International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

5 (January, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

PHYSICS AND MATHEMATICS

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И УСЛОВИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕТЕРО СТРУКТУРНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ОЛИМОВ Шоирбек Абдукоххорович

докторант

Северо-Китайский Университет Энергетики

 

КАСИМАХУНОВА Анархан Мамасадиковна

д-р. техн. наук, профессор

Ферганский политехнический институт

 

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

 

НОУ-ФУ ЧЕН

д-р. техн. наук, профессор

Северо-Китайский Университет Энергетики

 

РЕСПУБЛИКА УЗБЕКИСТАН КИТАЙСКАЯ

НАРОДНАЯ РЕСПУБЛИКА


Анотація. В работе приведены результаты изыскания наиболее совершенной технологии изготовления полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей энергии. Проанализированы методы изготовления и исследования тонкопленочных гетеропереходных солнечных элементов на основе кремния р-типа. Произведен выбор материалов исходных компонентов и структура тонкопленочного солнечного элемента. По результатам разработанной технологии получения высокоэффективного преобразователя с базовым слоем р-типа методом напыления на вакуумной магнетронной машине с ускоренной термической обработкой, указаны пути улучшения производительности солнечных элементов.  Объяснены основные требования к изготовлению наиболее эффективных фотоэлектрических преобразователей. За основу критерия отбора материалов брались электрофизические свойства полупроводников.

Ключові слова: солнечная энергия, гетероструктура, технология, эффективность, характеристики, метод напыления, выбор компонентов, диаграмма, р-слой.

Введение. Интерес к солнечным элементам, изготовленных из гетероструктур, постоянно растет. Основной причиной этого является наиболее высокая эффективность, отражающаяся на больших значениях коэффициента полезного действия (КПД). На сегодня уже имеются много разработанных гетеро структурных элементов. Одним из первоначальных разработок таких образцов принадлежат индийским ученым Шарма и Пурохит [1] и советскому ученому, Лауреату Нобелевской премии Жоресу Ивановичу Алферову [2]. Ему принадлежит конструкции солнечных элементов полученные методом жидкофазной эпитаксии из веществ
nGaAs-pAlхGa1-х As. В дальнейшем были получены различные структуры с разной проводимостью. Эти образцы, благодаря наличию широко зонного слоя на поверхности солнечного элемента, способствовали уменьшению поверхностной рекомбинации электронно-дырочных в результате которого удалось существенно повысить значения КПД.

С тех пор было проделано очень много работ, и исследования не прекращаются. За последние годы наиболее активный интерес проявляется к тонкоплёночным гетероструктурам на основе кремния. Они носят название ХИТ (Heterojunction with Intrinsic Thin Leyur) элементы.

Авторами настоящей работы также были выполнены технологические работы по изготовлению и исследованию гетеропереходных солнечных элементов тонких слоев из кристаллического и аморфного кремния. Информации об этом была даны в работах [3,4].

Исследование и анализ работы ХИТ элементов. Принцип работы солнечных НИТ элементов заключается в следующем. Световой поток от излучателя попадает на фронтальную поверхность солнечного элемента и поглощается слоем p+ -a-Si и генерирует электронно-дырочных пар. p-n-переход образован между слоями p+ -a-Si и nc-Si. Под воздействием тянущего электрического поля фотогенерированные электроны (они являются в данном случае неосновными носителями энергии) перемещается в сторону слоя n-c-Si. Одновременно с этим явлением, неосновные носители (дырки р+) из n-c-Si слоя также будут вынуждены дрейфовать к слою p+ -a-Si. В результате этого накопление фотогенерированных зарядов будет происходить с обеих сторон гетероперехода. Такой процесс способствуют генерированию фотоэлектрического напряжения. Причем это создает фотоэлектрический эффект гетероперехода. Основное поглощение светового излучения в структуре солнечного элемента ХИТ происходит в слое n-c-Si. Это связано с тем что у этого слоя ширина запрещенной зоны мала. Она равна 1,2 Эв. Каждый слой имеет определенную функцию: роль c-Si заключается в формировании p-n-перехода, который генерирует встроенное электрическое поле, другая - в генерации носителей в условиях освещения (в качестве поглощающего слоя), а третья - в создании заднего электрического поля с обратным a-Si. В объеме слоя i-a-Si происходит пассивация c-Si, сокращение рекомбинационных процессов и, как результат этого, увеличение значения тока. Слой n+ -a-Si действует как заднее электрическое поле, образуя структуру n-n+ с c-Si n-типа, образуя область n+. Встроенное электрическое поле зоны эквивалентно пассивирующему полю. Его вклад на эффективность преобразования заключается в значительном уменьшении рекомбинацию носителей. Оптические запрещенные зоны слоя a-Si равна 1. 7 эВ. При подборе токоотводящих электродов также были выбраны материал со значительной шириной запрещенной зоной. В нашей технологии она была равна к 3,8 Эв. Это помогает большему количеству света достичь слоя c-Si. В последующих технологиях нам удалось получить ХИТ элементов наиболее низкой температуре.

