Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au

C целью оптимизации конструктивно-технологических решений фронтальных электродов были проведены сопоставительные исследования выходных параметров и световых диодных характеристик пленочных солнечных элементов ITO/CdS/CdTe/Cu/Au и SnO₂:F/CdS/CdTe/Cu/Au. З метою оптимізації конструктивно-технологічних...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Физическая инженерия поверхности
Date:	2014
Main Authors:	Хрипунов, Г.С., Пирогов, А.В., Ковтун, Н.А., Хрипунова, А.Л., Кудий, Д.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2014
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108491
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au / Г.С. Хрипунов, А.В. Пирогов, Н.А. Ковтун, А.Л. Хрипунова, Д.А. Кудий // Физическая инженерия поверхности. — 2014. — Т. 12, № 4. — С. 466-45. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108491
record_format	dspace
spelling	Хрипунов, Г.С. Пирогов, А.В. Ковтун, Н.А. Хрипунова, А.Л. Кудий, Д.А. 2016-11-05T21:23:13Z 2016-11-05T21:23:13Z 2014 Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au / Г.С. Хрипунов, А.В. Пирогов, Н.А. Ковтун, А.Л. Хрипунова, Д.А. Кудий // Физическая инженерия поверхности. — 2014. — Т. 12, № 4. — С. 466-45. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108491 523.72:620.91 C целью оптимизации конструктивно-технологических решений фронтальных электродов были проведены сопоставительные исследования выходных параметров и световых диодных характеристик пленочных солнечных элементов ITO/CdS/CdTe/Cu/Au и SnO₂:F/CdS/CdTe/Cu/Au. З метою оптимізації конструктивно-технологічних рішень фронтальних електродів були проведені порівняльні дослідження вихідних параметрів і світлових діодних характеристик плівкових сонячних елементів ITO/CdS/CdTe/Cu/Au та SnO₂:F/CdS/CdTe/Cu/Au. For optimization of the design and technological solutions frontal electrodes comparative research external parameters and light diode characteristics thin film solar cells ITO/CdS/CdTe/Cu/Au and SnO₂:F/CdS/CdTe/Cu/Au has been provided. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au Плівкові сонячні елементи ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au Film solar cells ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au
spellingShingle	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au Хрипунов, Г.С. Пирогов, А.В. Ковтун, Н.А. Хрипунова, А.Л. Кудий, Д.А.
title_short	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au
title_full	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au
title_fullStr	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au
title_full_unstemmed	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au
title_sort	пленочные солнечные элементы ito/sno₂/cds/cdte/cu/au
author	Хрипунов, Г.С. Пирогов, А.В. Ковтун, Н.А. Хрипунова, А.Л. Кудий, Д.А.
author_facet	Хрипунов, Г.С. Пирогов, А.В. Ковтун, Н.А. Хрипунова, А.Л. Кудий, Д.А.
publishDate	2014
language	Russian
container_title	Физическая инженерия поверхности
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format	Article
title_alt	Плівкові сонячні елементи ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au Film solar cells ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au
description	C целью оптимизации конструктивно-технологических решений фронтальных электродов были проведены сопоставительные исследования выходных параметров и световых диодных характеристик пленочных солнечных элементов ITO/CdS/CdTe/Cu/Au и SnO₂:F/CdS/CdTe/Cu/Au. З метою оптимізації конструктивно-технологічних рішень фронтальних електродів були проведені порівняльні дослідження вихідних параметрів і світлових діодних характеристик плівкових сонячних елементів ITO/CdS/CdTe/Cu/Au та SnO₂:F/CdS/CdTe/Cu/Au. For optimization of the design and technological solutions frontal electrodes comparative research external parameters and light diode characteristics thin film solar cells ITO/CdS/CdTe/Cu/Au and SnO₂:F/CdS/CdTe/Cu/Au has been provided.
