Каскадные солнечные элементы

2. 
   Тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного и микрокристаллического (нанокристаллического) кремния
   
   1. 
      Каскадные солнечные элементы на основе a-Si:H. Нанокристаллический кремний
      

Развитием конструкции (см. рис. 4.21 и рис. 4.22) является создание каскадных СЭ на основе a-Si:H. Проблема деградации солнечных ячеек a-Si:H может быть частично решена при использовании более тонкого собственного слоя, когда внутреннее электрическое поле выше и поэтому менее чувствительно к любому искажению. Однако использование более тонкого собственного слоя уменьшает поглощение в СЭ. Получение СЭ с лучшей стабильностью без снижения поглощения может быть достигнуто если собрать каскад СЭ, расположив несколько р-i-n-структур одну над другой.
Полная толщина каскадного СЭ будет равна толщине обычного a-Si:H СЭ, но каждая составляющая структура является более тонкой и поэтому менее чувствительной к вызванным светом дефектам. Большим преимуществом каскадной структуры является то, что каждая составляющая р-i-n-структура может быть оптимизирована за счет коррекции величины оптической щели к определенной части солнечного спектра, повышая эффективность СЭ в целом [50 - 58].
Н
а рис. 5.6 показана конструкция каскадного СЭ на подложке из тонкой ленты из нержавеющей стали. В состав такого каскадного СЭ входят три р-i-n-структуры: на основе слоя a-Si:H с шириной опти-ческой щели 1,8 эВ; на основе слоя a-SiGe:H с шириной оптической щели 1,6 эВ; на основе слоя a-SiGe:H с шириной оптической щели 1,4 эВ. Разность в ширине оптической щели в среднем и нижнем слоях задается различным содержанием Ge в гидрогенизированном аморфном сплаве a-SiGe:H.
Рис. 5.6. Каскадный солнечный элемент типа a-Si:H /a-SiGeH /a-SiGeH

П
ри формировании такого каскада возникает задача, связанная с образованием встречных переходов на границе р-области нижней p-i-п-структуры и n-области средней p-i-n-структуры, а также на границе р-области средней р-i-n-структуры и n-области верхней p-i-п-структуры. Эта задача решается формированием туннельных переходов, вольт-амперная характеристика которых в квадранте III линейна. Для формирования туннельного перехода необходимо, чтобы по крайней мере один из контактирующих слоев был легирован до вырождения. Аморфный кремний легируется плохо, а сильное легирование до вырождения невозможно. Поэтому по крайней мере один из тонких контактирующих слоев формируется из микрокристаллического кремния, который можно легировать до вырождения. Микрокристаллический кремний (µc-Si) - двухфазный материал, где в аморфной матрице содержатся большое количество малоразмерных областей с кристаллической структурой (рис. 5.7) [22].

Рис. 5.7. Структура µc-Si:H (nc-Si:H):- оборванные связи, пассивированные
в
одородом;- непассивированные оборванные связи

Рис. 5.8. Рамановские спектры слоя µc-Si:H p-типа (кривая 1) и слоев nc-Si:H p-типа со стороны фронтальной поверхности образца на стеклянной подложке (кривая 2) и с тыльной стороны (кривая 3).Размер кристаллических точек в nc-Si:H - порядка 2 нм

В силу малых размеров кристаллических областей такой материал получил в свое время название «микрокристаллический кремний». Проведенные позже исследования, например по красному смещению Рамановского спектра, показали, что кристаллические области, в за­ висимости от режимов и условий осаждения слоев, имеют характер­ ный размер от нескольких нм до нескольких десятков нм, поэтому в последнее время некоторые авторы наряду с термином «.микрокри­ сталлический кремний» используют термин «накрокристаллическим кремнием» (nc-Si) (рис. 5.8).

Формирование слоев µс-Si:H (nc-Si:H) в каскадной структуре СЭ проводят в единой технологической линии, на оборудовании, не от­ личающимся принципиально от используемого при осаждении a-Si:H слоев, но при использовании специальных режимов осажде­ ния. Производство СЭ такого типа является, по видимому, первым примером использования нанотехнологий в промышленных масшта­ бах в солнечной энергетике. На рис. 5.9 представлены образцы а-Si:H / a-SiGeH / a-SiGeH модулей на полимерной подложке и подложке из тонкой фольги из нержавеющей стали.
На рис. 5.10 показан пример использования модулей на фольге из нержавеющей стали в качестве покрытия крыши здания.

Рис. 5.9. Образцы a-Si:H / a-SiGeH / a-SiGeH модулей на полимерной подложке и подложке из тонкой фольги из нержавеющей стали

Рис. 5.10. Модули a-Si:H / a-SiGeH / a-SiGeH на фольге из нержавеющей стали в качестве покрытия крыши здания