Возникший интерес к таким структурам оправдал себя следующими качествами изготовленных образцов.

ХИТ элементы являются конструктивно простыми, относительно недорогими по сравнению с гетеро переходами, изготовленными из других полупроводниковых и металлических материалов. Кроме того, обладают высокой эффективностью. Это достигалось использованием гетеропереходную структуру из пленки аморфного кремния (подложки из монокристаллического кремния). Такая структура вызвала большой интерес, объединяя солнечные элементы из монокристаллического кремния и аморфного кремния. Обладал еще следующими важными преимуществами, такие как хорошая стабильность, высокая эффективность преобразования, низкая стоимость, низкотемпературный процесс и прочее. В традиционных кремниевых солнечных элементах одним из основных проблем являлся влияние на стабильность элементов эффекта Стаблера-Вронского. Под стабильностью подразумевается радиационную стойкости элементов на солнечного излучения и температурную стойкости. Именно эта проблема в гетеро структурных ХИТ элементах в какой-то степени решается положительно. Общеизвестно, что основным недостатком полупроводниковых материалов является их сильная температурная зависимость. Из-за этого при эксплуатации солнечных элементов в наземных и космических условиях их КПД сильно падает. Причиной этого является невозможность загромождать солнечных электростанций охлаждающей системой. В данном случае температурный коэффициент кристаллического кремния всего равна -0,25%/0С (когда у монокристаллического кремниевого элемента он составляет -0,5% / ° C)

Ещё одним преимуществом ХИТ элементов можно отнести низкую стоимость. Дешевые солнечные элементы получаются за счет минимизации исходного материала и обеспечением долгосрочной работы их. Поскольку рекомендуемые гетеро структуры имеют тонкий слой, они могут предохранять подложку подложки от деформации, что может сэкономить много кремниевого материала. Кроме того, появление возможности произведения технологии при низких температурах. При этом экономия энергии, за счет черезмерного расхода электроэнергии, также влияет на себестоимость изготовления солнечных элементов. 

Результаты многочисленных опубликованных работ показывает, что при использовании тонкопленочных солнечных элементов из кремния возможно получить электрическую энергию с КПД 27%. Это существенно больше чем у обычных традиционных кремниевых гомо переходных преобразователей энергии. Особенно выгодным является применение модулей солнечных батарей [5]. Кроме того, как указывалось выше, хорошая температурная стабильность образцов позволяет их использовать их в достаточно широком интервале температур с применимыми эксплуатационными параметрами. Опыт показывает, что [6] при эксплуатации солнечны модулей до 85% КПД поддерживается в пределах 14%. Эта цифра соответствует к значениям коэффициента полезного действия кремниевых гомопереходных солнечных элементов, находящихся при комнатной температуре. Такое вдвое большие значения интригует исследователей к стремлению расширения поисковых работ в этом направлении. В работе [7] авторы рекомендует использование тонкопленочных солнечных элементов с двусторонней чувствительностью. Однако, на наш взгляд, хотя ожидается увеличение производительности структуры, необходимо загромождать элементов с отражающими устройствами, позволяющий осветить две фотоприемной части ХИТ элементов световым потоком. Кроме того, рост в КПД не должен произойти, так как КПД элементов вычисляется по формуле:

где -коэффициент полезного действия солнечного элемента (или модуля); – преобразованная максимальная электрическая мощность; –падающая световая мощность на поверхности солнечного элемента (или модуля).

