Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой
Изготовлены и исследованы тестовые образцы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с p-i-n структурой на основе очень слабо легированных фосфором кристаллов кремния i(n-)-типа проводимости толщиной около 300 мкм с удельным сопротив-лением 4000 Ом см. Слои р- и n-типа толщиной 1,5 мкм с концентрацие...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10774 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой / Л.П. Шуба, М.В. Кириченко, В.Р. Копач, В.А. Антонова, А.М. Листратенко // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 263-267. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10774 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шуба, Л.П. Кириченко, М.В. Копач, В.Р. Антонова, В.А. Листратенко, А.М. 2010-08-06T14:22:47Z 2010-08-06T14:22:47Z 2007 Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой / Л.П. Шуба, М.В. Кириченко, В.Р. Копач, В.А. Антонова, А.М. Листратенко // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 263-267. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10774 539.2:648.75 Изготовлены и исследованы тестовые образцы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с p-i-n структурой на основе очень слабо легированных фосфором кристаллов кремния i(n-)-типа проводимости толщиной около 300 мкм с удельным сопротив-лением 4000 Ом см. Слои р- и n-типа толщиной 1,5 мкм с концентрацией бора и фосфора 1020 см-3 соответственно образованы согласно технологии, используемой в серийном производстве отечественных монокристаллических Si-ФЭП. Плотность фототока JФ, выходные и диодные параметры ФЭП определялись по нагрузочным световым вольт-амперным характеристикам, измеренным при 25 оС в условиях заатмосферного солнечного излучения (режим АМ0 - атмосферная масса равна нулю). Обнаруженное значение JФ = 48,6 мА/см2 является рекордным для отечественных монокристаллических Si-ФЭП, что обусловливает целесообразность разработки серийных Si-ФЭП с p-i-n структурой. Изучено влияние слабоконцентрированного излучения на эффективность работы ФЭП такого типа. Обоснованы предложения по усовершенствованию конструкции Si-ФЭП с p-i-n структурой, обеспечивающему увеличение их КПД до 20%. Виготовлені та досліджені тестові зразки фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) з p-i-n структурою на основі дуже слабо легованих фосфором кристалів кремнію i(n-)-типу провідності товщиною близько 300 мкм з питомим опором 4000 Омсм. Шари р- та n-типу товщиною 1,5 мкм з концентрацією бору та фосфору 1020 см-3 відповідно сформовані згідно до технології, що використовується при серійному виробництві вітчизняних монокристалічних Si-ФЕП. Густина фотоструму JФ, вихідні та діодні параметри ФЕП визначалися за навантажувальними світ-ловими вольт-амперними характеристиками, виміряними при 25оС в умовах заатмосферного сонячного опромінення (режим АМ0 - атмосферна маса дорівнює нулю). Виявлене значення JФ = 48,6 мА/см2 є рекордним для вітчизняних монокристалічних Si-ФЕП, що обумовлює доцільність розробки серійних Si-ФЕП з p-i-n структурою. Вивчено вплив слабоконцентрованого опромінення на ефективність роботи ФЕП такого типу. Обґрунтовано пропозиції по вдосконаленню конструкції Si-ФЕП з p-i-n структурою, що забезпечує збільшення їх ККД до 20%. Test samples of solar cells (SC) with p-i-n structure on the basis of very poorly phosphorus doped silicon crystals of i (n-)-type conductivity by thickness about 300 ?m with resistivity of 4000 Ohm cm were manufactured and investigated. The р- and n-type layers by thickness 1,5 ?m with boron and phosphorus concentration ~ 1020 cm-3 were prepared according to technology used in serial production of Ukrainian monocrystalline Si-SC. Photocurrent density JP, output and diode parameters of SC were determined from the loading illuminated current-voltage characteristics measured at 25оС and in conditions of extratmospheric solar radiation (АМ0 regime – air mass equals zero). The found out value JP = 48,6 mА/cm2 is the record for Ukrainian monocrystalline Si-SC that causes the expediency of serial Si-SC development with p-i-n structure. The influence of weakly concentrated radiation on the efficiency of such type SC was investigated. The proposals on improvement of Si-SC design with p-i-n structure ensuring their efficiency increasing up to 20% were grounded. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Вакуумная и твердотельная электроника Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой Дослідження можливості розробки високоефективних кремнієвих фотоперетворювачів з базовою p-i-n структурою Investigation of the development capability of high efficiency silicon solar cells with p-i-n base structure Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой |
