В Мотущук - Генераційно-рекомбінаційні процеси в тонкоплівкових сонячних елементах на основі cdte - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ

Серія фізична. 2006. Вип. 39. С. 88-94

VISNYK LVIVUNIV. Ser. Physic. 2006. N 39. P. 88-94

УДК 621

PACS number(s): 73.50.Pz

ГЕНЕРАЦІЙНО-РЕКОМБІНАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ В ТОНКОПЛІВКОВИХ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТАХ НА ОСНОВІ

CdTe

В. Мотущук

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, вул. Коцюбинського, 2, 58012 Чернівці, Україна e-mail: oe-dpt@chnu.edu.ua

Досліджено електричні властивості монокристалічних сонячних елементів Au/n-CdTe, виготовлених на підкладинці з нержавіючої сталі. Проаналізовано вплив шунтування дефектами структури плівки на випрямляючі властивості бар'єрів Шотткі з золотими контактами малої площі (0,1 мм2). Експериментально показано та теоретично обґрунтовано, що механізм проходження струму в діодних структурах визначається генераційно-рекомбінаційними процесами в ділянці просторового заряду.

Ключові слова: телурид кадмію, напівпровідниковий сонячний елемент, генераційно-рекомбінаційний струм.

Результати досліджень останніх десятиліть засвідчують перспективність телуриду кадмію (CdTe) як матеріалу напівпровідникової сонячної енергетики. Для широкомасштабного виробництва важливими є тонкоплівкові сонячні елементи (СЕ), котрі приваблюють відносно низькою вартістю та простотою виготовлення (порівняно з монокристалічними аналогами) і відкривають можливості створення ефективних, екологічно безпечних сонячних модулів великої площі, здатних задовольнити потреби ринку.

Ширина забороненої зони CdTe при 300 К становить ~1,5 еВ, що забезпечує поглинання значної частини випромінювання сонячного спектра. Коефіцієнт поглинання для видимого світла у прямозонному напівпровіднику, яким є CdTe, перевищує ~105 см-1, тому товщина поглинаючого шару CdTe може становити кілька десятих мікрометра.

Найбільш дослідженими є тонкоплівкові CdTe сонячні елементи на скляній підкладинці. На їхній основі вже розроблені максимально здешевлені технології для виробництва модулів великої площі, аж до 27x60 та 82x71 см2 [1]. Ефективність перетворення енергії та вихідна електрична потужність модулів становить 10,5 і 8,4% та 45 і 140 Вт відповідно, що свідчить про можливість конкурентноздатного виробництва тонкоплівкових СЕ на основі CdTe.

Заслуговує на увагу також використання фольги з нержавіючої сталі в якості підкладинки, що забезпечує значну механічну міцність сонячної комірки,

© Мотущук В., 2006зменшує її вагу та дає змогу застосовувати в процесі виготовлення СЕ високотемпературні технологічні операції, такі, наприклад, як відпал в CdCl2 при температурі, вищій ~400°С.

Дослідженнями СЕ на основі CdTe займаються в багатьох наукових групах різних країн, але сьогодні залишається до кінця незрозумілою низка чинників, що обмежують реальну (16,5%) порівняно з теоретично розрахованою ефективність перетворення сонячної енергії в електричну (27-30%) [2]. Для того, щоб зрозуміти причину цих розбіжностей, слід з'ясувати процеси, що зменшують ефективність сонячних елементів на основі телуриду кадмію. Однак, не всі вони вже достеменно визначені та достатньо добре зрозумілі з погляду фізики. Літературні джерела з цього приводу, зазвичай, дають тільки технологічні та напівемпіричні фізичні пояснення.

У формуванні таких важливих характеристик СЕ, як фотоелектрорушійна сила, навантажувальна крива і фактор заповнення, вирішальну роль відіграє механізм проходження струму. Результати дослідження, наведені нижче, пояснюють вплив шунтування дефектами плівки та послідовного опору полікристалічної сонячної комірки на електричні характеристики Au-CdTe діодів.

Діодну структуру Au/n-CdTe, поперечний переріз якої зображений на рис. 1, виготовляли так: на фольгу з нержавіючої сталі завтовшки 50 мкм електрохімічно осаджували полікристалічні шари телуриду кадмію и-типу провідності завтовшки 0,7 мкм з питомим опором р«107 Ом-см (Дослідницький центр "Енергія" Національного університету Мехіко) [3]. Бар'єрна структура була створена вакуумним напиленням напівпрозорої плівки золота завтовшки 8-10 нм на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького національного університету. Омічні контакти формувались вплавленням індію. Для того, щоб з' ясувати неоднорідність плівки CdTe, напівпрозорі золоті контакти малої площі 0,1 мм2 наносили в різних її частинах. Припускали, що в межах такого контакту плівка є доволі однорідною.