issn	1999-8074
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108491
citation_txt	Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au / Г.С. Хрипунов, А.В. Пирогов, Н.А. Ковтун, А.Л. Хрипунова, Д.А. Кудий // Физическая инженерия поверхности. — 2014. — Т. 12, № 4. — С. 466-45. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT hripunovgs plenočnyesolnečnyeélementyitosno2cdscdtecuau AT pirogovav plenočnyesolnečnyeélementyitosno2cdscdtecuau AT kovtunna plenočnyesolnečnyeélementyitosno2cdscdtecuau AT hripunovaal plenočnyesolnečnyeélementyitosno2cdscdtecuau AT kudiida plenočnyesolnečnyeélementyitosno2cdscdtecuau AT hripunovgs plívkovísonâčníelementiitosno2cdscdtecuau AT pirogovav plívkovísonâčníelementiitosno2cdscdtecuau AT kovtunna plívkovísonâčníelementiitosno2cdscdtecuau AT hripunovaal plívkovísonâčníelementiitosno2cdscdtecuau AT kudiida plívkovísonâčníelementiitosno2cdscdtecuau AT hripunovgs filmsolarcellsitosno2cdscdtecuau AT pirogovav filmsolarcellsitosno2cdscdtecuau AT kovtunna filmsolarcellsitosno2cdscdtecuau AT hripunovaal filmsolarcellsitosno2cdscdtecuau AT kudiida filmsolarcellsitosno2cdscdtecuau
first_indexed	2025-11-24T20:13:40Z
last_indexed	2025-11-24T20:13:40Z
_version_	1850495061005959168
fulltext	ПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ITO/SNO2/CdS/CdTe/Cu/Au ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4466 © Хрипунов Г. С., Пирогов А. В., Ковтун Н. А., Хрипунова А. Л., Кудий Д. А., 2014 466 УДК 523.72:620.91 ПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au Г. С. Хрипунов, А. В. Пирогов, Н. А. Ковтун, А. Л. Хрипунова, Д. А. Кудий Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина Поступила в редакцию 15.10.2014 C целью оптимизации конструктивно-технологических решений фронтальных электродов были проведены сопоставительные исследования выходных параметров и световых диодных характеристик пленочных солнечных элементов ITO/CdS/CdTe/Cu/Au и SnO2:F/CdS/CdTe/ Cu/Au. Установлено, что большее напряжение и больший фактор заполнения солнечных эле- ментов при использовании в конструкции пленок SnO2:F обусловлены меньшими значениями плотности диодного тока насыщения и последовательного сопротивления, что обусловлено устойчивостью кристаллической структуры и электрических свойств этих пленок к «хлорид- ной» обработке базового слоя при изготовлении приборной структуры. В тоже время солне- чные элементы с фронтальным электродом ITO имеют большую плотность тока короткого за мыкания, что обусловлено большим средним коэффициентом пропускания слоев ITO. Ис- пользование в конструкции фронтальных контактов ITO наноразмерных слоев SnO2 позволяет увеличить эффективность солнечных элементов на основе CdS/CdTe до 11,4 % за счет стаби- лизации кристаллической структуры и электрических свойств пленок ITO, а также возмож- ности снижения толщины слоя сульфида кадмия без шунтирования приборной структуры. Ключевые слова: «хлоридная» обработка, фронтальный электрод ITO, шунтирование, фак- тор заполнения. ПЛІВКОВІ СОНЯЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au Г. С. Хрипунов, О. В. Пірогов, Н. А. Ковтун, А. Л. Хрипунова, Д. А. Кудій З метою оптимізації конструктивно-технологічних рішень фронтальних електродів були проведені порівняльні дослідження вихідних параметрів і світлових діодних характеристик плівкових сонячних елементів ITO/CdS/CdTe/Cu/Au та SnO2:F/CdS/CdTe/Cu/Au. Встановлено, що більша напруга і більший фактор заповнення сонячних елементів при використанні у кон- струкції плівок SnO2:F обумовлені меншими значеннями густини діодного струму насичення і по слідовного електроопору, що обумовлено стійкістю кристалічної структури та електричних властивостей цих плівок до «хлоридної» обробки базового шару при виготовленні приладової стру ктури. У той же час сонячні елементи з фронтальним електродом ITO мають велику гу- стину струму короткого замикання, що обумовлено великим середнім коефіцієнтом пропускан- ня шарів ITO. Використання у конструкції фронтальних контактів ITO нанорозмірних шарів SnO2 дозволяє збільшити ефективність сонячних елементів на основі CdS/CdTe до 11,4 % за рахунок стабілізації кристалічної структури та електричних властивостей плівок ITO, а також можливість зниження товщини шару сульфіду кадмію без шунтування приладової структури. Ключові слова: «хлоридна» обробка, фронтальний електрод ITO, шунтування, фактор запо- внення. FILM SOLAR CELLS ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au G. S. Khrypunov, O. V. Pirohov, N. A. Kovtun, A. L. Khrypunova, D. A. Kudiy For optimization of the design and technological solutions frontal electrodes comparative research external parameters and light diode characteristics thin film solar cells ITO/CdS/CdTe/Cu/Au and SnO2:F/CdS/CdTe/Cu/Au has been provided. It was found that higher open circuit voltage and higher fill factor of solar cells for using SnO2:F frontal