Розробка нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії

9.Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I., Bogdanovsky Yu. N., Iznin O.I. Hydrogenated porous silicon in solar cells structures // Proc. 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion. – Vienna (Austria). – 1998. – P. 1256-1259.

10.Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I. Porous silicon in structures of solar cells // Proc. School-workshop “Solar Cells: A New Challenge For the Mediterranean Area (Physics of Materials for Solar Energy Conversion) ”. – Portici (Italy). – 1997. – P. 67-75.

11.Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I., Iznin O.I. Solar cells structures with porous silicon // Abstract Booklet Second Int. School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. – Chernivtsi (Ukraine). – 1997. – P. 270.

12.Yerokhov V.Yu., Melnyk I.I. Thin Films of Porous Silicon in Photoelectric Transmitters // Abstracts Book 10th International Conference of Thin Films. – Salamanca (Spain). – 1996. – P. 179.

 

Дисертацію присвячено розробці та дослідженню нових методів мінімізації резистивно-рекомбінаційних та оптичних втрат у кремнієвих сонячних елементах (СЕ) з дифузійним та індукованим p-n- переходами. Для зменшення резистивно-рекомбінаційних втрат у СЕ з індукованим p-n- переходом запропоновано використовувати зовнішнє електричне зміщення. Обґрунтувані ефективність та напрямки практичного використання цього методу. Оптичні втрати запропоновано мінімізувати введенням у структуру кремнієвих СЕ шарів пористого кремнію (por-Si). Для покращення антивідбивних властивостей por-Si оптимізовано технологію його електрохемічного формування. Суттєвого покращення пасивуючих властивостей цього матеріалу досягнуто завдяки розробленому методу електрохемічної гідрогенізації. Експериментально підтверджено ефективність використання гідрогенізованого por-Si для мінімізації оптичних втрат у структурах моно- та мультикристалічних кремнієвих СЕ.

Ключові слова: фотоелектричний перетворювач, кремній, сонячний елемент, пористий кремній, антивідбивне покриття, гідрогенізація.

 

The dissertation is devoted to development and research of new methods of minimization of resistive-recombination and optical losses in silicon solar cells (SC) with diffused and induced p-n junctions. For reduction of resistive-recombination losses in SC with induced p-n junction its offered to use external bias. The substantiation of efficiency and directions of practical use of the given method is carried out. The minimization of optical losses are offered to by reaching by introduction in silicon SC structure of porous silicon (por-Si) layers. For improvement of antireflecting properties of por-Si the optimization of technology of its electrochemical formation is carried out. Essential improvement of passivation properties of this material is achieved due to the developed method of an electrochemical hydrogenation. Efficiency of use of hydrogenated por-Si for minimization of optical losses in structures of mono- and multicrystalline silicon SC is experimentally confirmed.

Key words: photoelectric converter, silicon, solar cell, porous silicon, antireflection coating, hydrogenation.

 

Диссертационная работа посвящена разработке новых рентабельных методов повышения эффективности кремниевых солнечных элементов (СЭ) с p-n- переходом и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и списка использованных литературных источников.

Во введении обоснована актуальность диссертационных исследований, сформулирована их цель и задачи, описана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

На основе обзора и анализа научных публикаций показано, что наиболее оптимальными для использования в высокомощных генерационных системах являются кремниевые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), среди которых наиболее эффективными являются ФЭП с p-n- переходом и СЭ со структурой металл/диэлектрик/полупроводник с индуцированным инверсным слоем (MIS/IL). Рассмотрена эволюция структур этих типов ФЭП и намечены направления их дальнейшего развития. Разработана общая методика диссертационных исследований, направленных на повышение эффективности кремниевых СЭ с диффузионным и индуцированным p-n- переходами.

В соответствии с определенными целью, объектами и методикой исследований, осуществлено качественное и количественное определение факторов, которые ограничивают достижение максимальной эффективности фотовольтаического преобразования в структурах кремниевых СЭ с p-n- переходом. Для этого проведено моделирование фотовольтаического преобразования в структуре кремниевых СЭ с p-n- переходом и расчет верхней границы их теоретического КПД.

Установлено, что основными типами потерь фотогенерированной мощности в СЭ с диффузионным и индуцированным p-n- переходами являются резистивно-рекомбинационные и оптические потери. Обобщение и анализ теоретических исследований дает основания полагать, что эффективной минимизации омических и оптических потерь в СЭ с p-n- переходом возможно достичь или при использовании новых, нетрадиционных для кремниевой фотовольтаики эффектов, или путем введения в их структуру новых полупроводниковых материалов.

В соответствии с этим для эффективного уменьшения резистивно-рекомбинационных потерь в СЭ с индуцированным p-n- переходом разработан простой для технической реализации метод, основанный на использовании внешнего электрического смещения. Исследован механизм влияния внешнего смещения на структурные параметры, выходные электрические характеристики и КПД MIS/IL СЭ. Обоснованы целесообразность и направления практического использования данного метода, а также предложено новое техническое решение конструкции солнечного модуля, которое позволяет повысить более чем на 25% КПД СЭ с индуцированным p-n- переходом при их работе в составе высокомощных генерационных систем.

В качестве перспективного материала для уменьшения оптических потерь в кремниевых СЭ исследуется пористый кремний (por-Si). Обобщение и анализ опыта фотовольтаического использования por-Si подтверждает возможность упрощения технологии получения и существенного повышения эффективности кремниевых СЭ при введении в их структуру слоев этого материала в качестве антиотражающего покрытия. На основе изучения и анализа микроструктуры por-Si выдвинута гипотеза о возможности дальнейшего улучшения его антиотражательных свойств путем оптимизации технологических условий процесса электрохимического формирования этого материала. С этой целью разработана и обоснована методика оптимизации технологии роста пористых слоев. С использованием данной методики на основе por-Si созданы просветляющие и светозахватывающие оптические покрытия для кремниевых СЭ с планарной и текстурированной поверхностью, которые по эффективности уменьшения оптических потерь сопоставимы с наилучшими антиотражающими оптическими системами.

Впервые для эффективного улучшения пассивирующих свойств por-Si предложено использовать электрохимическую гидрогенизацию. Экспериментально исследованы оптимальные для практического использования режимы данного процесса. Положительное влияние электрохимической гидрогенизации на пассивирующие свойства por-Si подтверждено исследованиями с использованием ряда экспериментальных методик.

Оптимизационными исследованиями установлены технологические условия, которые позволяют формировать слой гидрогенизированного por-Si на завершающем этапе создания структуры СЭ без повреждения фронтальной контактной системы. Экспериментально подтверждена эффективность использования такого оптимизированного антиотражающего покрытия для минимизации оптических потерь в структурах моно- и мультикристаллических кремниевых СЭ. Проведен анализ результатов и разработаны практические рекомендации относительно дальнейшего повышения КПД СЭ с просветляющим покрытием на основе por-Si.

Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, кремний, солнечный элемент, пористый кремний, антиотражающее покрытие, гидрогенизация.