 

Как видно из формулы, полученная электроэнергия делиться на падающую. Поскольку свет поступает с двух сторон, то количество падающей энергии увеличится вдвое и мощность делится на значение, которая превышает два раза по сравнению с солнечными элементами с односторонней чувствительностью. Таким образом результат остаётся неизменной!    

Если даже солнечные элементы с двусторонней чувствительностью не даёт ощутимых результатов, однако ХИТ элементы обещают обладать ведущую роль в мировом рынке. Потому что они подходят для крупномасштабного производства. Они способны аккумулировать электрическую энергию быстрее чем обычные элементы. Модернизаций выпускаемых аккумуляторов не требуется. Сокращает время зарядки, и в связи с этим проявляет возможность аккумулировать электрическую энергию в большом количестве. Следовательно больше потребителей получает электричества в ночное время и в непогодных условиях.

Конструкция тонкопленочных элементов является также целесообразным при монтажных и строительных работах. Хорошо укладываются в зданиях и сооружениях различных конфигураций. Весогабаритные характеристики имеет огромные преимущества по сравнению с пластинчатыми элементами. Относительно устойчива к механическим воздействиям. Их можно монтировать как вертикально, так и горизонтально. Никаких трудностей не вызывает при монтаже их под определенным углом. В качестве примера можно привести продукцию Японской компании Matsushita, которая была успешно продана для кровельных и автомобильных применений. Промышленные солнечные модули HIT в этой компании в 2011 году достигли 240 Вт, а КПД батареи составил 21,6%. Эффективность компонентов достигла 19%, а эффективность преобразования компонентов в 2014 году была повышена до 19,4% [8].

Основные требования, предъявляемые к изготовлению высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов. Одним из важных условий изготовления хороших солнечных элементов является выбор материала подложки. Это процедура в определенной мере позволяет создать высокоэффективного ХИТ элемента.

Проведенные исследования нами показали, что эффективность солнечного элемента HIT с подложкой n-типа отличается от эффективности p-типа с положительными показателями. Это объясняется следующими: во-первых в полупроводниковом кремниевом материале n-типа, плотность активных центров рекомбинации, намного меньше чем в материале р-типа. Во-вторых, электроны имеют более высокую времени жизни, и следовательно диффузионную длину, в-третьих, большее количества электронов, достигшие до р-n-перехода вносят вклад в преобразуемому фотоэлектричества, в-четвертых, они обладает хорошей температурной стойкостью и малым последовательным сопротивлением. О негативном влиянии значения последовательного сопротивления на вольт-амперную характеристику нами было опубликовано в [3].

Существует результаты некоторых исследований [9-11], где экспериментально доказывает наиболее положительные стороны подложки р-типа. Если взять в целом, в зависимости от технологии изготовления, материалов донорных и акцепторных примесей преимущества обеих типов проводимости периодически чередуется. Следует отметить, что солнечные элементы HIT с c-Si p-типа в качестве подложки также имеют естественные преимущества: как уже упоминалось ранее, монокристаллический кремний p-типа имеет низкую стоимость и его легко получить, а солнечные элементы подложки p-типа имеют более низкие требования к интерфейсу, поэтому требования к производственной среде относительно свободны и просты в приготовлении, что очень полезно для крупномасштабного коммерческого использования и может сэкономить немало затрат. В кремниевой подложке количество электронов относительно мало, и электроны имеют большую объемную диффузионную длину в материале p-типа, кроме того, контактное сопротивление батареи монокристаллического кремния p-типа относительно низкое. Следовательно, для батарей p-типа могут быть выполнены соответствующие оптимизации.

