Розробка нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет “Львівська політехніка”

Мельник Ігор Іванович

УДК 621. 383

Розробка нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії

05.27.01 - твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової електроніки Державного університету “Львівська політехніка”, Міністерство освіти України.

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук, професор Буджак Ярослав Степанович, Державний університет “Львівська політехніка”, професор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Готра Зенон Юрійович, Державний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри; доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу.

Провідна установа - Науково-виробниче об'єднання “Карат”, відділ нових прогресивних технологій, Міністерство промислової політики (м. Львів).

Захист відбудеться 18 червня 1999 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35. 052. 14 при Державному університеті “Львівська політехніка” (290646, Львів-13, вул. С. Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” (вул. Професорська, 1).

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

ефективність кремнієвий фотоелектричний перетворювач

Актуальність теми. Результатом інтенсивного розвитку фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) сонячної енергії за два останні десятиліття стало широке впровадження сонячних елементів (СЕ) для живлення різноманітних малопотужних електронних пристроїв. Однак у зв'язку із виснаженням запасів енергетичної сировини на Землі та безперервним зростанням потреб людства у дешевій екологічно чистій електроенергії постає питання про розвиток високопотужної сонячної енергетики, яка змогла б конкурувати з традиційними методами ґенерації електроенергії. Вимогами до СЕ високопотужної енергетики є наступні критерії: висока ефективність роботи; технологічна простота і низька вартість одержання; достатня дерадаційна стійкість. На цей час ФЕП відповідають наведеним вимогам не в повній мірі й надалі залишаються низькорентабельними у широкомасштабному використанні.

Для підвищення рентабельності високопотужних геліосистем, як правило, використовують два підходи. Для першого з них характерні заходи з підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) СЕ. Згідно із другим максимальну увагу приділяють спрощенню та здешевленню технології виробництва ФЕП. У відповідності з першим підходом основою високопотужної сонячної енергетики стали кремнієві СЕ з дифузійним p-n- переходом, для яких досягнуто найвищі значення ККД. Однак, незважаючи на високу ефективність, рентабельність цих СЕ є недостатньо високою внаслідок значної технологічної складності їх виготовлення. У той же час ККД отриманих простою технологією ФЕП зі структурою метал/діелектрик/напівпровідник з індукованим інверсним шаром (MIS/IL) залишається низьким через значні омічні втрати на послідовному опорі структури. Розроблені на цей час методи підвищення ефективності MIS/IL СЕ неминуче призводять до ускладнення технології їх виробництва.

Як для ФЕП з дифузійним p-n- переходом, так і для MIS/IL СЕ і надалі залишається актуальною проблема мінімізації оптичних втрат, а також втрат, що зумовлені негативним впливом поверхневої та об'ємної рекомбінацій. Сучасні високоефективні антивідбивні та пасивуючі покриття характеризуються високою складністю технологічної реалізації, а при формуванні їх за спрощеною технологією не володіють необхідними просвітлюючими та пасивуючими властивостями. Все це сповільнює розвиток високопотужної геліоенергетики та робить актуальними дослідження у галузі розробки рентабельних у практичному застосуванні методів підвищення ефективності СЕ з дифузійним та індукованим p-n- переходами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувались за планом науково-дослідної роботи ДУ “Львівська політехніка” у рамках держбюджетної теми “Розробка фізико - технологічних основ серійно придатних перетворювачів сонячної енергії на основі монокристалічного та аморфного кремнію” (шифр ДКС/65. 1, 1996-1997 рр.) ; у рамках державного контракту “Рентабельні антивідбивні покриття для кремнієвих сонячних елементів (шифр ДК 2М/73-98, 1997-1998 рр.) та в рамках міжнародного наукового проекту “Kstengnstige Antireflexionsbeschichtung fr Silicium-Solarzellen” спільно з Інститутом дослідження сонячної енергії (м. Емертхаль, Німеччина), шифр UKR-017-97, 1997-1999 рр.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягала у розробці нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії з дифузійним та індукованим p-n- переходами, які спрощують технологію їх одержання та забезпечують тривалу експлуатацію у складі високопотужних енераційних систем.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

на основі аналізу математичної моделі процесу фотовольтаїчного перетворення у структурах кремнієвих СЕ з дифузійним та індукованим p-n- переходами та розрахунку верхньої межі їх теоретичного ККД встановити основні механізми втрат зенерованої потужності та намітити шляхи їх мінімізації;

з використанням нетрадиційного для кремнієвої фотовольтаїки ефекту розробити принципово новий метод зменшення послідовного опору структур СЕ з індукованим p-n- переходом, для яких домінуючими є резистивно-рекомбінаційні втрати; обрунтувати доцільність та напрямки його практичного використання;

на основі математичної теорії планування експерименту розробити методику оптимізації технології створення рентабельного антивідбивного покриття для кремнієвих СЕ з p-n- переходом.