| spellingShingle |
Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой Шуба, Л.П. Кириченко, М.В. Копач, В.Р. Антонова, В.А. Листратенко, А.М. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title_short |
Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой |
| title_full |
Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой |
| title_fullStr |
Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой |
| title_full_unstemmed |
Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой |
| title_sort |
исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой |
| author |
Шуба, Л.П. Кириченко, М.В. Копач, В.Р. Антонова, В.А. Листратенко, А.М. |
| author_facet |
Шуба, Л.П. Кириченко, М.В. Копач, В.Р. Антонова, В.А. Листратенко, А.М. |
| topic |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дослідження можливості розробки високоефективних кремнієвих фотоперетворювачів з базовою p-i-n структурою Investigation of the development capability of high efficiency silicon solar cells with p-i-n base structure |
| description |
Изготовлены и исследованы тестовые образцы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с p-i-n структурой на основе очень слабо легированных фосфором кристаллов кремния i(n-)-типа проводимости толщиной около 300 мкм с удельным сопротив-лением 4000 Ом см. Слои р- и n-типа толщиной 1,5 мкм с концентрацией бора и фосфора 1020 см-3 соответственно образованы согласно технологии, используемой в серийном производстве отечественных монокристаллических Si-ФЭП. Плотность фототока JФ, выходные и диодные параметры ФЭП определялись по нагрузочным световым вольт-амперным характеристикам, измеренным при 25 оС в условиях заатмосферного солнечного излучения (режим АМ0 - атмосферная масса равна нулю). Обнаруженное значение JФ = 48,6 мА/см2 является рекордным для отечественных монокристаллических Si-ФЭП, что обусловливает целесообразность разработки серийных Si-ФЭП с p-i-n структурой. Изучено влияние слабоконцентрированного излучения на эффективность работы ФЭП такого типа. Обоснованы предложения по усовершенствованию конструкции Si-ФЭП с p-i-n структурой, обеспечивающему увеличение их КПД до 20%.
Виготовлені та досліджені тестові зразки фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) з p-i-n структурою на основі дуже слабо легованих фосфором кристалів кремнію i(n-)-типу провідності товщиною близько 300 мкм з питомим опором 4000 Омсм. Шари р- та n-типу товщиною 1,5 мкм з концентрацією бору та фосфору 1020 см-3 відповідно сформовані згідно до технології, що використовується при серійному виробництві вітчизняних монокристалічних Si-ФЕП. Густина фотоструму JФ, вихідні та діодні параметри ФЕП визначалися за навантажувальними світ-ловими вольт-амперними характеристиками, виміряними при 25оС в умовах заатмосферного сонячного опромінення (режим АМ0 - атмосферна маса дорівнює нулю). Виявлене значення JФ = 48,6 мА/см2 є рекордним для вітчизняних монокристалічних Si-ФЕП, що обумовлює доцільність розробки серійних Si-ФЕП з p-i-n структурою. Вивчено вплив слабоконцентрованого опромінення на ефективність роботи ФЕП такого типу. Обґрунтовано пропозиції по вдосконаленню конструкції Si-ФЕП з p-i-n структурою, що забезпечує збільшення їх ККД до 20%.
Test samples of solar cells (SC) with p-i-n structure on the basis of very poorly phosphorus doped silicon crystals of i (n-)-type conductivity by thickness about 300 ?m with resistivity of 4000 Ohm cm were manufactured and investigated. The р- and n-type layers by thickness 1,5 ?m with boron and phosphorus concentration ~ 1020 cm-3 were prepared according to technology used in serial production of Ukrainian monocrystalline Si-SC. Photocurrent density JP, output and diode parameters of SC were determined from the loading illuminated current-voltage characteristics measured at 25оС and in conditions of extratmospheric solar radiation (АМ0 regime – air mass equals zero). The found out value JP = 48,6 mА/cm2 is the record for Ukrainian monocrystalline Si-SC that causes the expediency of serial Si-SC development with p-i-n structure. The influence of weakly concentrated radiation on the efficiency of such type SC was investigated. The proposals on improvement of Si-SC design with p-i-n structure ensuring their efficiency increasing up to 20% were grounded.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10774 |
| citation_txt |
