Исследование тонкопленочных структур на основе CdTe и их применение в солнечных батареях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение

1. Электрофизические свойства тонких пленок CdTe и требования к ним с точки зрения применения в фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии

1.1 Тонкопленочные солнечные элементы на неориентирующих 8 подложках

1.2 Описание межкристаллитных границ в поликристаллических 14 пленках

1.3 Электрические свойства поликристаллических слоев CdTe

1.4 Оптические и фотоэлектрические характеристики пленок CdTe

1.5 Тонкопленочные солнечные элементы на основе CdTe

1.6 Выводы

2. Влияние размера кристаллитов, и 1ч>лщины на свойства полупроводниковых пленок, используемых в качестве активного слоя в солнечных элементах

2.1 Влияние параметров полупроводниковой пленки на 37 эффективное время жизни фотоносителей

2.2 Возникновение отрицательного дифференциального 49 сопротивления в тонкопленочных структурах

2.3 Выводы

3. Исследование структур на основе CdTe

3.1 Анализ возможных конструкций тонкопленочных солнечных элементов на основе CdTe

3.2 Изготовление и исследование стабильности гетероструктур Sn02-n-CdS/p-CdTe и n-Sn02/p-CdTe

3.3 Исследование эффекта фотопамяти в тонкопленочных фотопреобразователях на основе CdTe

3.4 Выводы

4. Разработка модуля солнечной батареи

4.1 Основные требования к конструкции модуля

4.2 Разработка конструкции батареи

4.3 Ограничения на увеличение площади, роль фронтального покрытия и токособирающих электродов

4.4 Выводы

5. Разработка технологии тонкопленочных солнечных батарей и установки для их производства

5.1 Выбор технологической схемы

5.2 Разработка рабочих камер и установки

5.3 Выводы

6. Некоторые возможные применения тонкопленочных солнечных модулей на основе CdTe

6.1 Перспективы применения тонкопленочных солнечных модулей

6.2 Автономное устройство пожарной сигнализации

6.3 Настенные часы с автономным источником, подзаряжаемым от фотоэлектрического модуля

6.4 Подзарядное устройство для аккумуляторных батарей

6.5 Выводы 143 Заключение 144 Список использованных источников

Анализ имеющихся литературных данных и знакомство с имеющимися разработками показали, что тонкопленочные приборы на неориентирующих подложках нашли широкое применение в тех областях, где они имеют ряд преимуществ перед монокристаллическими из-за возможности их изготовления на неориентирующих подложках большой площади. Это жидкокристаллические и электролюминесцентные дисплеи, солнечные элементы и панели на их основе. При этом, если при изготовлении управляющих матриц ЖК-дисплеев предпочтение отдается a-Si:H, то в области тонкопленочных солнечных элементов слои CdTe -перспективный материал. Он может, с одной стороны, потеснить a-Si:H, а с другой, в паре с a-Si:H может успешно использоваться при создании многокаскадных тонкопленочных СЭ. Поэтому в качестве основного направления работы было выбрано исследование, направленное на повышение фотоэлектрических характеристик пленок CdTe и структур на их основе, а также поиск возможностей для расширения номенклатуры тонкопленочных приборов вообще, и в частности на основе CdTe.

В связи с тем, что приборы на основе материалов с неупорядоченной структурой могут обладать повышенной деградацией, то в процессе исследования было необходимо выявить основные факторы, которые могут оказывать влияние на изменение характеристик структур на основе CdTe, указать возможные пути повышения их стабильности.

Поскольку к факторам, оказывающим наиболее сильное влияние на параметры этих пленок, относятся поликристалличность и внешние границы раздела, то именно их изучение и составило один из основных предметов исследования. В свою очередь, структурные характеристики определяются технологией изготовления пленок. Поэтому важнейшим аспектом работы стал технологический аспект, связанный с выбором оптимального для этого материала процесса нанесения пленок, который можно было бы положить в основу технологии получения тонкопленочных солнечных батарей на основе CdTe. ■ - .

Поэтому важнейшей задачей являлась разработка замкнутого процесса, который в перспективе мог бы быть использован для производства солнечных модулей. При этом желательно было разработать такой процесс, который в перспективе мог бы быть использован для производства многокаскадных солнечных элементов.