Наукова новизна одержаних результатів:

Уперше для зменшення омічних втрат у СЕ з індукованим p-n- переходом запропоновано використовувати зовнішнє електричне зміщення, досліджено механізм його впливу на структурні параметри, вихідні електричні характеристики та ККД ФЕП.

Запропоновано нове технічне рішення будови сонячних модулів, яке передбачає практичне використання зовнішнього зміщення для підвищення ефективності MIS/IL СЕ при їх роботі у складі високопотужних енераційних систем.

Удосконалено методику оптимізації та здійснено оптимізацію технологічних умов електрохемічного формування шарів пористого кремнію (por-Si) для його використання як просвітлюючого та світлозахоплюючого покриття у структурах кремнієвих СЕ з планарною та текстурованою фронтальною поверхнею.

Уперше для покращення пасивуючих властивостей антивідбивних шарів на основі por-Si запропоновано використовувати електрохемічну гідрогенізацію, встановлено та досліджено оптимальні для практичного використання режими цього процесу.

Експериментально досліджено вплив антивідбивного покриття на основі гідрогенізованого por-Si на вихідні електричні характеристики та ККД моно- та мультикристалічних кремнієвих СЕ, здійснено його науковий аналіз.

Обґрунтованість та вірогідність отриманих у дисертації експериментальних результатів забезпечується використанням класичних експериментальних методик, а їх точність підтверджено в Інституті дослідження сонячної енергії (м. Емертхаль, Німеччина) контрольними вимірюваннями з використанням тестованих експериментальних установок. Вірогідність та точність розрахунків підтверджується незначними розбіжностями результатів теоретичного аналізу та експерименту.

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблено простий для технічної реалізації метод підвищення ККД СЕ з MIS/IL структурою при їх роботі у складі високопотужних енераційних систем.

Розроблено методику оптимізації технологічних умов процесу електрохемічного анодування, яка дає змогу формувати високоефективні просвітлюючі та світлозахоплюючі покриття на основі por-Si для кремнієвих СЕ з різною структурою поверхні.

Встановлено та досліджено режими електрохемічної гідрогенізації por-Si, які суттєво покращують пасивуючі властивості пористих шарів.

На основі аналізу результатів експериментального дослідження впливу гідрогенізованого por-Si на вихідні параметри моно- та мультикристалічних кремнієвих СЕ розроблено практичні рекомендації щодо подальшого підвищення ефективності ФЕП з шаром por-Si.

Розроблені у дисертаційній роботі структури та антивідбивні покриття кремнієвих СЕ з p-n- переходом впроваджені на заводі “Логіка” ВАТ “Родон” (м. Івано-Франківськ) для створення блоків живлення дослідних зразків мікрокалькуляторів МК-05 та плануються для впровадження у серійне виробництво для створення блоків живлення мікрокалькуляторів і таймерів.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: модель MIS/IL СЕ у режимі зовнішнього електричного зміщення та результати її розрахунку [1-2, 4-5, 7]; методика та результати оптимізації технологічних умов процесу електрохемічного формування антивідбивного покриття на основі por-Si [3, 6, 10-12]; результати дослідження режимів його електрохемічної гідрогенізації [8-9].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались та обговорювались на: First International Conference on Material Science of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors (Chernivtsi, Ukraine, 1994) ; V-ій Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1995) ; International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Chernivtsi, Ukraine, 1995, 1997) ; 10^th International Conference of Thin Films (Salamanca, Spain, 1996) ; School-workshop “Solar Cells: A New Challenge For the Mediterranean Area (Physics of Materials for Solar Energy Conversion) ” (Portici, Italy, 1997) ; International Conference of SPIE “Photoconversion: Science and Technologies” (Warsaw, Poland, 1997) ; International Conference on Porous Semiconductors: Science and Technology (Malorca, Spain, 1998) ; 2^nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion (Vienna, Austria, 1998).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у 22 працях, з них 2 - у наукових журналах, 1 - у збірнику наукових праць, 1 - у патенті України на винахід, 14 - у матеріалах і тезах конференцій, 3 - у заявках на видачу патентів України та Російської Федерації, 1 - депонована у ДНТБ України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку використаних джерел. Вона містить 80 рисунків та одну таблицю, а її повний обсяг становить 179 сторінок. Список використаних літературних джерел містить 130 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обрунтовано актуальність дисертаційних досліджень, сформульовано їх мету та задачі, описано наукову новизну та практичну цінність результатів.

У першому розділі дисертації на основі огляду та аналізу наукових публікацій показано, що найоптимальнішими для використання у високопотужних енераційних системах є кремнієві ФЕП, найефективнішими з яких є СЕ з p-n- переходом та ФЕП МДН типу з індукованим інверсним шаром. Розглянуто еволюцію структур цих типів ФЕП та намічено напрямки їх подальшого розвитку. Розроблено загальну методику дисертаційних досліджень, спрямованих на підвищення ефективності кремнієвих СЕ з дифузійним та індукованим p-n- переходами.