Исследование возможности разработки высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей с базовой p-i-n структурой / Л.П. Шуба, М.В. Кириченко, В.Р. Копач, В.А. Антонова, А.М. Листратенко // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 263-267. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT šubalp issledovanievozmožnostirazrabotkivysokoéffektivnyhkremnievyhfotopreobrazovateleisbazovoipinstrukturoi AT kiričenkomv issledovanievozmožnostirazrabotkivysokoéffektivnyhkremnievyhfotopreobrazovateleisbazovoipinstrukturoi AT kopačvr issledovanievozmožnostirazrabotkivysokoéffektivnyhkremnievyhfotopreobrazovateleisbazovoipinstrukturoi AT antonovava issledovanievozmožnostirazrabotkivysokoéffektivnyhkremnievyhfotopreobrazovateleisbazovoipinstrukturoi AT listratenkoam issledovanievozmožnostirazrabotkivysokoéffektivnyhkremnievyhfotopreobrazovateleisbazovoipinstrukturoi AT šubalp doslídžennâmožlivostírozrobkivisokoefektivnihkremníêvihfotoperetvorûvačívzbazovoûpinstrukturoû AT kiričenkomv doslídžennâmožlivostírozrobkivisokoefektivnihkremníêvihfotoperetvorûvačívzbazovoûpinstrukturoû AT kopačvr doslídžennâmožlivostírozrobkivisokoefektivnihkremníêvihfotoperetvorûvačívzbazovoûpinstrukturoû AT antonovava doslídžennâmožlivostírozrobkivisokoefektivnihkremníêvihfotoperetvorûvačívzbazovoûpinstrukturoû AT listratenkoam doslídžennâmožlivostírozrobkivisokoefektivnihkremníêvihfotoperetvorûvačívzbazovoûpinstrukturoû AT šubalp investigationofthedevelopmentcapabilityofhighefficiencysiliconsolarcellswithpinbasestructure AT kiričenkomv investigationofthedevelopmentcapabilityofhighefficiencysiliconsolarcellswithpinbasestructure AT kopačvr investigationofthedevelopmentcapabilityofhighefficiencysiliconsolarcellswithpinbasestructure AT antonovava investigationofthedevelopmentcapabilityofhighefficiencysiliconsolarcellswithpinbasestructure AT listratenkoam investigationofthedevelopmentcapabilityofhighefficiencysiliconsolarcellswithpinbasestructure |
| first_indexed |
2025-11-24T16:02:15Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:02:15Z |
| _version_ |
1850850488389468160 |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, № 1, 2007, с. 263-267 © ИРЭ НАН Украины, 2007
УДК 539.2:648.75
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ
КРЕМНИЕВЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С БАЗОВОЙ P-I-N СТРУКТУРОЙ
Л. П. Шуба
1
, М. В. Кириченко
1
, В. Р. Копач
1
, В. А. Антонова
2
, А. М. Листратенко
2
1
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»
21, ул. Фрунзе, г. Харьков, 61002, Украина
E-mail: Lshuba@mail.ru
2
Государственное предприятие
«Научно-исследовательский технологический институт приборостроения»,
40/42, ул. Примакова, г. Харьков, 61010, Украина
Изготовлены и исследованы тестовые образцы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с p-i-n структурой на основе
очень слабо легированных фосфором кристаллов кремния i(n-)-типа проводимости толщиной около 300 мкм с удельным сопротив-
лением 4000 Ом см. Слои р- и n-типа толщиной 1,5 мкм с концентрацией бора и фосфора 1020 см-3 соответственно образованы
согласно технологии, используемой в серийном производстве отечественных монокристаллических Si-ФЭП. Плотность фототока
JФ, выходные и диодные параметры ФЭП определялись по нагрузочным световым вольт-амперным характеристикам, измеренным
при 25 оС в условиях заатмосферного солнечного излучения (режим АМ0 - атмосферная масса равна нулю). Обнаруженное значе-
ние JФ = 48,6 мА/см2 является рекордным для отечественных монокристаллических Si-ФЭП, что обусловливает целесообразность
разработки серийных Si-ФЭП с p-i-n структурой. Изучено влияние слабоконцентрированного излучения на эффективность работы
ФЭП такого типа. Обоснованы предложения по усовершенствованию конструкции Si-ФЭП с p-i-n структурой, обеспечивающему
увеличение их КПД до 20%. Ил. 5. Табл. 3. Библиогр.: 5 назв.
Ключевые слова: фотоэлектрические преобразователи, p-i-n структура, КПД.
В настоящее время фотоэлектрические
преобразователи (ФЭП) солнечной энергии нахо-
дят широкомасштабное применение для энерго-
обеспечения космических аппаратов и автоном-
ного питания разнообразных наземных электрон-
ных устройств. К современным ФЭП предъявля-
ются следующие требования: высокая эффектив-
ность работы; технологичность и относительно
низкая стоимость изготовления; а также надлежа-
щая радиационная стойкость. Такие характеристи-
ки присущи лучшим зарубежным ФЭП на основе
монокристаллического кремния, КПД которых
достигает ~ 20% [1,2]. Однако серийные ФЭП оте-
чественного производства не отвечают в полной
мере приведенным выше требованиям (КПД при-
боров на основе монокристаллического кремния
марки КДБ-10 с n
+
-p гомопереходом составляет
13-14% при 25
о
С в условиях заатмосферного сол-
нечного излучения - режим АМ0 - атмосферная
масса равна нулю), а поэтому остаются низкорен-
табельными для широкомасштабного космиче-
ского и наземного применения [3]. Указанное
побуждает разработчиков постоянно совершенст-
вовать конструктивно-технологическое решение
отечественных ФЭП на основе монокристалличе-
ского кремния.
