ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА

Полезная модель относится к области производства фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии в электрическую и может быть использована для изготовления солнечных активных элементов.
Известен солнечный элемент, в состав которого входят прозрачная подложка с последовательно нанесенными на нее электродом, фоточувствительным элементом на основе p-i-n перехода из аморфного кремния, второго электрода и рефлектора [Thin film solar cells: fabrication, characterization and applications / Edited by J. Poortman, V. Atchipov. Wiley, 2006. P. 205].
Свет на такую структуру падает со стороны подложки. Фотоэффект (генерация и разделение электронно-дырочных пар) происходит в активном слое - p-i-n переходе на основе аморфного кремния, на который с двух сторон нанесены электроды из прозрачного электропроводящего материала. Для увеличение поглощения в активном слое в структуре используется отражатель - рефлектор (пленка металла), от которого отражается обратно часть света, прошедшего сквозь активный слой.
Недостатком солнечного элемента на основе такой структуры является низкий КПД, обусловленный низким коэффициентом поглощения света в активном слое, большими потерями света в электродах и стеклянной подложке (поглощается до 50% от общего количества света, поглощенного структурой), а также низким коэффициентом просветления всей структуры.
В качестве аналога выбрана интерферометрическая фотовольтаическая ячейка [US 20090078316А], включающая оптический • резонатор, активную область, рефлектор и электроды к активной области, причем оптический резонатор размещен между активной областью и рефлектором, а электродами являются проводящие прозрачные слои индий-оловянного окисла (ИТО) или ZnO. Вся структура размещается на стеклянной подложке.
В такой структуре активная область представляет собой полупроводниковый фоточувствительный слой, на который со стороны падения света нанесено просветляющее покрытие из ИТО или ZnO, играющее одновременно роль электропроводящего контакта к активной области. Рефлектор состоит из металлического или диэлектрического отражающего материала. Оптический резонатор представляет собой либо воздушную прослойку, или диэлектрический слой, или слой прозрачного проводящего материала, или
их комбинацию. Выбор структуры и материалов оптического резонатора определяется областью спектра, в которой должен работать прибор. Толщина резонатора может быть фиксированной, тогда прибор работает в статическом режиме. При работе в динамическом режиме толщина резонатора может изменяться в реальном времени с помощью, например механического устройства, которое регулирует воздушный зазор внутри резонатора, изменяет условия интерференции и, соответственно, спектральный диапазон работы прибора. Термин "интерферометрический" означает, что прибор селективно поглощает и/ или отражает свет, используя принципы оптической интерференции, независимо от режимов его работы.
Коэффициент поглощения света в активной области такого устройства намного выше аналога и может достигать в отдельных примерах выполнения значение 0,8-0,9.
Недостатком такой интерферометрической фотовольтаической ячейки является недостаточно высокий КПД, что обусловлено поглощением света в слоях металлического рефлектора, а также невысокой эффективностью примененного резонатора.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать фотовольтаическую ячейку путем повышения в ней величины коэффициента поглощения света в активном слое, благодаря созданию более эффективного оптического резонатора.
Поставленная задача решается тем, что фотовольтаическая ячейка, содержащая активную область, оптический резонатор из N пар оптически прозрачных чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев с низким и высоким показателями преломления, размещенный на подложке под активной областью, согласно полезной модели, дополнительно содержит второй оптический резонатор из N пар оптически прозрачных чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев с высоким и низким показателями преломления, размещенный над активной областью, причем оптическая толщина активной области равна половине длины волны света, а между активным слоем и оптическими резонаторами размещены электроды. Такая фотовольтаической ячейка позволяет получать высокие значения коэффициента поглощения света в активном слое и, следовательно, высокий КПД устройства на его основе. Кроме того, высокий КПД устройства обусловлен применением диэлектрических зеркал, коэффициент поглощения света которых намного меньше, чем металлических слоев рефлектора, в которых поглощение может достигать 25-30%. К тому же, многослойные покрытия на основе таких материалов, как тугоплавкие оксиды, имеют более высокую химическую стойкость и механическую прочность по сравнению с металлическими пленками.
Сущность полезной модели поясняет чертеж фотовольтаической ячейки.
