Фотоэлектрический эффект

 

Следовательно, разделение фотогенерированных носителей электрическим полем в приконтактной области p–n-перехода приводит к возникновению разности потенциалов, приложенной к p–n-переходу в прямом направлении, называемой фотоЭДС. Это эквивалентно приложению напряжения U в прямом направлении к неосвещенному p–n-переходу.

Электроны из n-области и  дырки из p-области, преодолевая пониженный потенциальный барьер, будут инжектированы в другую область, где они станут неосновными носителями заряда и рекомбинируют. При этом токи, обусловленные инжектированными носителями заряда, направлены из p- в n-область. Стационарное состояние установится тогда, когда число создаваемых светом электронно-дырочных пар сравняется с числом носителей заряда, уходящих через пониженный потенциальный барьер p–n-перехода.

Если p–n-переход соединен с внешней цепью, то можно измерить фотоЭДС. Следовательно, освещенный p–n-переход действует как фотоэлемент. Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую можно условно разбить на четыре стадии:

 

1) поглощение света; 

2) генерация электронно-дырочных  пар; 

3) разделение носителей  заряда p–n-переходом; 

4) сбор носителей заряда  на электродах.

 

Эти четыре стадии преобразования солнечной энергии можно выделить в работе практически всех существующих солнечных элементов. Непродуктивная работа любой из этих стадий приводит к понижению эффективности преобразования энергии солнечного элемента в целом.

 

3.2.2 Вольт-амперная характеристика  солнечного элемента под освещением

 

Величину фотоЭДС, которая устанавливается в состоянии равновесия при освещении перехода излучением постоянной интенсивности, можно получить из уравнения вольт-амперной характеристики (см. уравнение (23)).

Эквивалентная схема идеального солнечного элемента на основе p–n-перехода представлена на рис.5. Через p–n-переход течет ток, который равен

Ток насыщения Is для идеального фотоэлемента определяется выражением (24). P–n-переход шунтируется нагрузкой (сопротивление R), в которую отбирается ток I . Параллельно p–n-переходу расположен генератор тока с силой тока Iф, описывающий возбуждение неравновесных носителей солнечным излучением.

 

 

Рисунок 5 - Эквивалентная схема солнечного элемента

 

 

Рисунок 6 - Вольт-амперные характеристики фотоэлемента на основе p–n-перехода

 

Вольт-амперная характеристика такого прибора представлена выражением

 

(28)

 

 

 

Величина фототока Iф определяется числом избыточных носителей заряда, созданных светом и дошедших до p–n-перехода, и равна

 

(29)

 

 

 

 

 

Это выражение справедливо для случая, когда весь падающий на полупроводник свет поглощается.

Из выражения (28) следует, что график вольт-амперной характеристики (ВАХ) освещенного p–n-перехода может быть получен путем перемещения всей темновой ВАХ вдоль оси токов вниз на величину Iф (рис.6).

Уравнение ВАХ остается справедливым при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iф.

Поскольку ВАХ под освещением проходит через четвертый квадрант, направление тока через p–n-переход противоположно полярности приложенного напряжения (рис.7). Это означает, что прибор в данном случае служит источником энергии. Если освещенный переход нагружен сопротивлением, то в цепи течет фототок без применения внешнего источника напряжения.

 

 

Рисунок 7 - Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

 

 

 

4 ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ  СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Методом электроосаждения полупроводниковые свойства гораздо труднее получить, чем металлические, поскольку они включают контроль носителей заряда на уровне ppm, который хуже достижим в процессах из растворов, чем в вакуумных процессах. Главным прорывом в применении электрохимического метода стало приготовление CdTe слоев для солнечных элементов и модулей.  В этом случае около 20 лет исследователи шли к созданию электроосажденных модулей CdTe, с рекордной эффективностью 10.6% на большой площади 0.9 m², что привело к производству модулей фирмы BP Solar (British petroleym) в 2001 г. Это значительно стимулировало развитие технологий электроосаждения для халькопиритных солнечных элементов.

CIGS во многом более  сложное соединение, чем CdTe, и как четверное, и как более сложное в поверхностной обработке. Несмотря на это,  можно отметить рост интереса к электроосаждению, который демонстрируется ростом публикаций в этой области (60 работ 2005г, 40  -2000г., 28 для 1995-99, 20 для  1990-94, 12 для 1985-89, source: Inspec and Current Contents data bases) по CIGS.

 

4.1 Стратегия достижения низкой стоимости для CIGS тонкопленочных солнечных элементов

 

Возможная стратегия уменьшения стоимости CIGS тонкопленочных солнечных  элементов описана не однажды  и имеет целью заменить прямое осаждение пленок фотовольтаического качества соиспарением на двух стадийный процесс.

– В первой стадии прекурсорный слой приготавливается методом с низкой стоимостью, таким как электроосаждение или screen печать, которые не обеспечивают подходящих электронных свойств. Эти свойства формируются во второй стадии.

– Вторая стадия основана на специальной термической подготовке. Оптимизация свойств прекурсора (состав, структура) и стадии термического отжига (температура, давление, атмосфера, продолжительность) должна привести к финальному качеству р-типа электронного материала, достигаемому в одностадийном процессе. Прекурсорный слой может быть уже смешанной CIGS матрицей или содержать множественные слои, либо элементные либо бинарные.

