Розробка нових методів підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії

Із використанням розробленої методики оптичного діагностування пористих шарів досліджено вплив на оптичні параметри por-Si технологічних умов його електрохемічного формування. Встановлено, що в найбільшій мірі на величину показника заломлення por-Si впливає густина анодного струму, в той час як товщина пористого шару в основному визначається часом анодної обробки. Дослідженням впливу технологічних умов росту на антивідбивні властивості por-Si встановлено чітко виражені мінімуми відбивання для певних значень густини анодного струму та часу електрохемічної обробки. Це дає змогу досягнути зменшення оптичного відбивання від поверхні por-Si, проте такий хід оптимізації є складним для практичної реалізації внаслідок багатофакторності експерименту. Для уникнення багатофакторності оптимізаційних досліджень запропоновано як основний критерій оптимізації використовувати величину анодного заряду. Такий експериментальний підхід надав можливість швидко встановити діапазон оптимальних оптичних параметрів просвітлюючого покриття на основі por-Si та оптимізувати технологію його формування.

Експериментально встановлено, що мінімізація втрат на відбивання досягається при формуванні шару por-Si в електроліті на основі C2H5OH: HF = 1: 1 з густиною анодного заряду в діапазоні від 0. 2 до 0. 25 Кл/см2. Антивідбивні покриття, сформовані за таких технологічних умов, характеризуються рекордно низькими коефіцієнтами оптичного відбивання (рис. 7 (a)) і за ефективністю просвітлення є сумірними з найкращими антивідбивними оптичними системами, що використовуються у технології сучасних кремнієвих СЕ.

Поряд із експериментами з просвітлення планарної кремнієвої поверхні у дисертаційній роботі вперше комплексно досліджено вплив електрохемічного анодування на антивідбивні властивості кремнієвої поверхні, текстурованої анізотропним хемічним травленням. Методами електронної мікроскопії встановлено, що у процесі анодування стравлюються вершини та грані пірамід поверхневої текстури. Це, у свою чергу, негативно впливає на антивідбивні властивості текстурованої поверхні. Для того, щоб уникнути пошкодження поверхневої текстури проведено додаткову оптимізацію технології росту шарів por-Si та встановлено умови електрохемічного анодування, які дають змогу формувати пористі шари на текстурованій поверхні без помітного пошкодження геометрії поверхневої текстури.

Оптимізаційними експериментами встановлено, що найкращі результати з просвітлення текстурованої кремнієвої поверхні досягаються при використанні електроліту на основі розчину C2H5OH: H2O: HF = 1: 1: 1 та величини анодного заряду близько 0. 46 Кл/см2. Сформовані за таких технологічних умов антивідбивні покриття на основі por-Si характеризуються рекордно низькими коефіцієнтами відбивання (рис. 7 (b)) і є ефективнішими для просвітлення текстурованої поверхні, ніж аналогічні покриття на основі діоксиду чи нітриду кремнію.

З рис. 7 видно, що при використанні у структурі кремнієвих СЕ типових антивідбивних покрить у спектральному діапазоні від 950 до 1100 нм завжди має місце суттєве зростання оптичних втрат. Причиною цього є низький коефіцієнт оптичного поглинання кремнію у ближньому ІЧ-діапазоні. Для зменшення таких втрат у сучасних високоефективних СЕ використовують оптичні системи захоплення світла. Однак технологічна реалізація систем із світлозахоплюючими властивостями є надто складною, що, у свою чергу, ускладнює технологію створення кремнієвих СЕ.

Для суттєвого зменшення оптичних втрат у ближньому ІЧ-діапазоні та спрощення технології створення кремнієвих СЕ запропоновано як оптичну систему захоплення світла використовувати товсті шари por-Si. Цей підхід ґрунтується на аналізі результатів структурних досліджень товстих пористих шарів. Методами електронної мікроскопії встановлено, що при формуванні por-Si з густиною анодного заряду більше 2 Кл/см2 структура шару por-Si являє собою сукупність тонкого (~ 100 нм) приповерхневого мезапористого шару та товстого об’ємного макропористого підшарів. Це дає підстави вважати, що мезапористий шар може ефективно зменшувати оптичні втрати на відбивання, у той час як макропористий шар, розмір неоднорідностей якого сумірний із довжиною світлової хвилі, може забезпечити розсіювання падаючого світлового потоку та сприятиме захопленню світла у структурі СЕ.

Оптимізація технології росту товстих шарів por-Si надала можливість сформувати на їх основі світлозахоплюючі покриття, які зменшують оптичні втрати на відбивання у діапазоні 3001150 нм з 45. 8% до 3. 32% і завдяки своїм антивідбивним властивостям (рис. 8) не мають аналогів у світі.

Оскільки антивідбивне покриття на основі por-Si формується безпосередньо на кремнієвій поверхні, то очевидно, що для мінімізації негативного впливу на вихідні характеристики СЕ поверхневої рекомбінації пористий шар повинен забезпечити також пасивацію поверхні напівпровідника. Однак практика світових досліджень у цій галузі свідчить про те, що por-Si не володіє необхідним рівнем пасивуючих властивостей і до цього часу так і не розроблено ефективного методу їх покращення.

Уперше для ефективного покращення пасивуючих властивостей por-Si запропоновано використовувати його електрохемічну гідрогенізацію у збагачених атомарним воднем електролітах. Встановлено та досліджено оптимальні для практичного використання режими цього процесу. Позитивний вплив електрохемічної гідрогенізації на пасивуючі властивості por-Si підтверджено дослідженням за методом фотолюмінесценції та дослідженням кривих анодного заряджання. Встановлено, що інтенсивність фотолюмінесценції por-Si, яка безпосередньо корелює з його пасивуючими властивостями, зростає після гідрогенізації приблизно у 150 разів (рис. 9). Проведений порівняльний аналіз показав, що за ефективністю покращення пасивуючих властивостей пористих шарів електрохемічна гідрогенізація перевершує методи хемічної обробки por-Si, які вважались до недавнього часу найперспективнішими (рис. 9).

Для суміщення процесу електрохемічного формування антивідбивного покриття на основі гідрогенізованого por-Si з технологією виготовлення кремнієвих СЕ запропоновано формувати пористий шар на завершальному етапі створення структури СЕ після нанесення фронтальної контактної системи. Такий підхід дає змогу уникнути додаткового процесу фотолітографії, завдяки чому спрощує технологію виготовлення