electrodes due to lower values of the saturation diode current density and the series resistance in result resistant crystal structure and electrical properties of this films to the «chloride» treatment CdTe base layer at manufacture of the device structure. At the same time solar cells with ITO front electrode have a higher short-circuit current density due to the high average transmittance layers of ITO. Using contacts in the design of the ITO frontal electrodes nanoscale SnO2 layers increase the efficiency solar cells of CdS/CdTe base up to 11,4 % due to the stabilization of the crystal structure and electrical properties of films of ITO, as well as the possibility Г. С. ХРИПУНОВ, А. В. ПИРОГОВ, Н. А. КОВТУН, А. Л. ХРИПУНОВА, Д. А. КУДИЙ ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4 467 of reducing the thickness of the layer of cadmium sulfide without shunting device structure. Keywords: «chloride» treatment, the front electrode of ITO, shunting, the filling factor. ВВЕДЕНИЕ Пленочные солнечные элементы (СЭ) на ос- нове теллурида кадмия и диселинидов меди, индия и галлия, благодаря экономичности, низкой энерго- и материалоемкости [1—2] яв ляются альтернативой традиционным приборным структурам на основе кристал- лического кремния. Несмотря на достигну- тые зна чения КПД, пленочные СЭ с базо- вым слоем теллурида кадмия существенно уступают СЭ с базовым слоем диселенида меди, индия и галлия по величине плотно- сти тока короткого замыкания, что наряду с различием в ширине запрещенной зоны этих абсорберов обусловлено значительны- ми оптическими по терями света при его про хождении к базовому слою теллурида кад мия [3—4]. При мощности солнечного излучения 100 мВт/см2 максимальная тео- ре тическая плотность тока короткого за- мы кания для солнечного элемента с базо- вым слоем CdTe составляет 30,8 мА/см2 [5]. Приблизительно (4—7) мА/см2 плотно- сти тока короткого замыкания приходится на электрический ток, обусловленный гене- рацией неравновесных носителей заряда в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны CdS в гетеросистеме glass/SnO2(ITO)/CdS [6]. Таким образом, рекомбинация неравно- весных носителей заряда в слое CdS может оказывать достаточно существенное нега- тивное влияние на величину тока ко роткого замыкания, снижая вклад в форми рование фото-э. д. с. от неравновесных но сителей заряда, генерирован ных под дейс твием фотонов в спектральном интервале (300— 520) нм. Кроме того, в слое сульфида кад- мия наблюдается внутризонное поглощение фотонов с энергией меньше ширины запре- щенной зоны, обусловлен ное развитым энер- гетическим спектром соб ственных точечных дефектов. Поэтому, умень шение толщины слоя сульфида кадмия в результате роста плотности потока фотонов, поступающих в базовый слой, может приводить к увеличе- нию плотности тока короткого замыкания [7]. Однако при снижении толщины слоя сульфида кадмия также может наблюдать- ся шунтирование основно го сепарирующе- го барьера в результате контакта базового слоя с тыльным электродом за счет наличия пор в сульфиде кадмия [8] или за счет рас- ходования сульфида кадмия на образование варизонной прослойки твердого раствора CdSxTe1–x [9]. Для предотвращения шунти- рования в конструкции тыльных электродов СЭ обычно используют тонкие про слойки нелегированного оксида олова [10]. В работе для увеличения эффективности СЭ на основе CdS/CdTe традиционной кон- струкции: на стеклянных подложках и гиб- ких приборных структурах на подложках из пленок полиимида толщиной 15 мкм прове- дены сопоставительные исследования влия- ния наноразмерных прослоек оксида олова на эффективность фотоэлектрических про- цессов. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Пленочные СЭ на основе CdS/CdTe тыль- ной конфигурации, при реализации которой освещение света осуществлялось при осве- щении со стороны прозрачной подложки, формировались на стеклянных пластинках и гибких полиимидных пленках фирмы Upilex с фронтальными электродами ITO. Толщи- на пленок ITO составляла 120 нм соответ- ственно. В вакуумной установке ВУП — 5 М на слои ITO методом нереактивного ма гнетронного распыления на постоян- ном токе при температуре подложки 300 °С нано сились тонкие пленки нелегированного оксида олова толщиной от 50 нм до 100 нм. На поверхности фронтальных электродов ITO/SnO2 в модернизированной вакуумной установке УВН методом термического ва- куумного испарения при температуре под- ложки 200 °С осаждались пленки сульфида кадмия толщиной dCdS = (0,2—0,4) мкм, а за- тем без нарушения вакуума — слои теллу- рида кадмия толщиной 4 мкм. Полученные гетеросистемы подвергались «хлоридной» обработке, которая является стандартной ПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ITO/SNO2/CdS/CdTe/Cu/Au ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4468 тех нологической операцией для изготовле- ния эффективных СЭ на основе CdS/CdTe. Для этого