Згідно із визначеними метою, об'єктами та методикою досліджень, другий розділ дисертації присвячено якісному та кількісному визначенню факторів, які обмежують досягнення максимальної ефективності фотовольтаїчного перетворення у структурах кремнієвих СЕ з p-n- переходом. Для цього запропоновано використати розрахунок верхньої межі теоретичного ККД згаданого типу ФЕП. Показано, що для спрощення алгоритму розрахунку та досягнення необхідної точності результатів доцільно об'єднати при моделюванні термодинамічні обчислення балансу енергії та ентропії і квантово-механічний розрахунок енерації та рекомбінації носіїв заряду в СЕ.

На основі розрахунку верхньої межі теоретичного ККД СЕ з p-n- переходом обчислено величину основних втрат фотоенерованої потужності в процесі фотовольтаїчного перетворення (рис. 1). Встановлено, що для кремнієвих СЕ з дифузійним та індукованим p-n- переходами найсуттєвішими є резистивно-рекомбінаційні втрати (~36%), які спричинені негативним впливом омічного опору структури СЕ, поверхневої та об'ємної рекомбінацій, а також оптичні втрати (~47%), які є наслідком неповного поглинання падаючого світлового потоку.

Узагальнення і аналіз результатів теоретичних досліджень дає підстави стверджувати, що ефективної мінімізації омічних та оптичних втрат у СЕ з p-n- переходом можна досягнути або при використанні нових, нетрадиційних для кремнієвої фотовольтаїки ефектів, або шляхом введення в їх структуру нових матеріалів.

У відповідності із цим у третьому розділі дисертаційної роботи досліджується ефективність використання для зменшення резистивно-рекомбінаційних втрат зовнішнього електричного зміщення. Як об'єкт дослідження при цьому обрано MIS/IL СЕ, для яких згадані втрати є домінуючими. Характерною особливістю MIS/IL структури є наявність тонкого фізичного p-n- переходу, що виникає у напівпровідниковій підкладці p-типу під впливом вбудованого у діелектричному шарі позитивного заряду (рис. 2 (a)). Розрахунки показують, що потенційно MIS/IL СЕ є ефективнішими, ніж СЕ з дифузійним p-n- переходом. Однак досягнення передбаченої теоретично високої ефективності MIS/IL СЕ ускладнюється внаслідок значних втрат зенерованої потужності у високоомному інверсному шарі.

Для уникнення фізичних обмежень та низької рентабельності, що властиві традиційним методам підвищення ККД MIS/IL СЕ, розроблено новий метод мінімізації резистивно-рекомбінаційних втрат у MIS/IL структурі. Цей метод рунтується на використанні поряд із внутрішніми факторами (високою густиною вбудованого заряду, низькою густиною поверхневих станів, ефектом різниці робіт виходу) також факторів зовнішнього впливу, а саме - зовнішнього електричного зміщення. Як базову структуру для реалізації методу зовнішнього зміщення запропоновано використати структуру MIS/IL СЕ з інверсійною гребінкою на основі металу чи оксиду з низькою роботою виходу (рис. 2 (b)). Для подальшого зменшення питомого опору інверсного шару та спричинених ним резистивних втрат зенерованої потужності пропонується прикласти до інверсійної гребінки зовнішню напругу у зворотному ввімкненні.

Для визначення ефективності використання запропонованого методу побудовано модель MIS/IL СЕ при їх роботі в режимі зовнішнього електричного зміщення. Моделюванням встановлено механізм впливу зовнішньої напруги на структурні параметри, вихідні електричні характеристики та ККД MIS/IL СЕ.

Встановлено, що найменший вплив зовнішнє зміщення здійснює на величину струму короткого замикання (рис. 3 (1)). Його приріст при напрузі зміщення 0. 6 В становить тільки 1. 5%. Суттєвішим за цих умов є приріст (~ 7%) напруги холостого ходу (рис. 3 (2)). Зменшення під впливом зовнішнього зміщення резистивно-рекомбінаційних втрат веде до зростання більш ніж на 22% коефіцієнта заповнення ВАХ (рис. 3 (3)). Сумарний ефект від впливу зовнішнього зміщення проявляється у зростанні на 30% ККД MIS/IL СЕ (рис. 3 (4)).