Еще одним условием получения хороших солнечных элементов является создание слоя аморфного кремния. Слой аморфного кремния выгоден для поглощения широкой полосы, с одной стороны, потому что ширина запрещенной зоны больше, чем ширина запрещенной зоны кристаллического кремния, а диапазон длин волн солнечного элемента с гомопереходом кристаллического кремния, который может поглощать солнечную энергию, составляет около 0. 3 ~ 1. 1 мкм, свет в этом диапазоне длин волн составляет 46% от общей длины волны [12]. Использование аморфного кремния может поглощать свет с меньшей длиной волны, который не может быть использован кристаллическим кремнием, и расширять спектр поглощения солнечной энергии, тем самым повышая эффективность преобразования. Гетеропереход, образованный слоем аморфного кремния и кристаллическим кремнием, может увеличивать встроенное электрическое поле и увеличивать несбалансированный меньший ток с обеих сторон инжекционного соединения, тем самым увеличивая ток короткого замыкания и напряжение разомкнутой цепи [13].

Проведение эксперимента. Экспериментальное исследования проводились на специально собранной установке для проведения измерений в широком интервале температур интенсивностей света. В качестве источника излучения бралась ксеноновая дуговая разрядная лампа. Такой выбор объясняется близостью графиков спектрального распределения длин волн этого имитатора излучения и солнце. Интенсивность света и температура образца поддерживались при неизменных значениях с помощью автоматического регулятора. Измерение мощности светового потока (фотометрирование светового пятна) поступающего на фронтальную поверхность солнечного элемента производилось определением мощности света на каждую поверхность с площадью 2.0 мм2. Затем суммировались мощности всех измеренных поверхностей. Площадь измеренных мощностей практически равнялась площадью солнечного элемента.

Интенсивность света автоматически измерялась и записывалась на самопищущем приборе. Кроме того, этот параметр дополнительно контролировалась с помощью датчика света. Ток короткого замыкания датчика интенсивности света, по результатам измерения была установлена, была пропорциональна мощности светового излучения. Температура образца измерялась хромель-алюмелевой термопарой. Головка термопары была припаяна с тыльной стороны образца с помощью хорошо теплопроводящей пасты КТП-8. Она так же была защищена специальным отражающим экраном. Поверхность экрана, имеющий отверстие равной фронтальной площади солнечно элемента, был тщательно отполирован. Это позволяло отражать ненужную часть света отражать и, этим предотвращать вероятности возникновения паразитных температурных градиентов.

Система охлаждения состояла из источника холода (сосуд Дьюар с жидким азотом), системы автоматического регулирования температуры образца и системы контроля и записи температуры. Сосуд Дьюар был соединен с подложкой элемента трубкой диаметром 10 мм2. Подложка, на который устанавливался элемент, имела полую внутренность, выполненную в форме змеевика, что позволяло свободное циркулирование паров азота по всему объему.    

Результаты исследования.

Энергетическая зона элемента, полученные нами показана на рисунке

Рис.1. Зонная диаграмма СЭ

 

Здесь EF означает энергетическую уровень Ферми. Она расположена вблизи валентной зоны р- и р+-слоев и ближе ко дну зоны проводимости n+-слоя. Световой поток, поступивший через широко зонное окно поглощается р-слоем и создаёт электронно-дырочные пары в объеме р-слоя (с-Si).

Основные носители заряда, генерированные световым возбуждением начинает диффундироваться в сторону тянущего электрического поля р-n+-перехода. В объеме р-слоя наблюдалось относительно малый рекомбинационный процесс.  Небольшая разница в переходе зоны проводимости ΔЕс не препятствуют к переходу носителей из одного слоя к другому. Поэтому через контакт поддерживается хороший обмен носителями заряда. Свет, определенной длины волны, если даже поглощается на поверхностном р+-слое и создает электронно-дырочные пары, и эти генерированные пары за счет диффузии смогут пробежать до р-i-n-перехода. Предположительно это тоже дает вклад в общий ток. Разрывы в зонах проводимости ΔЕv и в валентной зоне ΔEc особого препятствия не показывают. Таким образом, эти элементы имеют хорошие преимущества в эффективном преобразовании энергии солнечного света в электрическую.