Поликристаллические полупроводниковые пленки, нанесенные на неориентрирующие подложки, в отличие от эпитаксиальных, имеют сравнительно ограниченное применение, что объясняется наличием в них макродефектов в виде границ кристаллитов, ухудшающих их электрофизические параметры и делающих их непригодными для усилительных приборов. Вместе с тем покрытия на основе этих пленок могут иметь большие площади, поликристаллические пленки могут быть нанесены на подложки из самых различных материалов, в том числе и полимерных, поэтому в таких устройствах, как солнечные элементы, они "i обладают хорошими перспективами при условии обеспечения хороших фотоэлектрических параметров. Для поликристаллических слоев ряда полупроводниковых соединений группы А2В6 удается получить фотоэлектрические параметры, не уступающие монокристаллическим слоям. Поэтому эти материалы одни из первых нашли применение при серийном выпуске фоторезисторов. На основе этих материалов в числе первых были созданы опытные образцы фотопреобразователей небольшой площади. Однако работы по созданию на их основе солнечных батарей большой площади столкнулись со значительными трудностями как конструкторско-технологического плана, так и принципиального характера, поскольку с увеличением площади наблюдается падение эффективности преобразования, обусловленное целым комплексом причин.

Основными целями работы являлось экспериментальное и теоретическое изучение влияния межкристаллитных и внешних границ на фотогенерацию и электроперенос в поликристаллических активных слоях полупроводниковых приборов и, в первую очередь, тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей. При этом в качестве материала исследования был выбран теллурид кадмия как один из наиболее перспективных материалов для солнечных элементов. Исследовались факторы, влияющие на снижение эффективности солнечных элементов СЭ при увеличении их площади.

Прикладные цели работы заключаются в разработке конструкции тонкопленочной солнечной батареи на основе CdTe, ее технологии и изготовлении опытных образцов, а также в разработке и апробации технологической схемы, пригодной для их массового производства

Для достижения поставленных целей необходимо было решить ряд конкретных задач:

- выполнить исследование влияния различных физических процессов в поликристаллической пленке активного слоя на ее фотоэлектрические характеристики;

- оценить возможные варианты активной гетероструктуры со слоем CdTe с точки зрения перспективы ее использования в солнечном элементе; выполнить исследование процессов оказывающих влияние на стабильность и деградацию солнечных элементов на основе поликристаллических слоев CdTe; выполнить анализ конструктивно-технологических параметров, ограничивающих эффективность преобразования и препятствующих увеличению площади солнечных элементов;

- разработать конструкцию и технологию солнечной батареи на основе CdTe, изготовить опытные образцы;

- разработать экспериментальную установку для изготовления солнечной батареи в едином технологическом цикле.

В результате научная новизна работы состоит в следующем: предложена феноменологическая модель, позволяющая связать электрофизические параметры поликристаллического слоя с его фотоэлектрическими характеристиками;

- предложена и рассчитана генерационно-рекомбинационная модель двойной инжекции, объясняющая возникновение токовой неустойчивости, наблюдающейся в тонких слоях CdTe и других полупроводниковых материалов; выполнены расчеты, оптимизирующие параметры фронтального токособирающего слоя тонкопленочного солнечного элемента;

- обнаружен и исследован эффект фотопамяти, позволяющий исследовать состояние межкристаллитных границ и прогнозировать возможную деградацию солнечных элементов.

Ее практическая ценность заключается в том, что: предложена конструкция и изготовлены опытные образцы тонкопленочных солнечных батарей не основе CdTe;

- разработан и предложен метод экспериментального контроля состояния межкристаллитных границ фотопроводящих поликристаллических слоев;

- спроектирована технологическая установка и изготовлен действующий макетный образец для изготовления тонкопленочных солнечных батарей на основе CdTe.

По результатам выполненных исследований сделаны доклады на научно-технических конференциях и семинарах. С разработанными образцами и технологией тонкопленочных солнечных батарей ознакомлено руководство ряда предприятий, специализирующихся в этом направлении.

6.5 Выводы

На основе результатов, изложенных в шестой главе, можно сделать следующие выводы:

- Параметры разработанных тонкопленочных фотопреобразователей позволяют использовать их в электронных устройствах малой и средней мощности.

Для полной реализации достоинств разработанных преобразователей целесообразно выполнить специальные разработки электронных устройств с учетом особенностей характеристик тонкопленочных фотопреобразователей как первичных источников энергии.

- Массовое потребление разработанных фотопреобразователей может обеспечить разработку дешевых автономных датчиков охранной сигнализации с использованием в качестве источника энергии тонкопленочных фотобатарей.

- Разработанные модули имеют перспективу для использования в ряде устройств с фотоэлектрическими преобразователями, выпускаемых различными фирмами, заменив применяемые в настоящее время монокристаллические фотопребразователи.