на поверхность CdTe методом тер- мического вакуумного испарения без нагре- ва подложки наносились слои CdCl2 и про- водился отжиг на воздухе при температуре 430 °С в течение 25 минут. Толщина хлорида кадмия при проведении «хлоридной» обра- ботки СЭ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au, сфор- мированных на стеклянных подложках со- ставляла 0,6 мкм, на полиимидных пленках 0,11 мкм, что соответствовало оптимальным значениям этого технологического параме- тра для СЭ SnO2:F/CdS/CdTe/Cu/Au. После отжига осуществлялось травление базового слоя в растворе брома в метаноле. Это по- зво ляло удалить продукты химической ре- акции, протекающей при «хлоридной» об- работке, и получить на поверхности CdTe наноразмерную прослойку теллура, необ- ходимого для формирования эффективного туннельного контакта. После травления ме- тодом термического вакуумного испарения осаждались пленки Cu/Au толщиной 11 нм и 50 нм соответственно, проводился отжиг на воздухе при температуре 200 °С в течение 20 минут. Для определения выходных параметров: плотности тока короткого замыкания (JКЗ), напряжения холостого хода (UХХ), фактора заполнения световой вольт-амперной харак- теристики (FF) и эффективности (η) при об- лучении СЭ световым потоком мощностью 100 мВт/см2 измерялись их световые вольт- амперные характеристики (ВАХ). Использование светодиодного имитатора позволяло ре ализовывать световой поток со спектральным составом, соответствующим спектру сол нечного излучения в наземных условиях. Согласно эквивалентной схеме количе- ственными характеристиками фотоэлектри- ческих процессов, протекающими при осве- щении СЭ являются его световые диодные характеристики: плотность фототока (Jф), плотность диодного тока насыщения (Jо), ко- эффициент идеальности диода (А), последо- вательное (RП) и шунтирующее (RШ) электро- сопротивления, рассчитываемые на единицу активной площади приборной структуры. Связь эффективности СЭ со световыми ди- одными характеристиками в неявном виде описывается теоретической световой ВАХ СЭ [11]: , (1) где Jн — плотность тока, протекающего через нагрузку; е — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — температура солнечного элемента; Uн — падение напря- жения на нагрузке. Для идентификации физических меха- низмов, определяющих изменение КПД при изменении конструктивно-технологических решений СЭ, путем математического моде- лирования устанавливалась количественная связь между изменением световых диодных параметров и изменением КПД. Это позво- ляет определять доминирующие световые диодные характеристики, изменение кото- рых при изменении конструктивно-тех- нологических решений СЭ обуславливает изменение его КПД. На первом этапе изго- тавливается серия СЭ, у которых отличается один технологический параметр (например, толщина слоя оксида олова — d) (рис. 1). Из общей серии вначале выбирают ис- ходный (первый) и следующий (второй) СЭ. Затем измеряют световые ВАХ выбранных СЭ. Далее путем аппроксимации с помощью ПЭВМ экспериментальной световой ВАХ теоретической зависимостью определяют ( ) ( ){ } ( ) н ф о н н н ш – exp – / A –1 – / n n J J J e U J R kT U JR R = + + +   + d1 d1: I(V)Э d2: I(V)Э d2 I(V)T = I(V)Э I(V)T: I(V)T: I(V)T: I(V)T: I(V)T = I(V)Э Rп1 Rп1 Rп1 Rп2Rш1Rп1 Rш1 Rш1 Rш1 Rш2Jo1 Jo1 Jo1 Jo1 Jo2Jф1 Jф1 Jф1Jф1 Jф2А1 А1 А1 А1 А1 А2η1 η2 Rп1 < Rп < Rп2 Rш1 < Rш < Rш1 Jф1 < Jф < Jф2 Jо1 < Jо< Jо2 ηТ(RП) ηТ(RШ) ηТ(JO) ηТ(Jф) Рис. 1. Этапы определения физических закономерно- стей влияния технологических параметров изготов- ления на эффективность СЭ Г. С. ХРИПУНОВ, А. В. ПИРОГОВ, Н. А. КОВТУН, А. Л. ХРИПУНОВА, Д. А. КУДИЙ ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4 469 световые диодные характеристики и эф- фективность СЭ. Среднеквадратичное от- клонение при аппроксимации обычно со- ставляло 10–8—10–10. При этом, величины теоретического и экспериментального КПД, которые рассчитывались по теоретической и экспериментальной световой ВАХ, со- впадали с точностью 0,01 %. На четвертом этапе определяют интервалы, в которых изменились световые диодные характери- стики. В соответствии с этими интервала- ми, используя разработанную компьютер- ную программу, проводится моделирование влияния варьирования в соответствующих экспериментальным значениям интервалах каждой из световых диодных характери- стик первого СЭ на эффективность. При этом, все световые диодные характеристики первого СЭ, кроме одной, фиксируются, а эта световая диодная характеристика при- нимает значение из выбранного интервала. По набору световых диодных параметров, в соответствии с выражением (1), програм- мой рассчитывается теоретическая световая ВАХ и определяется КПД. Затем, выбира- ется следующее значение световой диодной характеристики из выбранного интервала и рас считывается следующая теоретиче- ская световая ВАХ, из которой определя- ется КПД. В результате, мы получаем тео- ретичес кую зависимость