Күн энергетикасы үшін фотоэлектрлік түрлендіргіштер

Кеуекті кремнийді пайдаланудың басқ а маң ызды аумағ ы кү н энергетикасы. Қ азіргі уақ ытта кү н энергиясының фотоэлектрлік тү рленуін (ФЭП) дайындау ү шін ә ртү рлі жартылай ө ткізгішті материалдар қ олданылады, соның ішінде кремний. Яғ ни, кү н батареялары, жеткілікті ү лкен ауданғ а ие болуы керек, ФЭП ү шін тө семе сапасында қ олданылатын кремний бағ асы жеткілікті тө мен болуы керек.

Кү н энергетикасында «кү н сапасындағ ы» деп аталатын кремний кең нен пайдаланылады. Осындай кремний p-типті ө ткізгіштікке, қ ашық кедергі ≈ 1 Ом·см, негізгі емес тең салмақ ты емес заряд тасымалдаушылардың ө мір сү ру уақ ыты ондағ ан микросекундтардан кем болмауы керек. Кремний негізіндегі ФЭП бә секеге қ абілетті болуы ү шін, олардың дайындау ө зіндік қ ұ нын жә не олардың тиімділігін ұ лғ айту керек.

Кремнийлі ФЭП тиімділігін кө терудің бағ ыттарының бірі КК қ абық шаларын қ олдану болып табылады. Кө птеген мақ алалардың талдауы ФЭП дайындау кезіндегі КК қ олданудың келесі негізгі бағ ыттарын бө луге мү мкіндік берді:

– шағ ылдыруғ а қ арсы жабын;

– белсенді эпитаксиальді қ абық шаларды ө сіру ү шін буферлі қ абық ша;

– белсенді қ абық ша.

ФЭП шағ ылдыруғ а қ арсы жабын сапасындағ ы КК пайдалу ерекшеліктері [23]-те жеткілікті сипатталғ ан. Осындай ФЭП қ ұ рылымы 3.18 суретте ұ сынылғ ан.

3.18 – сурет – КК шағ ылдыруғ а қ арсы ФЭП қ ұ рылымы [23]

[23] –те ФЭП дайындаудың келесі технологиясы ұ сынылғ ан. Алдымен n-типті (ρ = 1, 5 Ом·см) кремнийлі тө семеге фосфор диффузиясының кө мегімен n+-қ абық ша қ алыптанады. Диффузия кезінде тү зілетін, фосфордан тұ ратын ә йнектің ұ лғ аюынан кейін, n қ абық ша бетіне анодты электрохимиялық ә діспен ө ң деумен ПК қ алыптасады. Осы кезде плавикті қ ышқ ыл жә не этанол негізінде электролит қ олданылады. Содан кейін фронтальді бетке ФЭП жә не Ag-контакт кері жағ ына Ag/Al қ алыптасады.

[24]-да, КК шағ ылдыруғ а қ арсы қ абық шаны қ алыптауды диффузиялық n+-қ абық шағ а кү місті контактінің қ алыптануынан кейін ө ндіруге болады. Осы кезде n қ абық шағ а жоғ арғ ы ток алмалы контак, кү містен тұ ратын паста жануымн тор тә різді қ алыптасады. Одан кейін n қ абық шаның анодты электрохимиялық тотығ у ә дісімен КК қ абық шасы тү зіледі. Осы кезде ток алмалы Ag-қ абық ша электролиттің ә рекетінен қ орғ алмайды.

[24, 25, 26, 23] белгіленетінде КК қ абық шасын қ олдану ФЭП бетінің шағ ылдыру коэффициентінің айтарлық тай тө мендеуіне алып келеді (3.18 сурет).

Шағ ылу коэффициенті тікелей 400 нм кем толқ ын ұ зындығ ы аумағ ында тө мендейді (3.18 сурет). Оның минимумі 400–60 нм диапазонында бақ ыланады, тү рлену ү шін оң тайлы кү н энергиясы. Егер ФЭП кремнийлі тө семенің алдын ала текстуралы бетіне дайындалса, толқ ын ұ зындығ ы 400-1000 нм диапазондағ ы шағ ылу коэффициенті КК қ абық шасынсыз ФЭП кремнийлімен салыстыру бойынша тағ ы 2 % тө мендейі [23].

Si-тө семенің текстуралы беті NaOH сулы ертіндідегі оның ө ң деуінің есебімен ө ндіріледі [26]. Осы кезде тө семенің бетінің шағ ылдыру қ асиеті нашарлайды.

КК шағ ылдыруғ а қ арсы қ абық ша кө мегімен беттің шағ ылдыру коэффициентін тө мендету ФЭП тиімділігін айтарлық тай ұ лғ айтуғ а алып келеді [24, 25, 26, 23]. Бұ л [23] мә ліметтері бойынша қ ұ рылғ ан 4 кестеде кө рнекті, мұ нда оның тиімділігін сипаттайтын ФЭП негізгі параметрлерінің ө лшеу нә тижелері келтірілген: қ ысқ а тұ йық талу тогі (Iкз), бос жү ріс кернеуі (Uхх), толтыру коэффициенті ВАХ (FF), КПД (η).

