. 1967.

50. Шалимова К.В., Воронков Э.Н. Влияние температуры подложки и давления пара на скорость конденсации теллурида кадмия. Журнал физической химии. Т. 43. №9, стр. 2346 - 2348. 1969

51. L. Pulfrey*, J. Dell, and L. Performance predictions for monolithic, thin-film CdTe/Ge tandem solar cells. Proceedings of SPIE. Vol. 7750 (1) 1989.

52. Wu, X., "High-efficiency polycrystalline CdTe thin-film solar cells," Solar Energy 77(6), 803-814 (2004).

53. Tsao, C.-Y., "Low-temperature growth of polycrystalline Ge thin film on glass by in situ deposition and ex situ solid-phase crystallization for photovoltaic applications," Appl. Surf. Sci. 255(15), 7028-7035 (2009).

54. A. Morales-Acevedo. Variable band-gap semiconductors as the basis of new solar cells. Solar Energy, 83 (2009) pp. 1466-1471.

55. A.B. Мериуц, Г.С. Хрипунов, Т.Н. Шелест, Н.В. Дей. Некоторые особенности световой вольт-амперной характеристики двусторонне

чувствительных солнечных элементов на основе тонких базовых слоев CdTe. ФТП. 2010. Том 44. Вып. 6. стр. 829 - 832.

56. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов, М. Наука 1985.

57. Чопра К., Даас С. Тонкопленочные солнечные элементы. М. Мир, 1986.

58. О Vigil-Galan, A Arias-Carbajal R, Mendoza-Perez, Improving the efficiency of CdS/CdTe solar cells by varying the thiourea CdC12 ratio in the CdS chemical bath. Semiconductor Science and Technology. 2005. Vol. 20. N. 8

59. D. Bonnet. P. Meyers. Cadmium Telluride - Material for thin film solar cells. Materials Research 1998. vol. 13. N 10. p. 2740-2753.

60. X Wu, High efficiency polycrystalline CdTe thin-film solar cells. Solar Energy 2004, vol. 77. 6. p. 803-814.

61. A Morales-Acevedo, Thin film CdS/CdTe solar cells: Research perspectives. Solar Energy 2005. vol. 80. 6. p. 675-681.

62. L. Kosyachenko, G Lashkarev, E Grushko, A Ievtushenko. Spectral distribution of Photoelectric efficiency of then-film CdS/CdTe heterostrcture. ACTA PHYSICA POLONICA A. vol. 116 (2009) № 5. p. 862-864.

63. J.R Sites. Quantification of Losses in Thin-film Polycrystalline Solar Cells. Solar Energy Materials and Solar Cells 75, 2003, pp. 243-251

64. A Compaan, A Gupta, S Lee, S Wang High efficiency, magnetron sputted CdS/CdTe solar cells. Solar Energy. 2004. Vol 77. N. 6. p. 815-822.

65. C. Ferekides, U Balasubramanian, R Mamazza, CdTe thin-film solar cells: device and technology issues. Solar Energy. 12. 2004. Vol 77. N. 6. p. 823-830.

66. Г. Хрипунов. Влияние тыльного контакта на электрические свойства плёночных солнечных элементов на основе CdTe. ФТП 2006. т. 40. вып. 1.

67. JI. Косяченко, Ф Савчук, Е. Грушко. Влияние толщины поглощающего слоя на эффективность солнечного элемента на основе CdS/CdTe. ФТП 2009, т. 40. вып. 8.

68. С. Музафарова, Ш. Мирсагатов, Ж. Жанабергенов. Механизм переноса тока в гетеропереходах n-CdS/p-Cdte. ФТП 2007, 6.

69. Ш. Усмонов, Ш. Мирсагатов, А. Лейдерман. Исследование В АХ гетеростуктуры n-CdS/p-Cdte в зависимости от температуры. ФТП 2010. т. 44. вып. 3.

70. Л. Косяченко. Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных элементах CdS/CdTe. ФТП 2006, т. 40. вып. 6.

71. First Solar Financial Report for 2012 Earnings Call; "First Solar to Boost Production as Profit, Sales Climb," Wall Street Journal, August 1, 2012

72. G. Mandel. Phys. Rev. 134, 4a, 1073 (1964)

73. Cody G.A. Semiconductors and semimetals. Academic Press. 1984, vol. 2IB.

74. Бонч-Бруевич В.Л. УФН. 1983, т. 140, №4, с. 583 - 637.

75. Файрушин А.Р. Влияние электрического поля на электронные процессы в стеклообразных полупроводниках. Кандидатская диссертация. М. МЭИ. 2004. стр. 57-61.

76. Шарма Б. Л., Пурохит Р. К., Полупроводниковые гетеропереходы, М. Изд. Советское радио, 1979.

77. Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. ФТП, 2004, т. 38, вып. 8.

78. Y. Roussilion, V.G. Karpov, D. Shvydka, A.D. Compaan, D.M. Giolando. Reach-through mechanism in CdS/CdTe solar cells. Photovoltaic Specialists Conference, 2005. Conference Record of the Thirty-first IEEE, p 340-342.

79. M. Nichterwitz, R. Caballero, C. Kaufmann, H. Schock, T. Unold. Generation-depended charge carrier transport in Cu(In, Ga)Se2/CdS/ZnO thin-film solar-cells. Journall of applied physics, 113, 2013. 044515 p. 1-16.

80. T. Nakazawa and K. High efficiency indium oxide/cadmium telluride solar cells. Appl. Phys. Letters, vol. 50, 1987, p. 279-280.

81. H. Мотт, Э. Дэвис. Электронные процессы в некристаллических веществах. (М.: Мир)., 658 с. (1982).

82. Б.И. Шкловский. Перколяционная электропроводность в сильных электрических полях. Ф1111, т. 13, вып. 1, стр. 93-97, 1979.

83. Винников, Мешков, Савушкин. Теория нелинейной перколяционной электропроводности неупорядоченной полупроводниковой системы с межкристаллитными барьерами. ФТТ, т. 24, вып. 5, стр. 1352-1359, 1982.

84. Stevenson, R., "First Solar: Quest for the $1 Watt," IEEE Spectrum Online, Shafarman, W. and McCandless, В., "Development of a wide bandgap cell for thin film tandem solar cells," Final Technical Report, NREL/SR-520-42388 (2008).

85. Бергер, JI.И. Тройные алмазоподобные полупроводники / Л.И. Бергер, В.Д. Прочухан. -М.: Металлургия, 1968. с.151

86. Де Бур Я. Динамический характер адсорбции. Изд. Иностр. Лит. М. 1952

87. Д. Хирс, Г. Паунд Испарение и конденсация. М. Изд. Металлургия, 1956.

88. Воронков Э.Н., Гуляев A.M., Мирошникова И.Н., Чарыков Н.А. Твердотельная электроника. М. Изд. Центр "Академия". 2009.

89. М. Lavagna, J. Pique, Y. Marfaing, Theoretical alanysis of the quantum photoelectric yield in Shottky diodes. Solid State Electronics, 20, (1977) 235240

2 6

90. Физика и химия соединений А В под ред. С.А.Медведева М. Мир. 1970г.

91. Абрикосов Н.Х. Полупроводниковые соединения, их получение и свойства. М. Наука. 1977.

92. Крегер Ф. Химия несовершенных кристаллов. М. Мир, 1969.

93. Мишин А.А. Анализ дефектообразования в CdTe. Маг. дисс. М. МЭИ 2008 г.

94. Иванов Ю. М. Физико-химические основы технологии халькогенидов кадмия для детекторов ядерного излучения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МиСиС. 1988. стр. 168.

95. V.V. Kosyak, A.S. Opanasuk. Calculation of Fermi level location and point defect ensemble in CdTe single crystal and thin films. Semiconductor Physycs, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2007. V.10, N.3, P.95-102.

96. Морозова Н.К., Каретников И.А., Блинов В.В., Комарь В.К., и др. Спектры катодолюминесценции монокристаллов CdZnTe. ЖПС. 2000. 67, №1. стр. 95-100.

97. Паносян Ж.Р. Излучательная рекомбинация в кристаллах теллурида кадмия. Труды ФИАН. 1973, в.68. С.65-74.

98. Jones С.Е., Nair V., Effect Deep-Level Defect HgCdTe Provided by DTLS. J. Vac Science and Technology. 1982 V 21. №l.P 187-190.

99. Taguchi Т., Ray B. Point defects in II-VI compounds. Prog. Cryst.Growth. 1983, Vol. 6, №2. p. 103-162.

100. Морозова H.K., Каретников И.А., Блинов B.B., Комарь ВК., и др. Зависимость свойств кристаллов CdZnTe от типа собственных точечных дефектов и кислорода. ФТП (1999) 33, вып.5. стр.569-573.

101. N A Zeenath, К Р Varkey and К Р Vijayakumar. Electrical studies on trap levels present in n- and p-type spray pyrolysed CdS thin films. J. Physics Condensed Matter. 1998, №10. p. 2053-2063.

102. Канахин А.А. Связь дефектообразования с электрофизическими свойствами. Магистерская диссертация. М. МЭИ 2012.

103.Hjalmarson Н. Р, Vogl Р, Wolford D. J., Dow J. D. Theory of Deep Traps in Covalent Semiconductors. Phys. Rev. Letters. Vol. 44, №12 1980, p. 811 -813.