Заключение

В диссертационной работе представлены результаты экспериментального и теоретического исследования тонкопленочных структур на основе CdTe и их применения в солнечных батареях.

Основные полученные результаты могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполнено экспериментальное и теоретическое изучение влияния межкристаллитных и внешних границ на фотогенерацию и электроперенос в поликристаллических активных слоях полупроводниковых приборов, и в первую очередь, тонкопленочных фотоэлектрических преобразователях на основе поликристаллических слоев CdTe. Показано, что влияние внешних поверхностей и границ раздела кристаллитов на эффективное время жизни инжектированных носителей заряда имеют много общего и, несмотря на различную физическую природу ловушек, могут анализироваться с единых позиций. При этом для кристаллитов, размеры которых сравнимы с диффузионной длиной, возможно использование некоторых усредненных значений скорости рекомбинации и поверхностного потенциала на межкристаллитной границе. Выполнены расчеты, устанавливающие связь эффективного времени жизни неосновных носителей заряда в пленке и скоростью межграничной рекомбинации, пограничным потенциалом и размерами кристаллитов.

2. Показано, что для любых заданных значений объемного времени жизни существуют конкретные значения размеров кристаллитов и толщины пленки, при переходе через которые наблюдается резкое ухудшение фотоэлектрических характеристик.

3. Выполнен анализ конструктивно-технологических параметров, ограничивающих эффективность преобразования и препятствующих увеличению площади солнечных элементов. В частности, установлена связь между параметрами прозрачного фронтального покрытия, конфигурацией токобирающих электродов и энергетическими потерями во фронтальном слое. Показано, что существует сравнительно узкая область, в которой параметры фронтального слоя являются оптимальными.

4. Экспериментально и теоретически продемонстрировано, что при биполярной инжекции в тонкие пленки полупроводников или диэлектриков в случае умножения носителей заряда возможно существование двух устойчивых состояний электронной подсистемы при наличии захвата и рекомбинации инжектированных носителей заряда. То есть может иметь место динамический фазовый переход. При этом напряжение перехода контролируется генерационно рекомбинационными параметрами пленки. Для малых толщин это напряжение становится сравнимым со значениями рабочих напряжений полупроводниковых схем, что делает возможным применение тонкопленочных приборов с двойной инжекцией и ОДС в устройствах регистрации и обработки информации.

5. Показано, что в тонкопленочных поликристаллических фотопреобразователях под действием излучения происходит изменение хемсорбционного равновесия на межкристаллитных границах, что сопровождается изменением высоты барьеров и, соответственно, скорости поверхностной рекомбинации. Предложена и апробирована экспериментальная методика, которая позволяет определять тип доминирующих состояний на границах кристаллитов. Показано, что изменение типа адсорбции при освещении приводит в поликристаллических солнечных элементах к возникновению фотопамяти, нестабильности параметров и может способствовать как улучшению, так и снижению эффективности фотопреобразования.

6. Предложена и экспериментально проверена технологическая схема производства тонкопленочных солнечных элементов на основе гетеропереходов CdS/CdTe и SnCVCdTe. Предложена конструкция и технология изготовления тонкопленочных модулей на основе солнечных элементов с гетеропереходами CdS/CdTe и Sn02/CdTe. Изготовлены экспериментальные образцы. Предложена конструкция модуля фотопреобразователя, позволяющая исключить применение пайки и сварки при его сборке.

7. Разработана и испытана технологическая камера для осаждения активных полупроводниковых слоев тонкопленочных солнечных элементов. На основе проведенных испытаний спроектирована установка для производства тонкопленочных солнечных элементов и модулей. Изготовлен действующий макет камеры, позволивший изготовить экспериментальные образцы. На технологический блок изготовлена конструкторская документация.

8. Испытаны макетные образцы электронных устройств с фотоэлектрическим источником питания.

В заключение автор выражает благодарность профессору Воронкову Э.Н. за предложенную тему, над которой автор начал работать еще в студенческие годы, а также постоянную помощь при выполнении данной работы; к.т.н. Чиркову В. Г. за первые уроки технологии нанесения тонких пленок, помощь при экспериментах, подготовке образцов, конструировании рабочих камер; Шаронову А.Е. за помощь при измерениях фотоадсорбции в поликристаллических слоях CdTe структурах, Власенко В.А., Рахчееву Д.В. за их вклад в разработку и апробацию схем, использующих в качестве источника питания тонкопленочные фотобатареи из CdTe; Короткову И. В. за его вклад в разработку схемы управления технологической установкой.