Моделюванням роботи СЕ з MIS/IL структурою в режимі зовнішнього зміщення встановлено, що найсуттєвішим є вплив прикладеної напруги у діапазоні від 0 до 0. 6В (див. рис. 3). Виходячи з того, що верхня межа вказаного інтервалу близька до величини напруги холостого ходу MIS/IL СЕ, як джерело зовнішнього зміщення запропоновано використовувати допоміжний MIS/IL СЕ. Ґрунтуючись на цьому, запропоновано нове технічне рішення будови сонячного модуля (СМ), в якому вихідна напруга з допоміжного СЕ подається у зворотному ввімкненні на інверсійні гребінки кількох основних MIS/IL СЕ (рис. 4).

Моделюванням встановлено, що вже при трьох основних СЕ ефективність такого СМ перевищуватиме ККД СМ традиційної конструкції з аналогічною кількістю СЕ (рис. 5). При подальшому збільшенні кількості СЕ ККД запропонованого СМ зростатиме і при використанні у модулі 20 СЕ перевищуватиме ККД СМ традиційної конструкції на 25%. Одержані результати наочно ілюструють високу ефективність використання методу зовнішнього зміщення для підвищення ККД MIS/IL СЕ при їх роботі у складі високопотужних енераційних систем.

Розвиткові запропонованої у другому розділі концепції зменшення оптичних втрат у кремнієвих СЕ шляхом введення в їх структуру нових напівпровідникових матеріалів присвячено четвертий розділ дисертації. Як перспективний для використання з цією метою матеріал досліджується пористий кремній (por-Si).

Узагальнення та аналіз досвіду фотовольтаїчного використання por-Si підтверджує можливість спрощення технології створення та суттєвого підвищення ефективності кремнієвих СЕ при введенні в їх структуру шарів цього матеріалу як антивідбивного покриття. Однак, незважаючи на суттєве зменшення оптичних втрат при використанні por-Si у структурах СЕ, слід відзначити також і певну обмеженість його практичного застосування. Ця обмеженість зумовлена в основному тим, що найбільшої мінімізації втрат на відбивання досягнуто для пористих шарів завтовшки ~ 10 мкм, а просвітлююче покриття з такою товщиною не може бути ефективно використане у структурах СЕ з мілким p-n- переходом. У той же час сучасний рівень антивідбивних властивостей тонких (до 100 нм) шарів por-Si є недостатнім для ефективної мінімізації оптичних втрат у СЕ.

На основі вивчення та аналізу мікроструктури por-Si висунуто гіпотезу про можливість подальшого покращення його антивідбивних властивостей шляхом оптимізації технологічних умов процесу електрохемічного формування цього матеріалу. Експериментальна перевірка цієї гіпотези проводиться у п'ятому розділі дисертаційної роботи. Для розробки методики оптимізації технології формування por-Si використано математичну теорію планування експерименту. Згідно з розробленою методикою на першому етапі оптимізації побудовано модель антивідбивного покриття на основі por-Si з урахуванням особливостей вибраного матеріалу. Моделювання підтвердило гіпотезу про можливість суттєвого зменшення оптичних втрат на відбивання від поверхні пористого шару та надало змогу встановити оптимальний діапазон його оптичних параметрів - товщини та показника заломлення (рис. 6).

При експериментальному визначенні товщини та показника заломлення шарів por-Si за допомогою еліпсометричної спектроскопії встановлено, що традиційні методи оптичного діагностування не можуть бути ефективно використані для визначення оптичних параметрів por-Si. Це пояснено на основі результатів структурного дослідження por-Si, яке виявило значну неоднорідність пористого шару за товщиною по всій площі зразка.

Для ефективного оптичного діагностування шарів por-Si розроблено новий метод визначення його оптичних параметрів, що рунтується на використанні залежності спектрального положення та величини мінімуму спектра відбивання пористого шару від його товщини та показника заломлення. Поряд із простотою та універсальністю цей метод забезпечує також високу точність, що підтверджено зіставленням результатів моделювання та експерименту.

Із використанням розробленої методики оптичного діагностування пористих шарів досліджено вплив на оптичні параметри por-Si технологічних умов його електрохемічного формування. Встановлено, що в найбільшій мірі на величину показника заломлення por-Si впливає густина анодного струму, в той час як товщина пористого шару в основному визначається часом анодної обробки. Дослідженням впливу технологічних умов росту на антивідбивні властивості por-Si встановлено чітко виражені мінімуми відбивання для певних значень густини анодного струму та часу електрохемічної обробки. Це дає змогу досягнути зменшення оптичного відбивання від поверхні por-Si, проте такий хід оптимізації є складним для практичної реалізації внаслідок багатофакторності експерименту. Для уникнення багатофакторності оптимізаційних досліджень запропоновано як основний критерій оптимізації використовувати величину анодного заряду. Такий експериментальний підхід надав можливість швидко встановити діапазон оптимальних оптичних параметрів просвітлюючого покриття на основі por-Si та оптимізувати технологію його формування.

