Тонкопленочный солнечный элемент
Полезная модель относится к области электроники и может быть использовано при конструировании тонкопленочного солнечного элемента на основе пленок аморфного гидрогенизированного кремния. Заявленный солнечный элемент содержит подложку из стекла, верхний электрод, фотопреобразующий слой на основе аморфного гидрогенизированного кремния представляющий собой p-i-n переход, нижний электрод и задний светоотражатель. В предлагаемом солнечном элементе i-слой дополнительно содержит 1-3% нанокристаллических включений кремния со среднем размером 4 нм. Техническим результатом является повышение фоточувствительности и снижение светоиндуцированной деградацией для увеличения стабилизированной эффективности преобразования солнечного излучения.
Заявляемая полезная модель относится к области электроники и может быть использована при конструировании солнечных элементов, которые используется в энергетике. Солнечный элемент - устройство, которое преобразуют энергию солнечного света в электрический ток. Для недорогого массового производства тонкопленочные солнечные элементы представляют большой интерес, так как они позволяют использовать стекло, стеклокерамику, полимеры или другие жесткие или гибкие подложки, как основной несущий материал взамен кристаллическому кремнию.
Известен тонкопленочный солнечный элемент на основе теллурида кадмия (CdTe) (заявка WO 2012013155, опубликована 30.03.2011 г.), содержащий последовательно нанесенные слои: задний электрод, переходной слой ZnTe, слой CdTe, слой CdS, слой прозрачного проводящего электрода и подложку.
Такие солнечные элементы на основе CdTe имеют недостатки, связанные с токсичностью Те.
В качестве прототипа выбран тонкопленочный солнечный элемент (US 2011186127), содержащий расположенную на подложке из стекла фото-преобразующую структуру на основе аморфного гидрогенизированного кремния, представляющую собой p-i-n переход с двухсторонним электродным покрытием на основе оксида цинка, p-i-n переход или тонкопленочная фотопреобразующая ячейка включает i-слой находящийся между р-слоем и n-слоем (р-слой положительно легированный, n-слой отрицательно легированный). i-слой, который по существу является собственным слоем, занимает значительную часть толщины p-i-n перехода.
К недостаткам известного солнечного элемента относятся небольшая фоточувствительность, потому что сама по себе аморфная пленка кремния имеет относительно низкую фотопроводимость и, как следствие, в составе р-i-n
структуры низкий тока сбор. Также недостатком известного солнечного элемента на основе аморфного гидрогенизированного кремния является эффект Стеблера-Вронского, при котором происходит деградация структуры пленки кремния, т.к. разрыв слабых связей кремния и образование дефектов под воздействием солнечного света, и за счет этого снижение эффективности преобразования. Начальная эффективность солнечного элемента на основе аморфного кремния не так важна, важна стабилизированная эффективность, которая как принято считать наступает после 1000 часов нормального облучения в стандартных AM1.5 условиях. Стабилизированная эффективность после облучения обычно снижается на 20% от начальной эффективности.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание солнечного элемента, характеризующегося повышенной фоточувствительностью i-слоя аморфного гидрогенизированного кремния и снижением светоиндуцирован-ной деградации и, как следствие, увеличением стабилизированной эффективности.
Заявленный солнечный элемент, как и известный, содержит подложку из стекла, верхний электрод, фотопреобразующую структуру на основе аморфного гидрогенизированного кремния, представляющую собой p-i-n переход, нижний электрод и задний светоотражатель. Но, в отличие от известного, в предлагаемом солнечном элементе i-слой дополнительно содержит 1-3% нанокристаллических включений кремния со среднем размером 4 нм.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема тонкопленочного солнечного элемента, на фиг.2 представлена зависимость темновой и фотопроводимости, а также их отношения от толщины пленки, осаждаемой за цикл, на фиг.3 представлена микрофотография ПЭМ: i-слой аморфного гидрогенизированного кремния содержащей нанокристаллические включения кремния.
Тонкопленочный солнечный элемент (фиг.1) (стрелки указывают направление падающего света.), включающий в себя прозрачную подложку 1 толщиной от 2 мм до 4 мм, например, стекло со слоем прозрачного проводящего оксида 2 осажденного на него. Фотопреобразующая структура на основе аморфного гидрогенизированного кремния представляет собой p-i-n переход 3-5. p-i-n переход тонкопленочного солнечного элемента включает i-слой 4 находящийся между р-слоем 3 и n-слоем 5 (р-слой положительно легированный, п-слой отрицательно легированный). После p-i-n структуры следует задний контактный слой 6 (задний электрод), который выполнен из оксида цинка, и задний отражатель 7.
Фотопреобразующая структура 3-5 генерирует, под воздействием света, и разделяет электрический заряд, i-слой 4 является собственным слоем и занимает значительную часть толщины p-i-n перехода. Когда свет падает на солнечный элемент, он поглощается в основном в i-слое и в результате в нем генерируются электронно-дырочные пары. Под воздействием внутреннего поля, образующегося при p-i-n структуре, дырки направляются к р-области, а электроны к n-области. Таким образом, происходит разделение заряда и появления электродвижущей силы. Доля нанокристаллической фазы составляла 1-3% при среднем размере нанокристаллитов 4 нм.
Наблюдаемый разброс объясняется флуктуацией локального парциального давления водорода. Нанокристаллиты, равномерно распределенные в i-слое аморфного кремния, улучшают свойства пленки, а именно, во-первых, уменьшают влияние эффекта Стэблера-Вронского за счет того, что они выступают в качестве стока дефектов, а во-вторых, они повышают фоточувствительность за счет повышения подвижности неравновесных носителей заряда. Это приводит к повышению фоточувствительности. Полученные зависимости темновой 
d и фотопроводимости ph, а также их отношения в зависимости от толщины слоя, осаждаемого за цикл L, представлены на фиг.2. Рост фоточувствительности связан с уменьшением темновой проводимости.
При дальнейшем уменьшении толщины пленки, осаждаемой за цикл, наблюдается увеличение темновой проводимости. Наибольшей фоточувствительностью обладают пленки, содержащие 1-3% нанокристаллических включений кремния со средним размером 4 нм (фиг.3). Их фоточувствительность ph/d при освещении AM1 (100 мВт/см2) достигает величины 107.
Тонкопленочный солнечный элемент, содержащий расположенную на подложке из стекла фотопреобразующую структуру на основе аморфного гидрогенизированного кремния, представляющую собой p-i-n переход с двухсторонним электродным покрытием на основе оксида цинка, отличающийся тем, что i-слой p-i-n перехода дополнительно содержит 1-3% нанокристаллических включений кремния со средним размером 4 нм.
