Розробка нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії

У відповідності із цим у третьому розділі дисертаційної роботи досліджується ефективність використання для зменшення резистивно-рекомбінаційних втрат зовнішнього електричного зміщення. Як об’єкт дослідження при цьому обрано MIS/IL СЕ, для яких згадані втрати є домінуючими. Характерною особливістю MIS/IL структури є наявність тонкого фізичного p-n- переходу, що виникає у напівпровідниковій підкладці p-типу під впливом вбудованого у діелектричному шарі позитивного заряду (рис. 2 (a)). Розрахунки показують, що потенційно MIS/IL СЕ є ефективнішими, ніж СЕ з дифузійним p-n- переходом. Однак досягнення передбаченої теоретично високої ефективності MIS/IL СЕ ускладнюється внаслідок значних втрат зґенерованої потужності у високоомному інверсному шарі.

Для уникнення фізичних обмежень та низької рентабельності, що властиві традиційним методам підвищення ККД MIS/IL СЕ, розроблено новий метод мінімізації резистивно-рекомбінаційних втрат у MIS/IL структурі. Цей метод ґрунтується на використанні поряд із внутрішніми факторами (високою густиною вбудованого заряду, низькою густиною поверхневих станів, ефектом різниці робіт виходу) також факторів зовнішнього впливу, а саме – зовнішнього електричного зміщення. Як базову структуру для реалізації методу зовнішнього зміщення запропоновано використати структуру MIS/IL СЕ з інверсійною гребінкою на основі металу чи оксиду з низькою роботою виходу (рис. 2 (b)). Для подальшого зменшення питомого опору інверсного шару та спричинених ним резистивних втрат зґенерованої потужності пропонується прикласти до інверсійної гребінки зовнішню напругу у зворотному ввімкненні.

Для визначення ефективності використання запропонованого методу побудовано модель MIS/IL СЕ при їх роботі в режимі зовнішнього електричного зміщення. Моделюванням встановлено механізм впливу зовнішньої напруги на структурні параметри, вихідні електричні характеристики та ККД MIS/IL СЕ.

Встановлено, що найменший вплив зовнішнє зміщення здійснює на величину струму короткого замикання (рис. 3 (1)). Його приріст при напрузі зміщення 0. 6 В становить тільки 1. 5%. Суттєвішим за цих умов є приріст (~ 7%) напруги холостого ходу (рис. 3 (2)). Зменшення під впливом зовнішнього зміщення резистивно-рекомбінаційних втрат веде до зростання більш ніж на 22% коефіцієнта заповнення ВАХ (рис. 3 (3)). Сумарний ефект від впливу зовнішнього зміщення проявляється у зростанні на 30% ККД MIS/IL СЕ (рис. 3 (4)).

Моделюванням роботи СЕ з MIS/IL структурою в режимі зовнішнього зміщення встановлено, що найсуттєвішим є вплив прикладеної напруги у діапазоні від 0 до 0. 6В (див. рис. 3). Виходячи з того, що верхня межа вказаного інтервалу близька до величини напруги холостого ходу MIS/IL СЕ, як джерело зовнішнього зміщення запропоновано використовувати допоміжний MIS/IL СЕ. Ґрунтуючись на цьому, запропоновано нове технічне рішення будови сонячного модуля (СМ), в якому вихідна напруга з допоміжного СЕ подається у зворотному ввімкненні на інверсійні гребінки кількох основних MIS/IL СЕ (рис. 4).

Моделюванням встановлено, що вже при трьох основних СЕ ефективність такого СМ перевищуватиме ККД СМ традиційної конструкції з аналогічною кількістю СЕ (рис. 5). При подальшому збільшенні кількості СЕ ККД запропонованого СМ зростатиме і при використанні у модулі 20 СЕ перевищуватиме ККД СМ традиційної конструкції на 25%. Одержані результати наочно ілюструють високу ефективність використання методу зовнішнього зміщення для підвищення ККД MIS/IL СЕ при їх роботі у складі високопотужних ґенераційних систем.

Розвиткові запропонованої у другому розділі концепції зменшення оптичних втрат у кремнієвих СЕ шляхом введення в їх структуру нових напівпровідникових матеріалів присвячено четвертий розділ дисертації. Як перспективний для використання з цією метою матеріал досліджується пористий кремній (por-Si).

Узагальнення та аналіз досвіду фотовольтаїчного використання por-Si підтверджує можливість спрощення технології створення та суттєвого підвищення ефективності кремнієвих СЕ при введенні в їх структуру шарів цього матеріалу як антивідбивного покриття. Однак, незважаючи на суттєве зменшення оптичних втрат при використанні por-Si у структурах СЕ, слід відзначити також і певну обмеженість його практичного застосування. Ця обмеженість зумовлена в основному тим, що найбільшої мінімізації втрат на відбивання досягнуто для пористих шарів завтовшки ~ 10 мкм, а просвітлююче покриття з такою товщиною не може бути ефективно використане у структурах СЕ з мілким p-n- переходом. У той же час сучасний рівень антивідбивних властивостей тонких (до 100 нм) шарів por-Si є недостатнім для ефективної мінімізації оптичних втрат у СЕ.

На основі вивчення та аналізу мікроструктури por-Si висунуто гіпотезу про можливість подальшого покращення його антивідбивних властивостей шляхом оптимізації технологічних умов процесу електрохемічного формування цього матеріалу. Експериментальна перевірка цієї гіпотези проводиться у п’ятому розділі дисертаційної роботи. Для розробки методики оптимізації технології формування por-Si використано математичну теорію планування експерименту. Згідно з розробленою методикою на першому етапі оптимізації побудовано модель антивідбивного покриття на основі por-Si з урахуванням особливостей вибраного матеріалу. Моделювання підтвердило гіпотезу про можливість суттєвого зменшення оптичних втрат на відбивання від поверхні пористого шару та надало змогу встановити оптимальний діапазон його оптичних параметрів – товщини та показника заломлення (рис. 6).

При експериментальному визначенні товщини та показника заломлення шарів por-Si за допомогою еліпсометричної спектроскопії встановлено, що традиційні методи оптичного діагностування не можуть бути ефективно використані для визначення оптичних параметрів por-Si. Це пояснено на основі результатів структурного дослідження por-Si, яке виявило значну неоднорідність пористого шару за товщиною по всій площі зразка.

Для ефективного оптичного діагностування шарів por-Si розроблено новий метод визначення його оптичних параметрів, що ґрунтується на використанні залежності спектрального положення та величини мінімуму спектра відбивання пористого шару від його товщини та