Ключевой причиной сложившейся ситуа-
ции является различие в плотностях фототока JФ
таких ФЭП: 40-42 мА/см
2
у отечественных и 48-
49 мА/см
2
у зарубежных. Так как одним из ради-
кальных способов увеличения JФ является повы-
шение времени жизни неосновных носителей за-
ряда в базовом полупроводниковом слое ФЭП,
которое, как известно, растет со снижением кон-
центрации легирующей примеси, целесообразным
представляется исследование возможности разра-
ботки высокоэффективных кремниевых ФЭП с
базовой p-i-n структурой. Указанные обстоятель-
ства инициировали проведение настоящих иссле-
дований.
1. Объекты исследования. В работе ис-
следовались тестовые образцы фотоэлектрических
преобразователей с p-i(n
-
)-n структурой, изготов-
ленные Государственным предприятием «Научно-
исследовательский технологический институт
приборостроения» (ГП НИТИП, г. Харьков) на
основе кристаллов кремния n-типа проводимости,
характеризующихся удельным сопротивление
4000 Ом см, ориентацией (100) и толщиной
300 мкм. Схематическое изображение конструк-
ции исследуемых ФЭП приведено на рис. 1.
Суммарная площадь фотоприемной по-
верхности составляет 100 мм
2
. Со стороны фрон-
тальной фотоприемной поверхности расположены
диффузионные р
+
-слои толщиной 1,5 мкм с кон-
центрацией акцепторной примеси Na = 6·10
19
см
-3
,
выполненные в виде замкнутой решетки, имеющей
шаг 100 мкм. Всего на фронтальной поверхности в
составе указанной решетки присутствует 100 таких
полос шириной 50 мкм. Эти полосы электрически
связаны между собой диффузионным кольцом
шириной 200 мкм. От периферийного р
+
-кольца
фотоприемной области на расстоянии 50 мкм рас-
положено охранное полевое кольцо шириной
50 мкм. Фотоприемная поверхность вместе с ох-
ранным полевым кольцом окружена стопорным
противоинверсионным кольцом n
+
-типа шириной
1000 мкм, которое отстоит от охранного полевого
Л. П. Шуба и др. / Исследование возможности разработки…
_________________________________________________________________________________________________________________
264
кольца на 200 мкм. На тыльной поверхности
структуры расположены диффузионные n
+
-слои
толщиной 1,5 мкм с концентрацией донорной
примеси Nd = 2·10
20
см
-3
, выполненные также, как
и р
+
-слои, но развернутые относительно послед-
них под углом 90
о
. Поверх р
+
-колец и n
+
-областей
нанесены пленочные металлические электроды.
а)
б)
Рис. 1. Схематическое изображение фронтальной поверхности
(а) и сечения, перпендикулярного этой поверхности (б) тесто-
вых образцов ФЭП: 1 - стопорное противоинверсионное коль-
цо n+-типа проводимости, покрытое слоем металлизации; 2 -
периферийное охранное кольцо p+-типа проводимости, по-
крытое слоем металлизации; 3 - диффузионное кольцо p+-типа
проводимости, покрытое слоем металлизации; 4 - просвет-
ляющее покрытие; 5 - диффузионный слой кремния p+-типа
проводимости толщиной 1,5 мкм; 6 - монокристаллический
кремний i -типа проводимости; 7 - диффузионный слой крем-
ния n+-типа проводимости толщиной 1,5 мкм; 8 - пленочный
сплошной металлический электрод толщиной 1 мкм
___________________________________________
2. Параметры ФЭП в режиме облуче-
ния АМ0. Определение плотности фототока Jф,
выходных параметров (плотности тока короткого
замыкания Jкз; напряжения холостого хода Uхх;
фактора заполнения FF нагрузочной световой
вольт-амперной характеристики (НС ВАХ); мак-
симальной электрической мощности, выделяемой
в нагрузке Рнм; коэффициента полезного дейст-
вия ) и диодных параметров (плотности диодно-
го тока насыщения J0; последовательного сопро-
тивления Rп; шунтирующего сопротивления Rш;
коэффициента идеальности диода А); исследо-
ванных ФЭП проводилось путем измерения и
последующей аналитической обработки НС ВАХ.