Експериментально встановлено, що мінімізація втрат на відбивання досягається при формуванні шару por-Si в електроліті на основі C₂H₅OH: HF = 1: 1 з густиною анодного заряду в діапазоні від 0. 2 до 0. 25 Кл/см². Антивідбивні покриття, сформовані за таких технологічних умов, характеризуються рекордно низькими коефіцієнтами оптичного відбивання (рис. 7 (a)) і за ефективністю просвітлення є сумірними з найкращими антивідбивними оптичними системами, що використовуються у технології сучасних кремнієвих СЕ.

Поряд із експериментами з просвітлення планарної кремнієвої поверхні у дисертаційній роботі вперше комплексно досліджено вплив електрохемічного анодування на антивідбивні властивості кремнієвої поверхні, текстурованої анізотропним хемічним травленням. Методами електронної мікроскопії встановлено, що у процесі анодування стравлюються вершини та грані пірамід поверхневої текстури. Це, у свою чергу, негативно впливає на антивідбивні властивості текстурованої поверхні. Для того, щоб уникнути пошкодження поверхневої текстури проведено додаткову оптимізацію технології росту шарів por-Si та встановлено умови електрохемічного анодування, які дають змогу формувати пористі шари на текстурованій поверхні без помітного пошкодження геометрії поверхневої текстури.

Оптимізаційними експериментами встановлено, що найкращі результати з просвітлення текстурованої кремнієвої поверхні досягаються при використанні електроліту на основі розчину C₂H₅OH: H₂O: HF = 1: 1: 1 та величини анодного заряду близько 0. 46 Кл/см². Сформовані за таких технологічних умов антивідбивні покриття на основі por-Si характеризуються рекордно низькими коефіцієнтами відбивання (рис. 7 (b)) і є ефективнішими для просвітлення текстурованої поверхні, ніж аналогічні покриття на основі діоксиду чи нітриду кремнію.

З рис. 7 видно, що при використанні у структурі кремнієвих СЕ типових антивідбивних покрить у спектральному діапазоні від 950 до 1100 нм завжди має місце суттєве зростання оптичних втрат. Причиною цього є низький коефіцієнт оптичного поглинання кремнію у ближньому ІЧ-діапазоні. Для зменшення таких втрат у сучасних високоефективних СЕ використовують оптичні системи захоплення світла. Однак технологічна реалізація систем із світлозахоплюючими властивостями є надто складною, що, у свою чергу, ускладнює технологію створення кремнієвих СЕ.

Для суттєвого зменшення оптичних втрат у ближньому ІЧ-діапазоні та спрощення технології створення кремнієвих СЕ запропоновано як оптичну систему захоплення світла використовувати товсті шари por-Si. Цей підхід рунтується на аналізі результатів структурних досліджень товстих пористих шарів. Методами електронної мікроскопії встановлено, що при формуванні por-Si з густиною анодного заряду більше 2 Кл/см² структура шару por-Si являє собою сукупність тонкого (~ 100 нм) приповерхневого мезапористого шару та товстого об'ємного макропористого підшарів. Це дає підстави вважати, що мезапористий шар може ефективно зменшувати оптичні втрати на відбивання, у той час як макропористий шар, розмір неоднорідностей якого сумірний із довжиною світлової хвилі, може забезпечити розсіювання падаючого світлового потоку та сприятиме захопленню світла у структурі СЕ.

Оптимізація технології росту товстих шарів por-Si надала можливість сформувати на їх основі світлозахоплюючі покриття, які зменшують оптичні втрати на відбивання у діапазоні 3001150 нм з 45. 8% до 3. 32% і завдяки своїм антивідбивним властивостям (рис. 8) не мають аналогів у світі.

Оскільки антивідбивне покриття на основі por-Si формується безпосередньо на кремнієвій поверхні, то очевидно, що для мінімізації негативного впливу на вихідні характеристики СЕ поверхневої рекомбінації пористий шар повинен забезпечити також пасивацію поверхні напівпровідника. Однак практика світових досліджень у цій галузі свідчить про те, що por-Si не володіє необхідним рівнем пасивуючих властивостей і до цього часу так і не розроблено ефективного методу їх покращення.

Уперше для ефективного покращення пасивуючих властивостей por-Si запропоновано використовувати його електрохемічну гідрогенізацію у збагачених атомарним воднем електролітах. Встановлено та досліджено оптимальні для практичного використання режими цього процесу. Позитивний вплив електрохемічної гідрогенізації на пасивуючі властивості por-Si підтверджено дослідженням за методом фотолюмінесценції та дослідженням кривих анодного заряджання. Встановлено, що інтенсивність фотолюмінесценції por-Si, яка безпосередньо корелює з його пасивуючими властивостями, зростає після гідрогенізації приблизно у 150 разів (рис. 9). Проведений порівняльний аналіз показав, що за ефективністю покращення пасивуючих властивостей пористих шарів електрохемічна гідрогенізація перевершує методи хемічної обробки por-Si, які вважались до недавнього часу найперспективнішими (рис. 9).