КПД от изменения в выбранном диапазоне одной диодной ха- рактеристики при фиксированных осталь- ных. Подобное моделирование повторяется для каждой световой диодной характери- стики первого СЭ. Анализируя пять теоре- тических зависимостей КПД от изменения световых диодных характеристик первого СЭ, мы сопоставляем полученные теорети- ческие значения КПД с экспериментальным КПД второго СЭ и оцениваем количествен- ный вклад изменения каждой из световых диодных характеристик в экспериментально зафиксированное изменение КПД. Это по- зволяет идентифицировать те диодные ха- рактеристики, изменение которых оказывает доминирующее влияние на эксперименталь- но зафиксированное изменение КПД при изменении технологического параметра из- готовления СЭ. Подобная процедура повторяется для вто- рого и третьего СЭ, затем для третьего и чет- вертого и т. д. В результате, мы можем выде- лить диапазоны значений технологического параметра, в котором доминирующее влия- ние на изменение КПД оказывает одна и та же световая диодная характеристика. Пред- полагая возможные физические механизмы влияния кристаллической и энергетической структуры базового и сопрягающегося сло- ев СЭ на световые диодные характеристики, мы проводим соответствующие эксперимен- тальные исследования. В результате таких исследований устанавливаются физические закономерности влияния технологического параметра получения СЭ на его эффектив- ность. Это позволяет проводить физически обоснованную оптимизацию конструкции и физико-технологических условий получе- ния СЭ. Для исследования оптических свойств полупроводниковых пленок и подложек на регистрирующем спектрофотометре СФ- 2000 двухканальным методом с точностью 0,05 % измерялись спектральные зависимо- сти их коэффициентов пропускания в диапа- зоне длин волн (0,30—1,10) мкм. Толщина пленок CdS и SnO2 измерялась стандартным способом с использованием профилометра Dektak 303 по величине сту- пеньки между поверхностью пленки оксида и подложкой, которая была визуализирована на экране профилометра. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Было исследовано влияние толщины нано- размерной прослойки оксида олова на эф- фективность фотоэлектрических процессов в СЭ на основе CdS/CdTe, сформирован- ных на стеклянных подложках. Для первой серии образцов толщина сульфида кадмия была неизменной и составляла 0,4 мкм, что соответствовала максимальной эффективно- сти при борных структур без прослойки SnO2. При этом, в конструкции СЭ варьи- ровалась толщина прослойки оксида олова. Типичные световые ВАХ представлены на рис. 2а. Аналитическая обработка световых ВАХ (табл. 1) показала, что рост толщины ПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ITO/SNO2/CdS/CdTe/Cu/Au ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4470 слоя оксида олова (dSnO2 ) в составе двуслой- ных электродов ITO/SnО2 до dSnO2 = 50 нм приводит к росту эффективности СЭ ITO/ SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au до η = 10,5 % за счет роста напряжения холостого хода и фактора заполнения световой ВАХ. Необходимо от- метить, что при этом снижается плотность тока короткого замыкания. Моделирование показывает, что рост эффективности СЭ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au при увеличении толщины прослойки слоя диоксида олова в равной мере обусловлен снижением плот- ности диодного тока насыщения, ростом шунтирующего электросопротивления и уменьшением последовательного электро- сопротивления. Дальнейший рост толщины наноразмер- ной прослойки диоксида олова до dSnO2 = 80 нм приводит к росту напряжения холо- стого хода до UХХ = 792 мВ, однако при этом снижается плотность тока короткого замы- кания и фактор заполнения световой ВАХ, что, в результате, приводит к снижению η до 9,9 %. Моделирование показывает, что определяющее влияние на снижение КПД оказывает снижение плотности фототока и рост последовательного электросопротив- ления. Согласно литературным данным зна- чительные потери фототока обусловлены поглощением света в слое сульфида кадмия. Поэтому, нами были изготовлены СЭ ITO/ SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au у которых толщина слоя сульфида кадмия была снижена от dCdS = 0,4 мкм до dCdS = 0,2 мкм. Толщина слоя оксида олова составляла dSnO2 = 50 нм, что соответствовало максимальной эффектив- ности СЭ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au при dCdS = 0,4 мкм. Снижение толщины слоя сульфида кадмия от 0,4 мкм до 0,2 мкм при толщине слоя оксида олова 50 нм приво- дит к росту плотности тока короткого за- мыкания, что обусловлено увеличением плотности потока фотонов поступающих в базовый слой, в результате идентифициро- ванного экспериментально увеличения ко- эффициента пропускания слоя сульфида кадмия в широком спектральном диапазо- не (рисунок 3а). Однако, при этом наблю- далось снижение напряжения холостого хода и фактора заполнения, что приводит