Экспериментальные НС ВАХ приведены
на рис. 2. Выходные и диодные параметры иссле-
дованных ФЭП в режиме облучения АМ0 при
температуре 25
о
С представлены в табл. 1.
Uк,
Iк,
Рис. 2. Экспериментальные НС ВАХ тестовых образцов ФЭП:
- №1; - №2
Анализ результатов, приведенных в
табл. 1, с очевидностью указывает на следующую
тенденцию зависимости их КПД от плотности
фототока и диодных параметров: КПД увеличи-
вается с ростом Jф и Rш, и с уменьшением J0 и Rп.
Таблица 1
Плотность фототока, выходные и диодные параметры тестовых образцов ФЭП,
рассчитанные по приведенным на рис. 2 НС ВАХ
Образцы
ФЭП
Jф,
мА/см
2
Jкз,
мА/см
2
Uхх,
мВ
FF,
отн. ед.
Pнм*,
Вт/кг
Рнм,
Вт/м
2
,
%
J0,
А/см
2
A,
отн. ед.
Rп*,
Ом см
2
Rш*,
Ом см
2
№ 1 48,6 47,8 581 0,56 224 156 11,5 5,0·10
-7
2 1,7 99
№ 2 45,4 45,1 588 0,60 226 158 11,6 4,6·10
-7
2 1,7 251
___________________________________________
Как видно из табл. 1, исследованные тес-
товые образцы ФЭП имеют весьма высокие значе-
ния плотности фототока, превышающие достигну-
тые к настоящему моменту значения Jф для серий-
ных отечественных ФЭП более, чем на 4 мА/см
2
,
что должно было бы привести к заметному росту
их КПД. Однако КПД исследованных ФЭП не
превышает 11,6%, что связано с высокими значе-
ниями плотности диодного тока насыщения и по-
следовательного сопротивления, а также с низким
шунтирующим сопротивлением. Высокое значе-
ние J0 обусловлено, в первую очередь, преоблада-
нием его рекомбинационной компоненты (А = 2).
Низкое шунтирующее сопротивление Rш*, приве-
денное к единице площади ФЭП, обусловлено, ве-
роятнее всего, краевыми дислокациями с облаками
Котрелла либо глубокими микротрещинами (иногда
образующимися при вырезании базового полупро-
одникового слоя из исходного монокристалличе-
ского слитка), пересекающими p-i-n структуру.
Л. П. Шуба и др. / Исследование возможности разработки…
_________________________________________________________________________________________________________________
265
Следует отметить, что величина Jф образ-
ца №1 составляет 48,6 мА/см
2
и практически равна
плотности фототока лучших зарубежных ФЭП.
Это позволяет говорить о перспективе создания
ФЭП такого типа с рекордно высоким значением
КПД. Однако, хотя плотность фототока образца
№1 больше, чем у образца №2 на 3,2 мА/см
2
, по-
вышенное значение J0 и пониженное значение
шунтирующего сопротивления Rш*, приведенного
к единице площади фронтальной поверхности
данного ФЭП, обусловливают снижение его КПД
на 0,1% по сравнению с образцом №2.
Таким образом, при достигнутом высо-
ком значении Jф к пониженному значению КПД
исследованных ФЭП привело недостаточно вы-
сокое качество их диодной структуры. Однако
достигнутые рекордно высокие значения Jф по-
зволяют прогнозировать реальную возможность
обеспечения существенно более высокой эффек-
тивности работы ФЭП с p-i-n-структурой.
Расчеты, результаты которых представле-
ны в табл. 2, показывают, что если бы величина Jф
образца №2 была повышена до величины Jф об-
разца №1, величина J0 снижена до 10
-7
А/см
2
, то
КПД образца №2 повысился бы на 3,1% и достигал
бы 14,7%. Это превышает КПД лучших отечест-
венных ФЭП стандартной конструкции, который
составляет 14%. При снижении Rп* до 1,20 Ом см
2
,
увеличении Rш* до 360 Ом см
2
возможно дости-
жение КПД на уровне 15,6%. В случае приближе-
ния некоторых диодных параметров тестовых об-
разцов к диодным параметрам лучших отечествен-
ных ФЭП, а именно: Rп* = 0,88 Ом см
2
и
Rш* = 270 Ом см
2
при сохранении J0 на уровне
10
-7
А/см
2
, ФЭП с p-i-n-структурой позволят полу-
чить КПД около 16,1% и Рнм
*
около 313 Вт/кг.