Особую признательность автор выражает профессору Гуляеву A.M. за внимательное отношение к данной диссертационной работе, помощь в организации ее защиты, а также за плодотворные дискуссии, стимулировавшие представленные в диссертации исследования.

1. Chabot В. Economie de l'Electricite Photovoltaique: Produits, Services, Marches. Cour UNESCO: "Electricite Solaire pour les Zonea Rurales et Isolees", Paris, Juillet 1991.

2. Morel D.L. Progress in high efficiency thin film solar cells // Solar Cells. 1991. - Vol. 25. - P. 157 - 164.

3. Basol B.M. Polycrystalline Thin Film Compound Solar Cells// Doga- Tr. J. of Physics. 1992. - Vol. 16. - P. 107 - 132.

4. Geoffrey A.L. Technology Assessment of Thin-Film Cascade Photovoltaic Modules // Solar Cells. 1988. - Vol. 25. - P. 203 - 221.

5. Макарова M.B., Масленников B.H., Чирков В.Г., Андреев А.А., Феоктистов Н.А., Певцов А.Б., Карабанов С.М. Тонкопленочные солнечные элементы для бытовой аппаратуры // Тр. Моск. энерг. ин-та, Москва. 1990. - вып. 233. - С. 38-41.

6. Воронков Э.Н., Варганов С.В., Шалимова К.В. Пленочный фотоэлектрический элемент на основе CdTe // Вопросы специальной электроники. 1984. -Сер.11. -Вып.2. -С. 50 - 53.

7. Воронков Э.Н., Курносов А.Н. Полупроводниковая микроэлектроника. -М.: Воениздат, 1973. 384 с.

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

9. Фаренбрух, Р. Бьюб. Солнечные элементы: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987. -278 с.

10. Н. Ullal, К. Zweibel and В. von Roedern. Current status of polycrystalline thin-film PV technologies. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 301 305.

11. F. J. Alvarez, N. Di Lalla and A. Lamagna. Thin film CdS/CdTe Solar Cells prepared by electrodeposition using low cost materials. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 459 462.

12. E. S. Fairbanks, M. T. Gates. Adaptation of Thin-film photovoltaic technology for use in space. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 979 982.

13. Robert. W. Birkmire. Recent progress and critical issues in thin filmthpolycrystalline solar cells and modules. Conference Record 26 IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 295 300.

14. J. Tang, D. Mao, T. R. Ohno, V. Kaydanov and Y. U. Trefny. Properties of ZnTe:Cu thin films and CdS/CdTe/ZnTe solar cells. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 439 442.

15. J. Appl. Phys. 1980. V.51. No 11. P.575

16. Кубо P. Статистическая механика: Пер. с англ. -М.: Мир, 1967.152 с.

17. 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.

18. Муравьев JI.H. Получение и исследование эпитаксиальных пленок CdTe HCdHg(1.x)Tex и создание гетеропереходов на их основе. —М.: МЭИ, 1975.- 128 с.

19. Воронков Э.Н., Курносов А.Н. Полупроводниковая микроэлектроника. -М.: Воениздат, 1973. 293 с.

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

21. Е. N. Voronkov. Role of recombination process for switching in chalcogenide glasses. Proceedings of conference "Amorphous semiconductors" ( Garmish-Parkenkirchen, Germany, 1991) pp. 45 49.

22. Попов И.А. Метастабильность электронных состояний в а-Si:H и ее влияние на свойства материала и параметры тонкопленочных транзисторов: Автореферат дисс. канд. физ. мат. наук. -М.: МЭИ, 1993. -19 с.

23. Возобновляемые источники энергии. Сб. научных трудов. -№ 233. -М.: МЭИ, 1990. 274 с.

24. Попов И.А. Структурная модификация свойств аморфного гидрирогенизированного кремния // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы докладов научн.-техн. семинара. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1995. -С. 112-117.

25. Колобаев В.В. Использование тонкопленочных гетеропереходов для создания многокаскадных солнечных элементов // Московскаяконференция "Студенческая осень 94" : Материалы конф. -М.: МИФИ, 1995. -Ч. 3. -С. 75 - 77.

26. Воронков Э.Н., Чирков В.Г., Колобаев В.В. Солнечные батареи на основе пленок CdTe, нанесенных на стеклянную подложку // Энергосберегающие полупроводниковые технологии для промышленности России: Тез. докл. конф. 18-19 июня 1997 г. Москва, 1997. - С. 23.