Опыт показывает, что если создать донорный уровень в объеме р-слоя, это приводит к первому переходу из донорного уровня расположения носителей заряда к зону проводимости в момент освещения фронтальной поверхности элемента. Фотоны, с наименьшей энергией, по сравнению с энергией ширины запрещенной зоны, смогут поднять до этого уровня, и этим ограничивается отдельные генерации носителей. 

Следует отметить, что эффективность преобразования так же зависит от концентрации донорных и акцепторных уровней. Наличие донорных уровней в тонкопленочных структурах при относительно низких концентрациях приводит к росту коэффициента полезного действия гетероструктурного элемента. Наиболее максимальное значение КПД достигалась при концентрации донорных примесей равной nd=1016 см-3. Затем происходит монотонное уменьшение КПД.

Так же были измерены спектральные зависимости электролюминесценции ХИТ элементов. Проверка осуществлялась в интервале температур от 150 до 350 К. Выявлено, что в этих образцах при изменении температуры смещаются положения максимумов электролюминесценции и ее интенсивность. Положение пика электролюминесценции приходит к области длин волн при интенсивности hν=1.07эВ. Пики электролюминесценции в характеристиках линейно смещаются в длинноволновую область. Зависимость электролюминесценции от температуры немонотонна. Возможно это связано с рекомбинационными процессами. 

Заключение. В заключении следует отметить, для создания высоко эффективных ХИТ-элементов необходимо тщательно произвести подбор исходных материалов.

Установлено, что одна из причин высокой эффективности HIT-аккумуляторов заключается в том, что они имеют уникальную структуру гетероперехода из тонкого слоя аморфного кремния. Выявлено, что слой аморфного кремния используется не только для завершения подготовки p-n-переходов, но и для завершения поверхности монокристаллического кремния. Обнаружена важная роль пассивации в регулировании смещения энергетической зоны и уменьшении плотности состояния интерфейса. Определено влияние уменьшения плотности состояния интерфейса на значительного уменьшения тока утечки на поверхности и поверхности раздела. Одной из причин этого является увеличение напряжения разомкнутой цепи. Это способствует повышению эффективность преобразования батареи. Обобщая все выше изложенные делается вывод о том, что солнечные элементы HIT имеют очень хорошую перспективу применения. Проведенные исследования открывает широкий спектр развития технологии изготовления высокоэффективных гетеро структурных солнечных элементов.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

 

  • Sharma B.L., Purohit R.K., Mukerjee S.N. Infrared Phis. (1970). 225.

  • Алферов Ж.И., Зимогорова Н.С., Туркан М.К., Тушкевич В.М. Некоторые фотоэлектрические свойства p – n гетеропереходов фосфид галлия – арсенид галлия. (1965). ФТП, 4, 1235.

  • Olimov Sh.Q., Chen N., Kasimakhunova A.M., Sued J.A.Sh., Khurram Y., Numan A., Tao Q.L., Yang X.Y. Heterojunction silicon photoconverters obtained by the evaporation method in a vacuum. (2019). 2nd International Conference on Computing, Mathematics &Engineering Technologic. SustainableTechnologies for Soco-economic Developmtnt. iCOMET 2019, (стр. 1-5). Pakistan.

  • Kasimakhunova A.M., Olimov Sh.Q., Mamadalieva L.K., Nurdinova R.A., Zokirov S.I., Norbutaev M.A. Development and research of heterostructures with an internal thin lauer based on p-type silicon. (2018). Europan science rewiev, 1(9-10), 183-185.

  • Why Panasonic HITTM [EB/OL]. (б.д.). Получено из https://panasonic.net/ecosolutions/solar/hit/index.html

  • Technology EB/OL. (б.д.). Получено из https:/ /panasonic.net/ecosolutions/solar/technology/index.html

  • 杨秀钰,陈诺夫,陶泉丽,徐甲然,张  白一鸣,陈吉堃, 本征薄层异质结 (HIT) 太阳能电池的研究现状及展望. (б.д.).

  • 李正平沈文忠. 高效 HIT 太阳电池组件及其应用(J). (2015). 上海节能, 41-45.