Для суміщення процесу електрохемічного формування антивідбивного покриття на основі гідрогенізованого por-Si з технологією виготовлення кремнієвих СЕ запропоновано формувати пористий шар на завершальному етапі створення структури СЕ після нанесення фронтальної контактної системи. Такий підхід дає змогу уникнути додаткового процесу фотолітографії, завдяки чому спрощує технологію виготовлення кремнієвих СЕ. Щоб запобігти пошкодження контактної гребінки під час анодування у розчині HF тривалість електрохемічної обробки було зменшено до 3-6 секунд. Для того, щоб величина анодного заряду залишалась у діапазоні оптимальних значень, зменшення часу травлення було компенсоване за рахунок збільшення густини анодного струму. Проведені оптимізаційні заходи надали можливість сформувати антивідбивні покриття на основі гідрогенізованого por-Si на поверхні структур кремнієвих СЕ без будь-якого пошкодження фронтальної контактної гребінки.

Вплив антивідбивного покриття на основі гідрогенізованого por-Si на вихідні електричні характеристики та ККД моно- і мультикристалічних кремнієвих СЕ досліджувався з використанням імітатора сонячного спектра AM 1. 5G в Інституті дослідження сонячної енергії (м. Емертхаль, Німеччина). На основі узагальнення експериментальних результатів встановлено механізм та ступінь впливу фронтального пористого шару на вихідні параметри досліджуваних СЕ (рис. 10).

Встановлено, що використання гідрогенізованого por-Si як антивідбивного покриття у структурах моно- та мультикристалічних СЕ сприяє збільшенню їх струму короткого замикання більше ніж на 50%. Однак поряд зі зменшенням оптичних втрат при використанні por-Si у структурі СЕ спостерігається також зростання резистивно-рекомбінаційних втрат, що проявляється у зменшенні напруги холостого ходу (V_oc) та коефіцієнта заповнення ВАХ (FF). Завдяки цьому приріст ККД СЕ з антивідбивним покриттям на основі por-Si обмежений рівнем 30% (рис. 10).

На основі вивчення механізму резистивно-рекомбінаційних втрат у структурах СЕ з por-Si встановлено, що причиною зменшення коефіцієнта заповнення є зростання питомого опору емітера при формуванні пористого шару, а дерадація напруги холостого ходу є наслідком впливу поверхневої рекомбінації. Для подальшого підвищення ККД СЕ з антивідбивним покриттям на основі гідрогенізованого por-Si запропоновано оптимізувати технологічні умови дифузійного процесу та стабілізувати пасивуючі властивості por-Si шляхом його капсуляції.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Квантово-механічним і термодинамічним моделюванням процесу фотовольтаїчного перетворення та на основі розрахунку верхньої межі теоретичного ККД кремнієвих СЕ обчислено величину резистивно-рекомбінаційних та оптичних втрат фотоенерованої потужності у СЕ з дифузійним та індукованим p-n- переходами.

Розроблено принципово новий метод мінімізації резистивно-рекомбінаційних втрат у СЕ з індукованим p-n- переходом, що рунтується на застосуванні зовнішнього електричного зміщення. Встановлено та досліджено механізм впливу зовнішнього зміщення на структурні параметри, вихідні електричні характеристики та ККД цього типу СЕ.

Запропоновано нове технічне рішення будови сонячного модуля, яке передбачає практичне використання зовнішнього електричного зміщення і дає змогу підвищити більше ніж на 25% ККД СЕ з індукованим p-n- переходом при роботі у складі високопотужних енераційних систем.

Удосконалено методику оптимізації та здійснено оптимізацію технологічних умов електрохемічного формування шарів пористого кремнію (por-Si). Завдяки цьому на основі por-Si створено просвітлюючі покриття для кремнієвих СЕ з дифузійним p-n- переходом, які за ефективністю зменшення оптичних втрат сумірні з найкращими антивідбивними оптичними системами.

Встановлено, що у результаті формування por-Si при густині анодного заряду від 2 до 10 Кл/см² структура пористого шару являє собою сукупність тонкого приповерхневого мезапористого та товстого об'ємного макропористого підшарів. Розроблено технологію формування на основі таких шарів por-Si оптичних систем захоплення світла, які зменшують оптичні втрати на відбивання у діапазоні 3001150 нм з 45. 8% до 3. 32% і завдяки своїм антивідбивним властивостям не мають аналогів у світі.

Показано, що ефективного покращення пасивуючих властивостей por-Si можна досягнути електрохемічною гідрогенізацією у збагачених атомарним воднем електролітах. Встановлено та досліджено оптимальні для практичного використання режими цього процесу.