______________________________________________________
Таблица 2
Результаты математического моделирования на ПЭВМ зависимости выходных параметров
ФЭП от их диодных параметров
Этапы
моделирования
Плотность
фототока
Диодные параметры Выходные параметры
JФ, мА/см
2
J0,
А/см
2
A,
отн.ед.
Rш*,
Ом см
2
Rп*,
Ом см
2
Jкз,
мА/см
2
Uхх,
мВ
FF,
отн.ед.
Рнм,
Вт/м
2
Pнм*,
Вт/кг
, %
1 48,6 1·10
-7
2 251 1,7 48,2 668 0,62 200 286 14,7
2 48,6 1·10
-7
2 360 1,2 48,4 669 0,65 212 303 15,6
3 48,6 1·10
-7
2 270 0,7 48,5 669 0,67 219 313 16,1
4 48,6 1·10
-8
2 500 0,5 48,6 787 0,72 277 397 20,4
___________________________________________
Оптимизировать параметры диодной
структуры можно следующим образом. Снижение
плотности диодного тока насыщения реально за
счет уменьшения на порядок толщины областей
p
+
-типа, соответствующих позиции 5 на рис. 1.
Понижение последовательного сопротивления
возможно за счет нанесения металлизации толщи-
ной не менее 5 мкм поверх этих областей. Для по-
вышения шунтирующего сопротивления целесо-
образно утонение исходного кристалла методом
глубокого химического травления [4], что обеспе-
чит устранение микротрещин, проникающих в
исходный базовый кристалл со стороны планар-
ных поверхностей на глубину 100-150 мкм и не
устраняемых в результате его механической поли-
ровки и шлифовки, а также большей части крае-
вых дислокаций в этом кристалле.
При условии достижения параметров
диодной структуры, соответствующих критери-
альным значениям для ФЭП стандартной конст-
рукции (Rп* = 0,5 Ом см
2
, Rш* = 500 Ом см
2
,
J0 = 10
-8
А/см
2
[5]) КПД ФЭП с p-i-n структурой
может быть увеличен до 20,4%.
Теоретические НС ВАХ для фотопреобра-
зователей с различными диодными параметрами и
значениями Jф приведены на рис. 3. Изменение
коэффициента полезного действия в зависимости
от диодных параметров схематически показано в
виде соответствующих диаграмм на рис. 4.
Uк,B
Iк,мА
Uк,B
Рис. 3. НС ВАХ ФЭП с p-i-n структурой, построенные по
результатам математического моделирования с учетом значе-
ний плотности фототока и диодных параметров, соответст-
вующих этапам моделирования 1 - 4, которые приведены в
табл. 2: - этап 1; - этап 2; - этап 3; - этап 4
Л. П. Шуба и др. / Исследование возможности разработки…
_________________________________________________________________________________________________________________
266
R
R
а)
R
R
б)
Рис. 4. Диаграммы распределения значений КПД ФЭП с
p-i-n структурой в зависимости от значений последовательно-
го и шунтирующего сопротивлений при плотности диодного
тока насыщения 10-7 А/см2 (а) и 10-8 А/см2 (б)
Все вышеизложенное позволяет сделать
вывод о перспективности использования монокри-
сталлических кремниевых ФЭП с p-i-n-структурой
для космического и наземного применения.
3. Параметры ФЭП в условиях кон-
центрированного излучения. Основные резуль-
таты исследований по изучению влияния концен-
трированного солнечного излучения на выходные
и диодные параметры ФЭП с p-i-n-структурой
могут быть обобщены в виде семейства зависи-
мостей выходных параметров и плотности фото-
тока от величины степени концентрации излуче-
ния К, представленного на рис. 5. Выходные и
диодные параметры тестового образца ФЭП №1
при различных значениях К приведены в табл. 3.
Uк
Iк
Рис. 5. Экспериментальные НС ВАХ, соответствующие раз-
личным уровням освещенности тестового образца ФЭП №1:
- К = 1; - К = 1,2; - К = 1,5; - К = 2
Как видно из рис. 5 и табл. 3, выходные и
диодные параметры исследованного ФЭП по-
разному изменяются с ростом К: Jф, и Uxx растут
с увеличением К. Однако фактор заполнения НС
ВАХ уменьшается с ростом К, начиная со значе-
ний этой величины, близких к единице.
Последнее обстоятельство хорошо коррелиру-
ет с увеличением разницы между Jф и Jкз при росте
К, которая может быть обусловлена только ростом
плотности диодного тока Jд ФЭП с ростом К при
сравнительно больших значениях J0 и Rп в силу
следующего хорошо известного соотношения [5]:
Jкз = Jф – Jд.