к снижению эффективности. Моделирова- ние показало, что снижение η обусловлено Выходные параметры и световые диодные характери- стики dCdS = 0,4 мкм dCdS = 0,2 мкм dSnO2 = 0 нм dSnO2 = 50 нм dSnO2 = 80 нм dSnO2 = 50 нм dSnO2 = 80 нм dSnO2 = 120нм JКЗ, мА/см2 21,1 20,5 19,6 21,4 20,9 20,5 UХХ, мВ 734 761 792 649 765 760 FF, отн. ед. 0,62 0,67 0,64 0,52 0,71 0,63 η, % 9,5 10,5 9,9 7,2 11,4 9,9 JФ, мА/см2 21,1 20,8 20,3 21,6 21,3 20,7 RП, Ом·см2 5,0 2,2 5,4 1,8 2,8 4,2 RШ,Ом·см2 580 760 1200 450 800 700 A, отн. ед. 2,5 2,3 1,9 2,7 2,1 2,2 J0, A/см2 6,3∙10–8 2,7∙10–8 1,1∙10–8 4,3∙10–7 2,5∙10–8 2,8∙10–8 Таблица 1 Выходные параметры и световые диодные характеристики СЭ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au, сформированных на стеклянных подложках Г. С. ХРИПУНОВ, А. В. ПИРОГОВ, Н. А. КОВТУН, А. Л. ХРИПУНОВА, Д. А. КУДИЙ ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4 471 снижением шунтирующего электросопро- тивления и ростом плотности диодного тока насыщения. Мы полагаем, что снижение КПД при снижении толщины слоя сульфида кадмия обусловлено шунтированием основного се парирующего барьера гетеропереходом nITO — pCdTe, которые в силу существенно- го различия в периодах решетки гетеропар- тнеров имеет высокую плотность диодного тока насыщения и меньшее шунтирующее электросопротивление. Поэтому, нами при толщине слоя сульфида кадмия 0,2 мкм для исключения шунтирования основного сепа- рирующего барьера была увеличена толщи- на слоя оксида олова. Было установлено, что при толщине слоя сульфида кадмия 0,2 мкм увеличение толщины слоя оксида олова до dSnO2 = 80 нм приводит к росту эффективно- сти до η = 11,4 %, что обусловлено ростом напряжения холостого хода и фактора запол- нения световой ВАХ. Наблюдаемая оптимизация фотоэлек- трических процессов, согласно результатам моделирования, обусловлена ростом шун- тирующего электросопротивления и сниже- нием плотности диодного тока насыщения. Таким образом, рост толщины слоя оксида олова до dSnO2 = 80 нм компенсирует сниже- ние толщины слоя сульфида кадмия до 0,2 мкм и приводит к росту эффективности за счет роста плотности фототока и снижения последовательного электросопротивления. При дальнейшем увеличении толщины слоя оксида олова до dSnO2 = 100 нм наблюдается снижение эффективности, что обусловле- но уменьшением плотности тока короткого замыкания и фактора заполнения световой ВАХ. Моделирование влияния диодных характеристик на эффективность СЭ пока- зывает, что снижение эффективности обу- J, м А /с м 2 5 0 –0,2 0,60,40,2 0,8 U, В –20 –15 –10 –5 0,0 2 1 3 а а б Рис. 3. Спектральные зависимости коэффициентов пропускания: а) пленок CdS, где 1 — dCdS = 0,2 мкм, 2 — dCdS = 0,4 мкм; б) подложек, где 1 — стеклянная подложка, 2 — полиимидная пленка б Рис. 2. Световые ВАХ СЭ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/ Au на стеклянных подложках: а) dCdS — 0,4 мкм, где 1 — dSnO2 = 0 нм, 2 — dSnO2 = 50 нм, 3 — dSnO2 = 80 нм; б) dCdS — 0,2 мкм, где 1 — dSnO2 = 0 нм, 2 — dSnO2 = 50 нм, 3 — dSnO2 = 120 нм J, м А /с м 2 5 0 –0,2 0,60,40,2 0,8 U, В –20 –15 –10 –5 0,0 2 1 3 Т, % 100 80 60 40 20 0 –20 600 800 1000 λ, нм 1–2 2 1 Т, % 100 80 60 40 20 0 400 600 800 1000 λ, нм 1–2 2 1 ПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ITO/SNO2/CdS/CdTe/Cu/Au ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4472 словлено уменьшением плотности фототока и ростом последовательного электросопро- тивления. Необходимо отметить, что при толщинах сульфида кадмия 0,2 мкм увели- чение толщины слоя оксида олова до dSnO2 = 100 нм не приводит к росту напряжения холостого хода, в отличие от наблюдаемого экспериментально возрастание этого вы- ходного параметра для СЭ с толщиной слоя сульфида кадмия 0,4 мкм при увеличении толщины слоя оксида олова до dSnO2 = 80 нм. Таким образом, дальнейшее снижение тол- щины слоя сульфида кадмия уже не может компенсироваться дальнейшим ростом тол- щины слоя оксида олова. Было исследовано влияние наноразмер- ной прослойки оксида олова на эффектив- ность фотоэлектрических процессов в СЭ на основе CdS/CdTe, сформированных на по лиимидных пленках. Для первой серии об разцов толщина сульфида кадмия была не изменной и составляла 0,4 мкм, что соот- вет ствует исходной толщине этого слоя для СЭ, сформированных на стеклянных под- ложках. При этом, в конструкции СЭ варьи- ровалась толщина прослойки оксида олова. Типичные световые ВАХ представлены на рис. 4а. Аналитическая обработка световых ВАХ (табл. 2) показала, что изменение подложки привело к снижению плотности тока корот- кого замыкания, что обусловлено снижени- ем плотности потока фотонов поступающих в базовый слой теллурида кадмия в результа- те идентифицированного экспериментально снижения коэффициента пропускания пле- нок полиимида, по сравнению со стеклян- ной подложкой в широком спектральном ди- апазоне (рисунок 3б). По сравнению с приборными структура- ми, сформированными