Експериментально встановлено, що використання оптимізованого антивідбивного покриття на основі гідрогенізованого por-Si у структурах моно- та мультикристалічних кремнієвих СЕ забезпечує збільшення струму короткого замикання більше ніж на 50%. Для подальшого підвищення ККД СЕ з просвітлюючим покриттям на основі por-Si запропоновано оптимізувати параметри дифузійного процесу та стабілізувати пасивуючі властивості пористого шару шляхом його капсуляції.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ:

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I. Influence of external bias to photoelectric properties of silicon MIS/IL structures // Solid-State Electronics. - 1998. - 42. - P. 883-889.

Буджак Я.С., Ерохов В.Ю., Мельник И.И. Влияние внешнего электрического смещения на фотоэлектрические свойства кремниевых MIS/IL структур // Физика и техника полупроводников. - 1997. - № 10. - С. 1273-1277.

Єрохов В.Ю., Мельник І.І. Фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії на аморфному кремнію // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. - 1995. - № 297. - С. 83-90.

Пат. 23063 А. Україна, МКВ H 01 L 31/05. Сонячний модуль високопотужної енергетики / Єрохов В. Ю., Мельник І. І., Раренко І. М. (Україна) ; ДУ “Львівська політехніка”. - № 94086785; Заявл. 29. 08. 94; Опубл. 30. 06. 98, Бюл. № 3.

Ерохов В.Ю., Мельник И.И. Пути повышения КПД фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии // Гос. ун-т “Львівська політехніка”. - Львов, 1994. - 21 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 03. 06. 94, № 1094 - Ук. 94.

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I., Iznin O.I. Photoconversion in solar cells structures with porous silicon // Proc. of SPIE “Photoconversion: Science and Technologies”. - 1998. - 3580. - P. 168-177.

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I., Konopaltseva L.I. Increase of photoconversion efficiency in MIS/IL solar cells // Proc. of SPIE “Photoconversion: Science and Technologies”. - 1998. - 3580. - P. 178-184.

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I., Gasko L.Z., Iznin O.I. Porous silicon hydrogenizing for solar cells // Abstracts Book Int. Conf. on Porous Semiconductors: Science and Technology. - Malorca (Spain). - 1998. - P. 247.

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I., Bogdanovsky Yu. N., Iznin O.I. Hydrogenated porous silicon in solar cells structures // Proc. 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion. - Vienna (Austria). - 1998. - P. 1256-1259.

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I. Porous silicon in structures of solar cells // Proc. School-workshop “Solar Cells: A New Challenge For the Mediterranean Area (Physics of Materials for Solar Energy Conversion) ”. - Portici (Italy). - 1997. - P. 67-75.

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I., Iznin O.I. Solar cells structures with porous silicon // Abstract Booklet Second Int. School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. - Chernivtsi (Ukraine). - 1997. - P. 270.

Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I. Thin Films of Porous Silicon in Photoelectric Transmitters // Abstracts Book 10th International Conference of Thin Films. - Salamanca (Spain). - 1996. - P. 179.

Мельник І.І. Розробка нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 27. 01 - твердотільна електроніка. - Державний університет “Львівська політехніка”. Львів, 1999.

Дисертацію присвячено розробці та дослідженню нових методів мінімізації резистивно-рекомбінаційних та оптичних втрат у кремнієвих сонячних елементах (СЕ) з дифузійним та індукованим p-n- переходами. Для зменшення резистивно-рекомбінаційних втрат у СЕ з індукованим p-n- переходом запропоновано використовувати зовнішнє електричне зміщення. Обрунтувані ефективність та напрямки практичного використання цього методу. Оптичні втрати запропоновано мінімізувати введенням у структуру кремнієвих СЕ шарів пористого кремнію (por-Si). Для покращення антивідбивних властивостей por-Si оптимізовано технологію його електрохемічного формування. Суттєвого покращення пасивуючих властивостей цього матеріалу досягнуто завдяки розробленому методу електрохемічної гідрогенізації. Експериментально підтверджено ефективність використання гідрогенізованого por-Si для мінімізації оптичних втрат у структурах моно- та мультикристалічних кремнієвих СЕ.

Ключові слова: фотоелектричний перетворювач, кремній, сонячний елемент, пористий кремній, антивідбивне покриття, гідрогенізація.

Melnyk I.I. Development of new methods for efficiency increase of silicon photoelectric converters of a solar energy. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 05. 27. 01 - solid-state electronics. - State university “Lviv polytechnic”. Lviv, 1999.

The dissertation is devoted to development and research of new methods of minimization of resistive-recombination and optical losses in silicon solar cells (SC) with diffused and induced p-n junctions. For reduction of resistive-recombination losses in SC with induced p-n junction its offered to use external bias. The substantiation of efficiency and directions of practical use of the given method is carried out. The minimization of optical losses are offered to by reaching by introduction in silicon SC structure of porous silicon (por-Si) layers. For improvement of antireflecting properties of por-Si the optimization of technology of its electrochemical formation is carried out. Essential improvement of passivation properties of this material is achieved due to the developed method of an electrochemical hydrogenation. Efficiency of use of hydrogenated por-Si for minimization of optical losses in structures of mono- and multicrystalline silicon SC is experimentally confirmed.