Существенной причиной снижения фактора
заполнения FF с ростом К может являться значи-
тельное увеличение потерь вырабатываемой ФЭП
электрической мощности на выделение джоулева
тепла в относительно высоком последовательном и
в сравнительно низком шунтирующем сопротивле-
ниях ФЭП. Поэтому можно заключить, что величина
FF уменьшается с ростом К от 0,56 до 0,52, в частно-
сти, из-за увеличения J0 с ростом К сравнительно
больших значений Rп и низких значений Rш, дости-
гающих соответственно 7·10
-7
А/см
2
, 1,6 Ом·см
2
,
79 Ом·см
2
при К = 2.
______________________________________________________
Таблица 3
Плотность фототока, выходные и диодные параметры тестового образца ФЭП № 1
в зависимости от степени концентрации излучения на его фронтальной поверхности
К,
отн. ед.
Jф,
мА/см
2
Jкз,
мА/см
2
Uхх,
мВ
FF,
отн.ед.
Рнм,
Вт/м
2
Pнм*,
Вт/кг , % J0, А/см
2
A,
отн.ед.
Rш*,
Ом см
2
Rп*,
Ом см
2
1,0 48,6 47,8 581 0,56 157 224 11,5 5·10
-7 2 99 1,7
1,2 58,7 57,8 583 0,56 191 243 11,6 6·10
-7 2 99 1,6
1,5 74,2 73,0 596 0,55 232 341 11,7 6·10
-7 2 99 1,6
2,0 96,6 94,7 602 0,52 297 423 10,6 7·10
-7 2 79 1,6
___________________________________________
Перечисленные обстоятельства приводят к
увеличению КПД на 0,2% (абсолютных) при К = 1,5, а
затем - к резкому спаду на 1,1% при К = 2. Вместе с
тем, проведенный анализ экспериментальных данных
показывает, что при указанном выше спаде КПД мак-
симальная электрическая мощность, отдаваемая ФЭП
во внешнюю резистивную нагрузку, монотонно растет
с увеличением степени концентрации излучения во
всем диапазоне использованных значений К, достигая
423 Вт/кг при К = 2. Это обусловлено преимущест-
венным монотонным ростом произведения выходных
параметров Jкз и Uхх на фоне монотонного и меньшего
Л. П. Шуба и др. / Исследование возможности разработки…
_________________________________________________________________________________________________________________
267
по удельному вкладу снижения параметра FF в вели-
чину Рнм = JкзUххFF 5 . Наблюдающийся характер
зависимости максимальной электрической мощности,
отдаваемой ФЭП во внешнюю резистивную нагрузку,
от величины К показан в табл. 3.
Полученные результаты позволяют за-
ключить, что ФЭП с p-i-n-структурой исследо-
ванного уровня качества в условиях концентри-
рованного солнечного излучения наиболее опти-
мально могут быть использованы при К = 1,5.
При улучшении диодных параметров, обеспечи-
вающих рост КПД в режиме облучения АМ0,
значение оптимального коэффициента концен-
трации солнечного излучения может возрасти.
Выводы. Проведена аттестация по фото-
току, выходным и диодным параметрам тестовых
образцов ФЭП с p-i-n структурой на основе кри-
сталлов кремния толщиной 300 мкм с площадью
фронтальной поверхности 1 см
2
.
В условиях облучения АМ0 КПД исследо-
ванных ФЭП составляет 11,5 - 11,6%, что обусловле-
но недостаточно высоким качеством диодной струк-
туры. Однако рекордно высокие значения плотности
фототока, достигающие 48,6 мА/см
2
, позволяют при
условии оптимизации диодных параметров прогно-
зировать реальную возможность достижения более
высокого качества ФЭП с p-i-n-структурой.
Математическое моделирование на ПЭВМ
зависимости выходных параметров ФЭП от их диод-
ных параметров показало, что КПД равный 14,7%
достижим при снижении плотности диодного тока
насыщения до 10
-7
А/см
2
при сохранении остальных
диодных параметров таких ФЭП на уровне, соответст-
вующем настоящей стадии разработки. При практиче-
ской реализации достижения критериальных значений
диодных параметров (J0 = 10
-8
А/см
2
, Rп* = 0,5 Ом см
2
,
Rш* = 500 Ом см
2
, А = 2) [5] КПД ФЭП с p-i-n струк-
турой может быть увеличен до 20,4%.