~0,05

Рис. 1. Типова вольт-амперна характеристика Au-CdTe тонкоплівкового сонячного елемента

Виміряні вольт-амперні характеристики (ВАХ) діодних структур умовно можна було поділити на три типи: "низькоомні", "високоомні" та контакти з "середнім опором". Важливо те, що в усіх випадках наявна діодна структура: приопроміненні контакту світлом, близьким до умов сонячного опромінення АМ 1,5 (~100 мВ/см2), виникає фотоелектрорушійна сила 0,1-0,4 В, котра викликає струм короткого замикання густиною в декілька мА/см2. Найвиразніша діодна структура спостерігалась на "високоомних" контактах (типова вольт-амперна характеристика яких представлена на рис. 2).

Різноманітність вольт-амперних характеристик одержаних структур пояснюють тим, що Au-CdTe діоди в різних точках полікристалічної плівки телуриду кадмію по-різному зашунтовані дефектами структури плівки. Типова вольт-амперна характеристика "низькоомних" контактів містить початкову лінійну ділянку, з якої за законом Ома можна розрахувати опір шунта Кш=У/І. Врахування спаду частини напруги на шунті призводить до появи на вольт-амперній кривій протяжної ділянки, що відповідає залежності, близькій до I~exp(eV/2kT)-1, характерній для рекомбінаційного механізму прямого струму через діод. Для струмів, вищих від 0,1 мкА, експериментальна крива відхиляється від теоретичної залежності, що пояснюється спадом напруги на об'ємній частині високоомної плівки CdTe.

Для "високоомних" контактів, вольт-амперна характеристика яких зображена на рис. 1, вплив шунтування значно слабший, а тому виразніше проявляється рекомбінаційний механізм переносу заряду. На рис. 2 представлена вольт-амперна характеристика цих же контактів в напівлогарифмічних координатах. Низьким напругам тут відповідає протяжна ділянка вищезазначеної залежності навіть без урахування струму через шунт. У цьому випадку можна визначити опір об'ємної частини плівки, побудувавши залежність диференційного опору діода від напруги ^дафС7). В ділянці значних прямих напруг простежують насичення, що й дає величину послідовного опору 2-Ю6 Ом-см. Урахування спаду напруги в цьому опорі призвело до трансформації кривої 2 в криву 3 на рис. 2.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

І VI, В

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика "високоомного" золотого контакту: 1 - обернена гілка вольт-амперної характеристики; 2 - пряма гілка без урахування спаду напруги на шунті, 3 - пряма гілка з урахування спаду напруги на шунті

На графіку з'являється протяжна ділянка, котра в межах ~3 порядків відповідає рекомбінаційному механізмові струму I~exp(eV/2kT). При І~0,1 мкА на одержаній кривій спостерігається дещо більше зростання струму, а на залежності R^V) при цьому значенні V простежують мінімум. Це свідчить про додатковий внесок надбар'єрного струму, котрий описують залежністю I~exp(eV/kT), що є досить правдоподібним при значних прямих напругах. Подальше збільшення V веде до відхилення кривої вольт-амперної характеристики від експоненційної залежності. Тепер це пояснюють не спадом напруги на послідовному опорі, а переходом до іншого механізму переносу заряду. Як відомо з літератури, в ділянці великих прямих струмів вольт-амперну характеристику такого типу діодів визначають струмами, обмеженими просторовим зарядом [4].

Зображені на рис. 2 криві 3 та 1 при малих значеннях напруги V<0,3 В добре узгоджуються з вольт-амперною характеристикою, розрахованою згідно з теорією Саа-Нойса-Шоклі, адаптованою до поверхнево-бар'єрних діодів [5-7], що показано на рис. 3 суцільними лініями. Розрахунок генераційно-рекомбінаційних струмів передбачає знання низки параметрів, властивих як p-n переходу, так і діоду Шотткі. Характерним саме для діода Шотткі є параболічній хід потенціальної енергії

ф( x, V) = (ср0

-аУ)\ 1--

де ф0 - висота потенціального бар'єру, q - заряд електрона, просторового заряду, яка визначається формулою:

W

0Є(ф0

- qV)

q2 (Nd -

 

(1)

W - ширина області

(2)

є 0 - електрична стала, є - відносна діелектрична проникність напівпровідника, (7Vd-7Va) - концентрація некомпенсованих домішок.

100

10-1

З 10-2 ~~ 10-3

10-4

10-5

1 1

Irec+Idif--1

'о     ' о

\

Irec

~    V>0 /

 

- /

 

 

'            V<0 -1 1

0,2

0,4 0,6 VI, В

0,8

1,0

0

Рис. 3. Зіставлення експериментальної вольт-амперної характеристики (кружечки) з розрахованою відповідно до моделі Саа-Нойса-Шоклі (суцільні лінії)

Потрібну для розрахунків концентрації електронів і дірок у ділянці просторового заряду енергію рівня Фермі Ац відшукуємо за формулою:

Дд = kT ln {N 1, (3)

де Nc - ефективна густина енергетичних станів в зоні провідності, k - постійна Больцмана, Т - температура, п - концентрація вільних електронів, яка пов'язана з рухливістю і питомим опором формулою:

n =-^—, (4)