на стеклянных под- ложках, для гибких солнечных элементов характерно увеличение напряжения холо- стого хода и фактора заполнения световой ВАХ, что обусловлено снижением плот- ности диодного тока насыщения и ростом шунтирующего электросопротивления. С нашей точки зрения, это обусловлено от- сутствием в полиимидных пленках натрия. Согласно литературным данным, диффузия натрия, являющегося для теллурида кадмия эффективным центром рекомбинации, из стеклянной подложки в базовый слой при- водит к рос ту плотности диодного тока на- сы щения и уменьшению шунтирующего элек тросопро тивления, что приводит к сни- жению напряжения холостого хода и факто- ра заполнения световой ВАХ [12]. Рост толщины слоя оксида олова (dSnO2 ) в составе двуслойных электродов ITO/SnО2 до dSnO2 = 50 нм, в отличие от приборных стру ктур, сформированных на стеклянных подложках, приводит к снижению КПД, что обусловлено снижением плотности фотото- ка из-за закономерного уменьшения коэф- фициента пропускания слоя оксида олова по мере роста его толщины. Для увеличе- ния плотности потока фотонов, поступа- ющих в базовый слой теллурида кадмия, нами бы ли изготовлены гибкие СЭ ITO/ –0,2 0,80,60,40,20,0 J, м А /с м 2 5 U, В 0 –5 –10 –15 –20 2 2 1 1 а б Рис. 4. Световые ВАХ СЭ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au на полиимидной пленке: а) dCdS — 0,4 мкм, где 1 — dSnO2 = 0 нм, 2 — dSnO2 = 50 нм; б) dCdS — 0,2 мкм, где 1 — dSnO2 = 50 нм, 2 — dSnO2 = 80 нм –0,2 0,80,60,40,20,0 J, м А /с м 2 5 U, В 0 –5 –10 –15 –20 2 1 Г. С. ХРИПУНОВ, А. В. ПИРОГОВ, Н. А. КОВТУН, А. Л. ХРИПУНОВА, Д. А. КУДИЙ ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4 473 SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au, у которых толщи- на слоя сульфида кадмия было снижена от dCdS = 0,4 мкм до dCdS = 0,2 мкм. Толщина слоя оксида олова составляла dSnO2 = 50 нм. Снижение толщины слоя сульфида кадмия при толщине слоя оксида олова 50 нм при- водит к росту КПД до 10,8 %, что, согласно результатам моделирования, обусловлено рос том плотности фототока. При этом рост плот ности диодного тока насыщения и сни- жение шунтирующего электросопротивле- ния не оказывает существенного влияния на эффективность приборной структуры. При дальнейшем увеличении толщины слоя оксида олова до dSnO2 = 80 нм наблю- дается снижение эффективности, что обу- словлено уменьшением плотности тока ко- роткого замыкания и фактора заполнения све товой ВАХ. Моделирование влияния ди- одных характеристик на эффективность СЭ показывает, что снижение эффективности обу словлено уменьшением плотности фото- тока, а снижение плотности диодного тока насыщения и рост шунтирующего электро- сопротивления не оказывает существенно- го влияния на эффективность приборной структуры. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Наличие наноразмерной прослойки высо- коомного диоксида олова на межфазной границе ITO/CdS позволяет увеличить эф- фективность до 11,4 % для СЭ ITO/SnO2/ CdS/CdTe/Cu/Au, сформированных на сте- клянных подложках, а для СЭ, сформиро- ванных на гибких полиимидных пленках, до 10,8 %, за счет снижения толщины слоя сульфида кадмия до 0,2 мкм. При этом, оп- тимальная толщина слоя оксида олова в приборных структурах, сформированных на стеклянных подложках составляет 80 нм, а на гибких подложках 50 нм. Отличие опти- мальных толщин обусловлено тем, что для СЭ на стеклянных подложках прослойка оксида олова не только препятствует шунти- рованию основного сепарирующего барьера гетеропереходом nITO — pCdTe, который имеет высокую плотность диодного тока на- сыщения и меньшее шунтирующее электро- сопротивление, а и служит барьером для диф фузии из стеклянной подложки в базо- вый слой атомов натрия, являющимися для теллурида кадмия центрами рекомбинации. Таблица 2 Выходные параметры и световые диодные характеристики СЭ ITO/SnO2/CdS/CdTe/Cu/Au, сформированных на полиимидной пленке Выходные параметры и световые диодные характери- стики dCdS = 0,4 мкм dCdS = 0,2 мкм dSnO2 = 0 нм dSnO2 = 50 нм dSnO2 = 50 нм dSnO2 = 80 нм JКЗ, мА/см2 18,8 18,0 19,5 19,0 UХХ, мВ 784 808 792 802 FF, отн. ед. 0,65 0,63 0,70 0,60 η, % 9,6 9,2 10,8 9,2 JФ, мА/см2 19,0 18,3 19,6 19,2 RП, Ом·см2 2,5 3,2 2,1 2,3 RШ,Ом·см2 900 1400 1100 1300 A, отн. ед. 2,0 1,7 1,9 1,8 J0, A/см2 2,3∙10–8 7,5∙10–9 1,5∙10–8 9,3∙10–9 ПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ITO/SNO2/CdS/CdTe/Cu/Au ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4474 ЛИТЕРАТУРА 1. Viswanathan S. Saji, Ik-Ho Choi, Chi-Woo Lee. Progress in electrodeposited absorber layer for CuIn(1−x)GaxSe2 (CIGS) solar cells // Solar Energy. — 2011. — Vol. 85. — No. 11. — P. 2666—2678. 2. Williams B. L., Major J. D., Bowen L., Phil- lips L., Zoppi G., Forbes I., Durose K. Challenges and prospects for developing CdS/ CdTe substrate solar cells on Mo foils Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2014. — Vol. 124. — P. 31—38. 