3.19 – сурет – КК қ абық шасымен полирольді жә не текстуралы жабынмен ФЭП бетінің шағ ылдыру коэффициентінің спектрлі тә уелділігі [23]

3 кестеден, КК қ абық шасын қ олдану текстуралы Si-тө семемен ү йлесуі Iкз жә не Uхх мә ндерінің ұ лғ аю есебінен КПД ФЭП тікелей ұ лғ аюяына алып келетіндігі кө рінеді. [23] сонымен қ атар белгіленеді, ФЭП тиімділігі тө семенің ө ң деуден тә уелсіз КК шағ ылдыруғ а қ арсы қ абық шаның қ олданылуын ұ лғ айтады. Сонымен қ атар [24, 25, 26] авторлары да осындай қ орытындығ а келді.

[27]-да КК сипаттамасының қ осымша жақ саруына КК бетіне қ алыптанғ ан SiOx, жің ішке қ абық ша алып келеді. Осы қ абық шаның болуы ФЭП бетінің шағ ылдыруғ а қ арсы қ асиетін жақ сартады. КК бетінде қ алыптанғ ан SiOx, қ абық шасы КК пассивациясына қ абілетті. КК болуы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың беттік рекомбинациясының жылдамдығ ын ұ лғ айтады, ол КК қ абық шасыз кремнийлі ФЭП стандартымен салыстыру бойынша Uхх мә ндерінің тө мендеуіне алып келеді. [27] сә йкес, КК бетіндегі SiOx қ осымша қ абық шаның болуы Uхх ұ лғ аюына алып келеді.

3 – кесте – Дайындаудың ә ртү рлі технологиясымен параметрлері ([23] мә ліметтері бойынша)

ФЭП дайындауы кезіндегі КК қ олданудың басқ а бағ ыты белсенді эпитаксильді қ абық ша жә не тө семе арасындағ ы буферлі қ абық шаларды қ ұ ру болып табылады. Кө з қ арастан ФЭП бағ асының тө мендеуі, жеткілікті тө мен сапамен жә не легірлеуші қ оспаның жоғ ары дә режесімен кремнийлі тө семелердің кең інен қ олданылуы. Жекелеген жағ ыдайда, осындай тө семелер сапасында макрокристаллды жә не тіпті металлургиялық кремний пайдаланылуы мү мкін [78].

[28]-де осындай тө семелерде ФЭП дайындау кезінде КК буферлі қ абық ша қ олданылуы мү мкін деп қ абылдануы мү мкін. Аталғ ан ФЭП қ ұ рылымы 3.20 суретте ұ сынылғ ан. Қ алың дығ ы ~1мкм КК қ абық шасы дә стү рлі электрохимиялық ә діспен Si тө семесінің бетіне ө сіріледі. Ары қ арай алынғ ан қ ұ рылымның ө ң деуі жү ргізіледі, одан кейін оның бетіне газофазалық эпитаксия ә дісімен p-типті ө ткізгіштің ті белсенді кремний қ абық шасы ө сіріледі. Ары қ арай фосфордың термиялық диффузиясымен эпитаксильді қ абық ша бетіне n қ абық ша тү зіледі. Ары қ арай фронтальды n қ абыұ шағ а Ag-контактілері қ алыптасады жә не SiNx негізіндегі шағ ылдыруғ а қ арсы жабын енгізіледі.

3.20 – сурет – Буферлі КК қ абық шамен ФЭП қ ұ рылымы[28]

КК қ абық шасы сутегіде 1130 º С температура кезінде 30 мин аралығ ында ө ң делді [28].

[29] белгіленеді, ө ң деу борпылдақ ты қ ұ рылымның реорганизациясына алып келеді. Саң ылаулар бастапқ ы КК қ абық шаның морфологиясынан жә не борпылдақ тығ ынан тә уелді 50 нм ден 1 мкм дейінгі диаметрмен сферикалық қ алыпқ а ие болады (ө ң деуге дейін). Ө ң деу нә тижесінде борпылдақ ты қ ұ рылымның бетінің еркін энергиясы тө мендейді. Осындай КК [29] авторлары квазимонокристаллды кремний деп атайды (QMS). [29] сә йкес, QMS қ абық шасы – кремний эпитаксия ү шін бетке идеалды.

ФЭП қ ұ рылымындағ ы буфелі КК 3.20 суретте келтірілген, ол эффект негізінде жұ мыс жасайтын эффективті шағ ылдыру ролін ойнайды. Жазық тық қ а қ алыпты сә уле тү суі кезінде Брегга немесе критикалық бұ рышпен жарық тың тү суі [28]. КК қ абық шасынан шағ ылғ ан сә улелену нә тижесінде, Si-p белсенді эпитаксильді қ абақ шағ а оралады (3.20 суретті қ араң ыз). Буферлі ПК қ абық ша қ ашық толқ ынды сә улелену ү шін шағ ылдырғ ыш сапасында біршама тиімді. [28] мә ліметтері бойынша, ол ФЭП тиімділігін 13, 9 % дейін жә не қ ысқ а тұ йық талу ток тығ ыздығ ын 29, 6 мА/ дейін ұ лғ айтуғ а мү мкіндік берді.