  • Maruyama E., Terakawa A., Taguchi M. Sanyo's Challenges to the Development of High-efficiency HIT Solar Cells and the Expansion of HIT. (2007). Photovoltaic Energy Conversion, Conference ecord of the 2006 IEEE, World Conference on. (стр. 1455-1460). IEEE.

  • Taguchi M., Terakawa A., Maruyama E. Obtaining a higher Voc in HIT cells [J]. (2005). Progress in Photovoltaics esearch Applications(13(6)), 481-488.

  • Descoeudres A., Holman Z., Barraud L. 21% Efficient Silicon Heterojunction Solar Cells on n- and p-Type Wafers Compared [J]. (2013). Journal of Photovoltaics(3(1)), 83-89.

  • [ .,  ., 朱晨昕., . 异质结及其技术在新型硅基太阳能电池中的应用[J]. (2010). 物理(39(2)), 123-129.

  • Yoshikawa K., Kawasaki H., Yoshida W. Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%[J]. (2017). Nature Energy(2(5)), 17032


DETERMINATION OF TECHNOLOGY AND MANUFACTURING CONDITIONS FOR HETEROSTRUCTURED THIN-FILM SOLAR CELLS

OLIMOV S.,
doctoral student
North China University of Energy 
PEOPLE'S REPUBLIC OF CHINA

KASIMAKHUNOVA A.,
Doctor of Technical Sciences, Professor
Ferghana Polytechnic Institute 
REPUBLIC OF UZBEKISTAN

SCIENTIFIC ADVISER: 

NOU FU CHEN,
Doctor of Technical Sciences, Professor
North China University of Energy 
PEOPLE'S REPUBLIC OF CHINA

Abstract.
The paper presents the results of research on the most advanced technology for manufacturing semiconductor photovoltaic energy converters. Methods of manufacturing and research of thin-film heterojunction solar cells based on p-type silicon are analyzed. The materials of the initial components and the structure of the thin-film solar cell were selected. According to the results of the developed technology for obtaining a high-efficiency Converter with a base layer of p-type by sputtering on a vacuum magnetron machine with accelerated heat treatment, ways to improve the performance of solar cells are indicated.  The main requirements for the production of the most efficient photovoltaic converters are explained. The electrophysical properties of semiconductors were used as the basis for the material selection criteria


Keywords: solar energy, heterostructure, technology, efficiency, characteristics, sputtering method, choice of components, diagram, p-layer.
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТА УМОВ ВИГОТОВЛЕННЯ ГЕТЕРО СТРУКТУРНИХ ТОНКОПЛІВКОВИХ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

ОЛІМОВ Ширбек Абдукохорович,
докторант
Північно-Китайський Університет Енергетики 
КИТАЙСЬКА НАРОДНА РЕСПУБЛІКА

КАСІМАХУНОВА Анархан Мамасадіківна,
доктор технічних наук, професор
Ферганський політехнічний інститут 
РЕСПУБЛІКА УЗБЕКИСТАН

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: 

НО ФУ ЧЕН,
доктор технічних наук, професор
Північно-Китайський Університет Енергетики 
КИТАЙСЬКА НАРОДНА РЕСПУБЛІКА


Анотація.
У роботі наведені результати дослідження найбільш досконалої технології виготовлення напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів енергії. Проаналізовано методи виготовлення та дослідження тонкоплівкових гетеропереходних сонячних елементів на основі кремнію р-типу. Зроблено вибір матеріалів вихідних компонентів і структура тонкопленочного сонячного елемента. За результатами розробленої технології отримання високоефективного перетворювача з базовим шаром р-типу методом напилення на вакуумній магнетронній машині з прискореної термічною обробкою, вказано шляхи поліпшення продуктивності сонячних елементів. Пояснено деякі вимоги до виготовлення найбільш ефективних фотоелектричних перетворювачів. За основу критерію відбору матеріалів бралися електрофізичні властивості напівпровідників.


Ключові слова: сонячна енергія, гетероструктура, технологія, ефективність, характеристики, метод напилення, вибір компонентів, діаграма, р-шар.

© Олімов Ш.А., Касімахунова А.М., 2020

© Olimov S., Kasimakhunova A., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 14.01.2020