27. Воронков Э.Н. Способ получения многослойных полупроводниковых покрытий и устройство для его осуществления. А.С. СССР № 1326103 от 22.03.87. MKHH01L21/203.

28. Воронков Э.Н. Способ получения фоточувствительных слоев. А.С. СССР № 370278 от 04.04.78. МКИ С23с13/02.

29. Воронков Э.Н., Боровов Г.И. Способ обнаружения неоднородности электрического поля в МДП и МДМ структурах. А.С. СССР № 755091 от 14.04.80 МКИ G01N25/02.

30. Воронков Э.Н. и др. Способ определения степени легирования полупроводниковых пластин и устройство для его реализации. А.С. СССР № 1213910 от 15.05.84 МКИ H01L21/66.

31. Колобаев В.В. Использование тонкопленочных гетеропереходов для создания многокаскадных солнечных элементов // Московская конференция "Студенческая осень 94" : Материалы конф. -М.: МИФИ, 1995. -Ч. 3. -С. 75 - 77.

32. Воронков Э.Н., Шаронов А.Е., Колобаев В.В. Фотопамять в тонкопленочных солнечных элементах на основе CdTe // Физика и техника полупроводников. -1999. -Т. 33. -Вып. 4. -С. 481 483.

33. Колобаев В.В., Чирков В.Г., Воронков Э.Н. Тонкопленочные солнечные батареи на основе теллурида кадмия // Международная конференция по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-98): Тез. докл. М., 1998. -С. 78-79.

34. Чирков В.Г. Разработка тонкопленочных солнечных элементов: Дисс. канд. техн. наук. М., 1995. - 112 с.

35. Аркадьева Е.Н., Рыбкин С.М. Индуцированная инфракрасная фоточувствительность в некоторых полупроводниках // Физика твердого тела. 1960. - Т. 2. - С. 1889 - 1890.

36. Аркадьева Е.Н. Влияние уровней прилипания на кинетику примесной фотопроводимости полупроводников // Физика твердого тела. -1962.-Т. 4. С. 3048-3053.

37. Т. Okamoto, N. Amin, A. Yamada and others. Photoluminescence study of highly efficient CdTe thin film colar cells. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 5470-550.

38. T. Gessert, P. Sheldon, X. Li, D. Dunluvy, D. Niles, R. Sasala, S.

39. Albright and B. Zadler. Studies of ZnTe back contacts to CdS/CdTe Solar Cells.th

40. Conference Record 26 IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 419-423.

41. D. M. Oman, S. Karthikeyan, C. S. Ferekides and D. L. Morel.•

42. Junction mechanisms in CdS/CdTe solar cells. Conference Record 26ш IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 957 960.

43. Y. Qu, P. V. Meyers and B.E. McCandless. HCI vapor post-deposition heat treatment of CdS/CdTe films. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp.1013-1016.

44. M. Florez, W. De La Cruz, P. Teheran, L. Gota and G. Gordillo. Low resistance contact to CdTe thin films. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 937 940.

45. Т. J. McMahon, В.von Roedern. Effect of light intensity on current collection in thin-film solar cells. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 375 378.

46. R. Ahrienkel, D. Levi, S. Jonston and others. Photoconductive lifetime of CdS used in thin-film solar cells. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 535 538.

47. A. Niemegeers, M. Burgelman. Numerical modelling of AC-characterteristics of CdTe and CIS solar cells. Conference Record 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Washington, D.C., 1996), pp. 901 904.

48. R. C. Powell, R. Sasala, G. Rich and others. Stability testing of CdS/CdTe thin-film photovoltaic modules. Conference Record 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Washington, D.C., 1996), pp. 785 788.

49. J. Bohland, I. Anisimov and T. Dapkus. Economic recycling of CdTe photovoltaic modules. Conference Record 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, California, 1997), pp. 355 359.

50. D.W. Sandwisch. Development of CdTe module manufacturing. Proc. 1st WCPEC (Waikoloa, Hawaii, 1994), pp. 836 840.

51. Стафеев В.И. Физика твердого тела. 1959. - Т. 16. - 841 с.

52. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах: Пер. с англ. М.: Мир, 1973. - 416 с.

53. Шёлль Э. Самоорганизация в полупроводниках. Неравновесные фазовые переходы в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами: Пер. с англ. М.: Мир, 1991.-451 с.

54. Волькенштейн Ф.Ф. Электронные процессы на поверхности полупроводников при хемсорбции. М.: Наука, 1987. - 431 с.

55. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1986. 246 с.