Фотовольтаической ячейка содержит стеклянную подложку (1), на которую последовательно нанесены N пар оптически прозрачных чередующихся диэлектрических четвертьволновых слоев (AR/4) (2, 3), соответственно с малым и большим показателями преломления, которые представляют собой первый оптический резонатор, активный слой (4) с оптической толщиной, кратной (AR/2), на основе полупроводникового р-n или p-i n перехода, N пар перемежающихся диэлектрических четвертьволновых слоев AR/4 (2, 3), соответственно с большим и малым показателями преломления, которые представляют собой второй оптический резонатор. Слои с большим показателем преломления являются электропроводящими.
Фотовольтаической ячейка работает следующим образом. В темновом режиме (отсутствие света) сопротивление активного слоя велико и темной ток, протекающий через активный слой, мал. При освещении структуры светом (5) в фоточувствительном активном слое (4), благодаря внутреннему фотоэффекту, происходит генерация и последующее разделение полем р-n перехода неравновесных носителей заряда -электронно-дырочных пар, в результате чего между слоями (3), прилегающими к активному слою (4), возникает разность потенциалов (напряжение холостого хода), а при замыкании через активную область течет ток. В спектре падающего света оптического диапазона существует излучение с длиной волны AR, которая является резонансной для данного оптического резонатора. Оптический резонатор для длины волны AR обеспечивает локализацию света, проходящего сквозь структуру, в активном слое, благодаря многократной многолучевой конструктивной интерференции - отражению света от нижней и верхней частей резонатора, в результате чего весь свет с длиной волны AR поглощается активным слоем. Предварительный выбор AR, которая соответствует максимальному коэффициенту поглощения применяемого активного слоя, по данным измерения его спектра поглощения (или пропускания), позволяет работать фотопреобразователю с максимальной эффективностью, т.е. с максимальным КПД.
Пример выполнения.
т -
щ
Хк/2т,
т =
Фотовольтаическую ячейку изготавливают на стеклянной подложке и она содержит два резонатора, каждый из которых выполнен в виде пяти пар чередующихся четвертьволновых слоев ИТО и S1O2 с геометрическими толщинами, соответственно, AR/4«2 И AR/4«3, где 2,10 и = 1,50 - показатели преломления света в слоях ИТО и SiO2, соответственно. Между резонаторами размещен активный слой, представляющий собой р-n переход на основе гидрогенизированного аморфного кремния толщиной где 4,24 - показатель преломления кремния. Кристалл моделировался для резонансной длины  волны AR  =   760   нм,   на  которой   аморфный   кремний  имеет  максимальное
поглощение. Диэлектрические слои структуры изготавливались методом реактивного ионно-лучевого распыления соответствующих мишеней в смеси аргона и кислорода. Гидрогенизированный аморфный кремний п- и р типов осаждали, распыляя кремниевые мишени, легированные, соответственно, фосфором и бором, в смеси аргона и водорода при температуре подложки 250 °С. Как токосъемные электроды к электропроводящим слоям ИТО использовались кольца из пленок А1 толщиной по 150 нм каждое.
Для определения эффективности работы фотовольтаической ячейки одновременно изготавливалась структура-свидетель: подложка - первый резонатор фоточувствительный слой, и с помощью спектрофотометра измерялись ее спектр пропускания в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм и зависимость напряжения холостого хода на электродах фоточувствительного слоя от длины волны источники света спектрофотометра.
Такие же измерения проводились и для полностью готовой структуры фотовольтаической ячейки. Было установлено, что коэффициент пропускания полностью готовой структуры в области резонансной длины волны в диапазоне спектра от 700 до 800 нм равен нулю, то есть падающий на структуру свет в этом диапазоне спектра практически полностью поглощается активным слоем. В то же время, напряжение холостого хода на электродах структуры в области резонансной длины волны достигало максимального значения. Указанные характеристики превышали аналогичные, измеренные для структуры-свидетеля, что свидетельствовало о наличии эффекта увеличения коэффициента поглощения света в активном слое, благодаря использованию предложенного высококачественного оптического резонатора и, таким образом, подтверждало работоспособность идеи.
Преимуществом предлагаемой фотовольтаической ячейки является ее более высокая эффективность по сравнению с прототипом.