Key words: photoelectric converter, silicon, solar cell, porous silicon, antireflection coating, hydrogenation.

Мельник И.И. Разработка новых методов повышения эффективности кремниевых фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 27. 01 - твердотельная электроника. - Государственный университет “Львовская политехника”. Львов, 1999.

Диссертационная работа посвящена разработке новых рентабельных методов повышения эффективности кремниевых солнечных элементов (СЭ) с p-n- переходом и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и списка использованных литературных источников.

Во введении обоснована актуальность диссертационных исследований, сформулирована их цель и задачи, описана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

На основе обзора и анализа научных публикаций показано, что наиболее оптимальными для использования в высокомощных генерационных системах являются кремниевые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), среди которых наиболее эффективными являются ФЭП с p-n- переходом и СЭ со структурой металл/диэлектрик/полупроводник с индуцированным инверсным слоем (MIS/IL). Рассмотрена эволюция структур этих типов ФЭП и намечены направления их дальнейшего развития. Разработана общая методика диссертационных исследований, направленных на повышение эффективности кремниевых СЭ с диффузионным и индуцированным p-n- переходами.

В соответствии с определенными целью, объектами и методикой исследований, осуществлено качественное и количественное определение факторов, которые ограничивают достижение максимальной эффективности фотовольтаического преобразования в структурах кремниевых СЭ с p-n- переходом. Для этого проведено моделирование фотовольтаического преобразования в структуре кремниевых СЭ с p-n- переходом и расчет верхней границы их теоретического КПД.

Установлено, что основными типами потерь фотогенерированной мощности в СЭ с диффузионным и индуцированным p-n- переходами являются резистивно-рекомбинационные и оптические потери. Обобщение и анализ теоретических исследований дает основания полагать, что эффективной минимизации омических и оптических потерь в СЭ с p-n- переходом возможно достичь или при использовании новых, нетрадиционных для кремниевой фотовольтаики эффектов, или путем введения в их структуру новых полупроводниковых материалов.

В соответствии с этим для эффективного уменьшения резистивно-рекомбинационных потерь в СЭ с индуцированным p-n- переходом разработан простой для технической реализации метод, основанный на использовании внешнего электрического смещения. Исследован механизм влияния внешнего смещения на структурные параметры, выходные электрические характеристики и КПД MIS/IL СЭ. Обоснованы целесообразность и направления практического использования данного метода, а также предложено новое техническое решение конструкции солнечного модуля, которое позволяет повысить более чем на 25% КПД СЭ с индуцированным p-n- переходом при их работе в составе высокомощных генерационных систем.

В качестве перспективного материала для уменьшения оптических потерь в кремниевых СЭ исследуется пористый кремний (por-Si). Обобщение и анализ опыта фотовольтаического использования por-Si подтверждает возможность упрощения технологии получения и существенного повышения эффективности кремниевых СЭ при введении в их структуру слоев этого материала в качестве антиотражающего покрытия. На основе изучения и анализа микроструктуры por-Si выдвинута гипотеза о возможности дальнейшего улучшения его антиотражательных свойств путем оптимизации технологических условий процесса электрохимического формирования этого материала. С этой целью разработана и обоснована методика оптимизации технологии роста пористых слоев. С использованием данной методики на основе por-Si созданы просветляющие и светозахватывающие оптические покрытия для кремниевых СЭ с планарной и текстурированной поверхностью, которые по эффективности уменьшения оптических потерь сопоставимы с наилучшими антиотражающими оптическими системами.

Впервые для эффективного улучшения пассивирующих свойств por-Si предложено использовать электрохимическую гидрогенизацию. Экспериментально исследованы оптимальные для практического использования режимы данного процесса. Положительное влияние электрохимической гидрогенизации на пассивирующие свойства por-Si подтверждено исследованиями с использованием ряда экспериментальных методик.

Оптимизационными исследованиями установлены технологические условия, которые позволяют формировать слой гидрогенизированного por-Si на завершающем этапе создания структуры СЭ без повреждения фронтальной контактной системы. Экспериментально подтверждена эффективность использования такого оптимизированного антиотражающего покрытия для минимизации оптических потерь в структурах моно- и мультикристаллических кремниевых СЭ. Проведен анализ результатов и разработаны практические рекомендации относительно дальнейшего повышения КПД СЭ с просветляющим покрытием на основе por-Si.

Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, кремний, солнечный элемент, пористый кремний, антиотражающее покрытие, гидрогенизация.

Размещено на Allbest.ru