Технические науки/5. Энергетика

К.т.н. Герасименко Н.В.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Украина

Исследование зависимости выходных параметров HIT солнечных элементов от концентрации поверхностных дефектов

Повышение эффективности кремниевых солнечных элементов (СЭ) связано со снижением концентрации дефектов на поверхности кремниевой пластины. Известно, что наличие электрически активных дефектов, оказывающих шунтирующее влияние на p-n-переходы СЭ, сопровождается ухудшением эксплуатационных характеристик приборов – понижением напряжения холостого хода и коэффициента заполнения (FF) [1]. Наличие указанных дефектов снижает КПД СЭ [2].

Значения эффективности HIT-СЭ (“heterojunction with intrinsic thin layer” - гетеропереход с тонким слоем аморфного кремния (α-Si:H) собственной проводимости) сравнимы со значениями эффективности c-Si СЭ, что обусловлено хорошими пассивирующими свойствами беспримесных a-Si:H слоев.

Все выходные характеристики СЭ обладают высокой чувствительностью к плотности дефектов поверхностных состояний (N_ss) на фронтальной поверхности (на стороне эмиттерного слоя) c-Si пластины n-типа [3].

Одним из технологических факторов, влияющих на качество и структурные свойства пленок аморфного кремния, является скорость прокачки газовой смеси в камеру. Как известно [4], при увеличении скорости прокачки газовой смеси, уменьшается концентрация водорода и растет количество оборванных связей в аморфном кремнии, которые связывают поверхностные примеси на пластине c-Si. В результате уменьшается скорость рекомбинации и возрастает эффективного времени жизни (τ_eff) пропорционально росту толщины d пленки (рис. 1). Наибольшее значение τ_eff и соответственно минимальное количество дефектов наблюдается при оптимальном соотношении скорости прокачки газовой смеси 16 см³∙с^-1 и толщине i-слоя a-Si:H 8,7 нм.

Рисунок 1 - Зависимость τ_eff неосновных носителей заряда c-Si пластины от толщины i-слоя и скорости прокачки смеси в камеру

При увеличении концентрации дефектов на поверхности пластины c-Si от 10¹⁰ до 10¹³ см^-2 уменьшаются параметры V_oc и КПД, что связано с изменением концентрации зарядов в области пространственного заряда (рис. 2 а).

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость параметра V_oc и КПД от (а) концентрации дефектов и (б) толщины слоя (i)α-Si:H

Проведено исследование влияния i-слоя аморфного кремния на эффективное время жизни неосновных носителей заряда и выходные характеристики HIT СЭ. Основное внимание уделялось эффекту изменения толщины слоя аморфного кремния с собственной проводимостью в гетеропереходе (p)a-Si:H/(n)c-Si. При толщине лицевого (i)a-Si:H слоя 8,7 nm в HIT-СЭ достигается самое высокое значение эффективности фотопреобразования (рис. 2 б).

Следовательно,благодаря пассивирующим свойствам i-слоя происходит связывание поверхностных дефектов, ослабление их влияния на концентрацию носителей заряда в приповерхностном слое монокристаллической подложки и как следствие рост параметра V_oc с 650 по 703 mV с увеличением толщины слоя (i) a-Si:H от 3 до 8,7 nm (рис. 2 б).

Из рисунка 2 видно, что зависимость V_oc и КПД от N_ss на c-Si пластине [3] имеет такой же характер, как и зависимость V_oc и КПД от толщины слоя (i) a-Si:H, что еще раз подтверждает пассивирующие свойства тонкого беспримесного слоя аморфного кремния.

Наблюдается взаимосвязь увеличения τ и КПД при увеличении толщины i-слоя a-Si:H (рис. 3). Это объясняется прямой зависимостью увеличения эффективного времени жизни неосновных носителей заряда при уменьшении плотности дефектов на поверхности c-Si пластины за счет улучшения пассивации с ростом толщины i-слоя a-Si:H.

Рисунок 3 - Зависимость эффективного времени жизни (треугольники) и КПД (кружки) от толщины слоя (i)α-Si:H

При низкой плотности дефектов на поверхности c-Si пластины наблюдается некоторая чувствительность выходных характеристик СЭ к параметру τ_eff. Фактически эффективность преобразования повышается на ~ 1,66 % в (n)c-Si HIT элементах при изменении значений τ_eff от 266 до 1467 мкс. С другой стороны наблюдается сильная чувствительность к N_ss. Характеристики HIT элемента полностью зависят от этой величины в тех случаях, когда она принимает большие значения, при этом полностью отсутствует чувствительность к τ_eff [3].

Установлено, что улучшение характеристик HIT-СЭ с текстурированной c-Si подложкой n-типа в качестве поглотителя достигается за счет пассивации дефектов на поверхности c-Si пластины и повышения эффективного времени жизни неосновных носителей заряда.

Показано, что для рассмотренной HIT структуры с увеличением толщины i-слоя a-Si:H от 3 до 8,7 нм происходит рост параметра V_oc от 650 до 703 mV и увеличение времени жизни неосновных носителей заряда τ_eff от 266 до 1467 мкс соответственно. Это связано с уменьшением плотности дефектов на поверхности пластины (n) c-Si за счет пассивации слоем (i) a-Si:H. Результатом такой пассивации является увеличение КПД HIT-СЭ от 17,74 до 19,4 %.

Литература:

1. Rakotoniaina J.P., Breitenstein O., Langenkamp M. / Localization of weak heat sources in electronic devices using highly sensitive lock-in thermography // Materials Science and Engineering, 2002, B91-92, p. 485-481.

2. Breitenstein O., Rakotoniaina J.P., Al Rifai M.H. / Quantitative Evaluation of Shunts in Solar Cells by Lock-In Thermography // Prog. Photovolt: Res. Appl. 2003, Vol. 11, p. 515-526.

3. A. Datta, M. Rahmounib, M. Nath, R. Boubekri, P. Roca i Cabarrocas, P. Chatterjee / Insights gained from computer modeling of heterojunction with instrinsic thin layer “HIT” solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells: Vol. 94, Issue 9, 2010, P. 1457–1462.

4. О.А. Голикова, М.М. Казанин и др. ФТП, 1997, т. 31, №7, с.816-819.