3. Kranz L., Buecheler S., Tiwari A. N. Tech- nological status of CdTe photovoltaics Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2013. — Vol. 119. — P. 278—280. 4. Wei Z., Bobbili P. R., Senthilarasu S., Shi- mell T., Upadhyaya H. M. Design and op ti- misation of process parameters in an in-line CIGS evaporation pilot system // Surface and Coatings Technology. — 2014. — Vol. 241. — P. 159—167. 5. Birkmire R. W., Meyers P. V. Processing issues for thin film CdTe cells and modeles // First World Conference on Photovoltaic Energy Con version (WCPEC): Proceeding of the con- ference. — Hawaii (USA). — 1994. — P. 76— 81. 6. Kosyachenko L. A., Grushko E. V., Mathew X. Quantitative assessment of optical losses in thin film CdS/CdTe solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2012. — Vol. 96. — P. 231—237. 7. Nakamura K., Gotoh M., Fujihara T., Toya- ma T., Okamoto H. Influence of CdS win dow layer on 2-μm thick CdS/CdTe thin film solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2003. —Vol. 75, No. 1—2. — P. 185—192. 8. Han J., Liao Ch., Jiang T., Spanheimer C., Ha indl G., Fu G., Krishnakumar V., Zhao K., Klein A., Jaegermann W. An optimized mu- ltilayer structure of CdS layer for CdTe solar cells application // Journal of Alloys and Compounds. — 2011. — Vol. 509, No. 17. — P. 5285—5289. 9. Jahn U., Okamoto T., Yamada A., Kanagai M. Doping and intermixing CdS/CdTe solar cell fabricated under difference conditions // Journal Applied Physics. — 2001. — Vol. 90, No. 5. — P. 2553—2557. 10. Fuchs A., Schimper H. J., Klein A., Jae ger- mann W. Photoemission studies on undoped SnO2 buffer layers for CdTe thin film solar cells // Energy Procedia. — 2011. — Vol. 10. — P. 149—154. 11. Raushenbach H. S. Solar Cells Array Design (New York: Litton Uducation Publishing, 1980), P. 250. 12. Kranz L., Perrenoud J., Pianezzi F., Gretener C., Rossbach P., Buecheler S., Tiwari A. N. Effect of sodium on recrystallization and photovoltaic properties of CdTe solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2012. — Vol. 105. — P. 213—219. LITERATURA 1. Viswanathan S. Saji, Ik-Ho Choi, Chi-Woo Lee. Progress in electrodeposited absorber layer for CuIn(1–x)GaxSe2 (CIGS) solar cells // Solar Energy. — 2011. — Vol. 85. — No. 11. — P. 2666—2678. 2. Williams B. L., Major J. D., Bowen L., Phillips L., Zoppi G., Forbes I., Durose K. Challenges and prospects for developing CdS/ CdTe substrate solar cells on Mo foils Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2014. — Vol. 124. — P. 31—38. 3. Kranz L., Buecheler S., Tiwari A. N. Tech- no logical status of CdTe photovoltaics Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2013. — Vol. 119. — P. 278—280. 4. Wei Z., Bobbili P. R., Senthilarasu S., Shi- mell T., Upadhyaya H. M. Design and op ti- mi sation of process parameters in an in-line CIGS evaporation pilot system // Surface and Coatings Technology. — 2014. — Vol. 241. — P. 159—167. 5. Birkmire R. W., Meyers P. V. Processing issues for thin film CdTe cells and modeles // First World Conference on Photovoltaic Energy Con version (WCPEC): Proceeding of the con- ference. — Hawaii (USA). — 1994. — P. 76— 81. 6. Kosyachenko L. A., Grushko E. V., Mathew X. Quantitative assessment of optical losses in thin film CdS/CdTe solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2012. — Vol. 96. — P. 231—237. 7. Nakamura K., Gotoh M., Fujihara T., Toyama T., Okamoto H. Influence of CdS window layer on 2 - mm thick CdS/CdTe thin film solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2003. —Vol. 75, No. 1—2. — P. 185—192. 8. Han J., Liao Ch., Jiang T., Spanheimer C., Haindl G., Fu G., Krishnakumar V., Zhao K., Klein A., Jaegermann W. An optimized mu- ltilayer structure of CdS layer for CdTe solar cells application // Journal of Alloys and Com- po unds. — 2011. — Vol. 509, No. 17. — P. 5285—5289. Г. С. ХРИПУНОВ, А. В. ПИРОГОВ, Н. А. КОВТУН, А. Л. ХРИПУНОВА, Д. А. КУДИЙ ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, № 4, vol. 12, No. 4 475 9. Jahn U., Okamoto T., Yamada A., Kanagai M. Doping and intermixing CdS/CdTe solar cell fabricated under difference conditions // Journal Applied Physics. — 2001. — Vol. 90, No. 5. — P. 2553—2557. 10. Fuchs A., Schimper H. J., Klein A., Jae ger- mann W. Photoemission studies on undoped SnO2 buffer layers for CdTe thin film solar cells // Energy Procedia. — 2011. — Vol. 10. — P. 149—154. 11. Raushenbach H. S. Solar Cells Array Design (New York: Litton Uducation Publishing, 1980), P. 250. 12. Kranz L., Perrenoud J., Pianezzi F., Gretener C., Rossbach P., Buecheler S., Tiwari A. N. Effect of sodium on recrystallization and photovoltaic properties of CdTe solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. — 2012. — Vol. 105. — P. 213—219.

Пленочные солнечные элементы ITO/SnO₂/CdS/CdTe/Cu/Au

Institution

Similar Items