W пР

Питомий опір р=4,3Т08 Ом-см був розрахований з величини опору об'ємної частини діодної структури, визначеного з залежності Ятф(У) в ділянці великих прямих струмів. Товщина плівки, одержана з ємнісних вимірів, становила 0,7 мкм. Площа контактів 0,1 мм2. Для застосовуваного матеріалу величина Ац складає 0,545 еВ. Найкраще збігання розрахованої і експериментальних кривих досягалось при часі життя носіїв 3,7-10-11 с та висоті потенціального бар'єру 0,4 еВ,

Відхилення оберненої гілки вольт-амперної характеристики при V<0,4 В від розрахованої пояснюють участю тунельних переходів через контакт Шотткі. Телурид кадмію є компенсованим напівпровідником і тому ширина області просторового заряду W згідно з формулою (2) при V-0 близька до 0,1 мкм. Для такої величини W і ф0=0,4-0,5 еВ тунелювання носіїв може бути помітним, особливо в місцях концентрації' електричного поля, наприклад, на периферії металічного контакту [8].

Розходження в ділянці прямих струмів, при 7>0,1 мкА, пояснюють надбар' єрним проходженням електронів. Для опису надбар' єрного струму, в цьому випадку, формула для діодного наближення, яка найчастіше трапляється в літературі, не може бути використана, оскільки умова його застосування

-%>1 (5)

WkT

не виконується. Прийнявши /=10-6 см; ф0=0,5 еВ; W=0,1-10-4 см, одержимо /-q)(/(W-k7) ~ 1, тому для опису надбар'єрного струму треба використовувати формулу, виходячи з дифузійного наближення:

1 diff = n---Nc expl--

qW Л kT

expl IT

(6)

У формулі (6) передекспоненційний множник, на відміну від термоелектронного струму (діодного наближення), залежить від напруги, що й підтверджують експериментальні дані.

Експериментальні вольт-амперні характеристики, як для прямої, так і для оберненої прикладених напруг при V<0,3 В добре узгоджуються із залежністю струму від напруги, розрахованою за теорією генеращї-рекомбшації Саа-Нойса-Шоклі. Розходження експериментальної і теоретичної кривих при /~0,1 мкА пояснюють додатковим включенням надбар' єрного струму, що описують в рамках дифузної моделі.

Автор висловлює щиру подяку проф. Хав'єру Метью за надані для вимірів зразки, В. М. Склярчуку та О. Ф. Склярчук за допомогу в проведенні експерименту, а також проф. Л. А. Косяченку за обговорення результатів досліджень.

1. Косяченко Л.А., Махний В.П., Потыкевич И.В. Генерация-рекомбинация в области пространственного заряда контакта металл-CdTe // УФЖ. 1978. T. 23. № 2. С. 279-286.

2. Косяченко Л.А., Раренко І.М., Захарук З. И., Склярчук В.М. и др. Электрические свойства поверхносно-барьерных диодов на основе CdZnTe // ФТП. 2003. T. 37.

№2. С. 238-242.

3. Britt J., Ferekides C. Thin-film CdS/CdTe solar cell with 15.8% efficiency // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 62. № 2. P. 2851-2852.

4. Hanafusa A., Aramoto T., Tsuji M., Yamamoto T. et al. Highly efficient large area (10.5%, 1376 cm2) thin film CdS/CdTe solar cells // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2001. Vol. 67. P. 21-29.

5. Kosyachenko L.A., Maslyanchuk O.L., Motushchuk V.V., Sklyarchuk V.M. Charge transport generation-recombination mechanism in Au /n-CdZnTe diodes // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2004. Vol. 82. P. 65-73.

6. Mathew X., Sebastian P.J., Sanchez A., Campos J. Structural and optoelectronic properties of electrodeposited CdTe on rtainless steel foil // Solar Energy Materials & Siolar cells. 1999. Vol 59. P. 99-114.

7. Rakhshani A.E., Makdisi Y., Mathew X., Mathew N.R. Charge transport mechanisms in Au-CdTe space-charge-limited Schottky diodes // Phys. Stat.  Sol. 1998.

Vol. A168. P. 177-187.

8. Sah C., Noyce R., Shockley W. Carrier generation and recombination in p-n junctions and p-n junction characteristics // Proc. IRE. 1957. Vol. 45. № 9. P. 1228-1243.

GENERATION-RECOMBINATION PROCESSES IN THIN-FILM CdTe-BASED SOLAR CELLS

V. Motushchuk

Yuri Fedkovych National University at Chernivtsi, Kotsyubinsky Str., 19, 58012 Chernivtsi, Ukraine e-mail:oe-dpt@chnu.edu.ua

Electrical properties of Au/n-CdTe solar cells prepared on the stainless-steel substrates. The effect of shunting by the grain boundaries and lattice defects on rectifying properties of the Schottky barrier with Au contact of small area (0,1 mm2) is analyzed. It is substantiated experimentally and theoretically that the charge transport mechanism in the diodes is determined by the generation-recombination in the space-charge region.

Key words: CdTe, semiconductor solar cell, generation-recombination currents.

Стаття надійшла до редколегії 19.05.2004 Прийнята до друку 21.11.2005

Страницы:
1 


Похожие статьи

В Мотущук - Генераційно-рекомбінаційні процеси в тонкоплівкових сонячних елементах на основі cdte