Установлено, что в условиях концентриро-
ванного солнечного излучения КПД ФЭП исследо-
ванного типа растет с повышением степени его кон-
центрации, достигая максимума 11,7% при К = 1,5, а
затем резко спадает при К = 2. Обнаружено, что такое
изменение КПД обусловлено снижением FF и увели-
чением J0 с увеличением К, а также сравнительно
большим значением Rп образца и низким Rш. Моно-
кристаллические кремниевые ФЭП с p-i-n структурой
исследованного уровня качества в условиях концен-
трированного солнечного излучения наиболее опти-
мально могут быть использованы при К = 1,5.
1. Hoffmann W. PV solar electricity: one among the new millen-
nium industries // Proceedings of the 17th European Photo-
voltaic Solar Energy Conference, (October 22-26, 2001). -
Munich, Germany, 2001. - P.-851-861.
2. Green M. A., Emery K., King D. L. et al. Solar cell efficiency
tables (Version 27) // Prog. Photovolt: Res. Appl. - 2006. - 14,
N1. - P.45-51.
3. Антонова В. А., Борщев В. Н., Копач В. Р. и др. Перспек-
тивные конструктивно-технологические решения монокри-
сталлических кремниевых фотопреобразователей космиче-
ского назначения // Радиотехника. - 2002. - Вып. 125. -
С.110-116
4. Колтун М. М. Оптика и метрология солнечных элементов. -
М.: Наука, 1985. - 280 с.
5. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: теория и
эксперимент. - М.: Энергоиздат, 1987. - 280 с.
INVESTIGATION OF THE DEVELOPMENT
CAPABILITY OF HIGH EFFICIENCY SILICON
SOLAR CELLS WITH P-I-N BASE STRUCTURE
L. P. Shuba, M. V. Кirichenko, V. R. Коpach,
V. А. Аntonova, А. М. Listratenko
Test samples of solar cells (SC) with p-i-n structure on the basis of
very poorly phosphorus doped silicon crystals of i (n-)-type conduc-
tivity by thickness about 300 μm with resistivity of 4000 Ohm cm
were manufactured and investigated. The р- and n-type layers by
thickness 1,5 μm with boron and phosphorus concentration
~ 1020 cm-3 were prepared according to technology used in serial
production of Ukrainian monocrystalline Si-SC. Photocurrent densi-
ty JP, output and diode parameters of SC were determined from the
loading illuminated current-voltage characteristics measured at 25оС
and in conditions of extra-atmospheric solar radiation (АМ0 regime
– air mass equals zero). The found out value JP = 48,6 mА/cm2 is the
record for Ukrainian monocrystalline Si-SC that causes the expe-
diency of serial Si-SC development with p-i-n structure. The influ-
ence of weakly concentrated radiation on the efficiency of such type
SC was investigated. The proposals on improvement of Si-SC design
with p-i-n structure ensuring their efficiency increasing up to 20%
were grounded.
Key words: solar cells, p-i-n structure, efficiency.
ДОСЛІДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТІ РОЗРОБКИ
ВИСОКОЕФЕКТИВНИХ КРЕМНІЄВИХ
ФОТОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З БАЗОВОЮ
P-I-N СТРУКТУРОЮ
Л. П. Шуба, М. В. Кіріченко, В. Р. Копач,
В. А. Антонова, О. М. Лістратенко
Виготовлені та досліджені тестові зразки фотоелек-
тричних перетворювачів (ФЕП) з p-i-n структурою на основі дуже
слабо легованих фосфором кристалів кремнію i(n-)-типу провід-
ності товщиною близько 300 мкм з питомим опором 4000 Ом см.
Шари р- та n-типу товщиною 1,5 мкм з концентрацією бору та
фосфору 1020 см-3 відповідно сформовані згідно до технології,
що використовується при серійному виробництві вітчизняних
монокристалічних Si-ФЕП. Густина фотоструму JФ, вихідні та
діодні параметри ФЕП визначалися за навантажувальними світ-
ловими вольт-амперними характеристиками, виміряними при
25оС в умовах заатмосферного сонячного опромінення (режим
АМ0 - атмосферна маса дорівнює нулю). Виявлене значення
JФ = 48,6 мА/см2 є рекордним для вітчизняних монокристалічних
Si-ФЕП, що обумовлює доцільність розробки серійних Si-ФЕП з
p-i-n структурою. Вивчено вплив слабоконцентрованого опромі-
нення на ефективність роботи ФЕП такого типу. Обґрунтовано
пропозиції по вдосконаленню конструкції Si-ФЕП з p-i-n структу-
рою, що забезпечує збільшення їх ККД до 20%.
Ключові слова: фотоелектричні перетворювачі,
p-i-n структура, ККД.
Рукопись поступила 28 декабря 2006 г.
|