 

Рисунок 8 – Схема элемента

 

4.2 Электрохимический  метод получения пленок соединения CuInSe2

 

Индиевый диселенид меди, общей формулы CuInSe₂, благодаря высокому коэффициенту поглощения излучения и ширине запрещенной зоны (1,1эВ) обеспечивает возможность преобразования солнечного света в фототок с высоким к.п.д.  Соединение CuInSe₂ является перспективным материалом для солнечных тонкопленочных фотоэлементов. Его структура позволяет получать элементы с к.п.д. 15-20% и длительным ресурсом работы.

Разработанный авторами электрохимический  метод получения тонких пленок соединения CuInSe₂ имеет отличия от известных, что обусловливает новизну разработок.

- Вводится предварительная подготовка поверхности подложки, на которую наносится пленка полупроводника

- Разработана новая методика напыления токопроводящего слоя на неэлектропроводную подложку

- Используется каскадная структура пленки, включающая прозрачный Мо- токопроводящий слой, затем собственно слой полупроводника, поглощающего излучение, над ним слой полупроводника с большой шириной запрещенной зоны CdS(оптическое окно). Это позволяет увеличить к.п.д. преобразования за счет создания дополнительных р-n переходов

- Абсорбирующий слой наносится путем электроосаждения

- Разработаны новые составы электролитов, которые обеспечивают лучшее качество осадков и гарантируют монофазный состав полупроводника и его оптимальные структурные характеристики. Такие электролиты обеспечивают получение стехиометрических осадков сложных соединений CuInSe₂

- Используются оптимальные режимы отжига для формирования р-проводимости на поверхности полупроводника

Исследования структуры  тонких пленок CuInSe2 с химически нанесенным слоем CdS показали, что в условиях глубокого вакуума при различных температурных режимах возможно взаимодействие между тонкими слоями элемента. Это приводит к образованию промежуточных слоев с отличающейся структурой и проводимостью, что влияет на фотохарактеристики элемента.

Фотохарактеристики монопленки CuInSe₂, полученной электроосаждением на стеклоуглеродной подложке, свидетельствуют о достижении  тока 6 мА/см2 при нестандартном освещении.

 

 

Рисунок 9 – Вольтамперные характеристики (а) монопленки пленки CuInSe₂; (б) гетероструктуры CdTe/CdS/SnO₂

 

Фактор заполнения, полученный для тонкопленочного элемента с  гетероструктурой CdTe/CdS/SnO2/стекло, составляет ≈ 70%.

 

 

 

 

ВЫВОД

 

Все современные технологии, использующие в виде преобразующего материала тонкопленочные халькогениды (CdTe ,CdSe, CdS, CuInSe₂), ставят перед собой цель увеличения доли солнечных элементов в производстве электроэнергии.  Главным при этом является развитие процессов на больших площадях при низкой стоимости модуля с сохранением или даже улучшением эффективности преобразования.

Положительные результаты получены путем осаждения тонких пленок в  высоком вакууме, в частности  при изготовлении абсорбирующего слоя методом соиспарения или напыления. Эти методы энергозатратны и дороги. Значительное понижение цены может быть достигнуто, если эти стадии, осуществляемые в глубоком вакууме, будут заменены на более дешевые, такие как экранная печать или электроосаждение.

Соединения, основанные на Cu(In,Ga,Al)(S,Se)₂ халькопиритных абсорберах уже продемонстрировали высокую эффективность преобразования солнечного излучения. Разработка технологии электроосаждения таких соединений в одну стадию на больших площадях является актуальной задачей.

Тонкопленочные поликристаллические  фотопреобразователи солнечного излучения и тонкопленочные гетероструктуры относятся к новейшим полупроводниковым материалам. Разработка надежных и дешевых методов изготовления таких структур позволяет широко применять их наряду с традиционными фотоэлементами на основе кремния.

Фотовольтаическая индустрия будет основной индустрией по производству солнечных модулей со сравнительной единицей 1 кв. км. Все разработанные технологии, основанные на тонкопленочных халькогенидах (CuInGaSe₂(CIGS) или CdTe), стремятся достичь этой объективной цели. Ключевой точкой  является развитие процессов на больших площадях при низкой стоимости модуля с сохранением или даже улучшением эффективности конверсии. Соединения, основанные на Cu(In,Ga,Al)(S,Se)₂ халькопиритных абсорберах уже продемонстрировали высокую эффективность конверсии и сравнительно большую площадь.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. В. П. Афанасьев Е. И. Теруков А. А. Шерченков Тонкопленочные солнечные элементы – Санкт-Петербург: СПГЭУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова, 2011.

2. Дергачева М.Б., Уразов К.А., Кабдулов С.З., Кенжалиев Б.К., Бейсембаева Г.Ж.. Тонкопленочные фотоэлементы на основе халькогенидов- Алматы: Институт органического катализа и электрохимии им. Д.В.Сокольского, 2008.

3 Дергачева М.Б., Чайкин В.В. Электроосаждение полупроводниковых пленок СuInSe2 на стеклоуглеродном электроде из сернокислых электролитов – Алматы: Журнал  прикладной химии, 2007.

4. Электронный ресурс: Фотоэлементы второго поколения – на основе тонких пленок полупроводников - http://www.superox.ru/photoelements2.htm

5. Электронный ресурс: Солнечные батареи - http://works.doklad.ru/view/UVrw2u7iGWU.html