ФЭП белсенді қ абық ша сапасында ПК жұ қ а қ абық шасын қ олдану [28] сипатталғ ан. ФЭП дайындауы ү шін тө семе сапасында авторлар n-типті кремнийді пайдаланжы. 100 нм қ алың дық пен КК қ абық шасы анодты электрохимиялық ө ң деу ә дісімен дайындады. Одан кейін КК бетіне тү ссіз ө ткізгіш қ абық шаны Sn енгізді, одан кейін металл ток алмасушы контакт қ алыптайды. (Si-n/Sn /M) қ абық шасыз жә не ФЭП КК (Si-n/КК/ Sn /M) қ абық шамен қ ұ рылымның электрофизикалық сипаттамаларының салыстыру нә тижелері 4 кестеде ұ сынылғ ан.

4 – кесте – Аралық КК қ абық шалы жә не қ абық шасыз ФЭП сипаттамалары салыстыру ([30] мә ліметтері бойынша)

ФЭП қ ұ рылымы	ФЭП параметрлері
Jкз, мА/см2	Uхх, мВ	FF, отн. ед.	η, %
Si-n/Sn /M			0, 57	9, 12
Si-n/ПК/Sn /M	31, 5		0, 67	12, 10

4 – кестеден кө рініп тұ рғ андай, Sn мө лдір ө ткізгіш қ абық ша жә не Si-n тө семе арасындағ ы КК аралық жұ қ а қ абық шасын қ олдану ФЭП тиімділігінің ө суіне қ абілетті. Осы кезде бос жү рістің кернеуінің мә ні, ВАХ толтыру факторы жә не қ ысқ а тұ йық талу ток тығ ыздығ ы мә ні кө теріледі. Осымен қ атар ескеріледі, КК қ абық шаның оптимальді қ алың дығ ы 100 нм аспауы керек: осы кезде ФЭП қ ұ рылымының жү йелі кедергісі жеткілікті тө мен жә не тиімділігі толығ ымен нашарламайтын болады [30].

ФЭП қ ұ рылымында КК қ абық шасын кремний негізінде пайдаланудың тағ ы бір нұ сқ асы [29] сипатталғ ан жә не 3.20 суретінде кө рсетілген. Жеткілікті қ алың (50 мкм дейінгі) КК қ абық ша p кремнийлі тө семеде ө седі. Одан кейін ө ң деу сутегінде 1130 º С температура кезінде 30 мин аралығ ында ө теді. Осы кезде тө семенің кері жағ ында квазимонокристаллды кремний деп аталу тү зіледі (Annealed PS QMS қ абық ша).

Тө семенің қ арама қ арсы бетіне p-типті кремнийдің эпитаксильді қ абық шасы ө сіріледі. Ары қ арай термиялық диффузии ә дісімен онда эмиттерлі n+-қ абық ша тү зіледі, оғ ан металл контакт енгізіледі. n эмиттер бетіне шағ ылдыруғ а қ арсы қ абық ша енгізіледі.

3.21 – сурет – КК қ абық шасымен ФЭП қ ұ рылымы [29]

Олай болса, [29] келтірілген нә тижелер ФЭП қ ұ рылымына КК қ алың қ абық шасының енгізілу жү йелі кедергінің ө суіне алып келмейді. [29] сә йкес, тө семенің кері жағ ында қ алыптанғ ан КК қ абық шасы 1–2, 5 эВ энергиясы диапазонында сә улелену ү шін жұ тылу коэффициентінен 10 есе ү лкен. Егер рефлектордың кө мегімен, КК қ абық ша болатын, ФЭП артқ ы бө лігіне кү нді сә улеленудің бө лігіне енгізеді, алайда ФЭП тиімділігі ұ лғ аяды. Осы кезде белсенді эпитаксильді қ абық шаның қ алың дығ ы тө мендеуі мү мкін.

3.22 – сурет – Рефлектормен жә не кері жақ қ а КК активті қ абық шамен ФЭП қ ұ рылымы [31]

[31]-де рефлектормен жә не кері жақ қ а КК белсенді қ абық шамен ФЭП қ ұ рылымының нұ сқ асы ұ сынылғ ан (3.21 – суретте back reflector).

ФЭП қ ұ рылымы ү шін маң ызды мә селе болып, 3.20 суретте кескінделген, КК ө ң делген қ алың қ абық шасымен қ ұ рылғ ан, жоғ арлатылғ ан жү йелі кедергі табылады[29]. Авторлармен жү ргізілген осы уақ ытта, p тө семелерге ө сірілген, 20 мкм қ алың дық пен, 1· акцепторлы қ оспа концентрациясымен КК қ абық шаларының кедергілерін ө лшеуі, ү лесті жү йелі ФЭП кедергісі бастапқ ы p пластинамен салыстыру бойынша 2, 24 Ом· ө сті. Қ алың дық ты 50 мкм қ абық шасы p пластинамен салыстыру бойынша жү йелі ү лесті кедергісін 0, 77 Ом· ө сірді.