ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
THIN-FILM SOLAR CELL

Настоящее изобретение относится к области электроники и может быть использовано при конструировании солнечных элементов, которые используется в энергетике.
Тонкопленочные солнечные элементы представляют большой интерес для недорогого массового их производства, так как они позволяют использовать стекло, стеклокерамику, полимеры или другие жесткие или гибкие подложки как основной несущий материал взамен кристаллического кремния.
Известен тонкопленочный солнечный элемент (см. заявка WO 201132878, МПК H01L 31/0236, опубл. 04.07.2012), включающий фотопреобразующую p-i-n структуру на основе кремния, нанесенную на стеклянную подложку. Открытая поверхность стеклянной подложки протравлена для уменьшения отражения от поверхности солнечного излучения.
Недостатком известного тонкопленочного солнечного элемента является невысокая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Известен тонкопленочный солнечный элемент (см. заявка CN 202443992U, МПК H01L 31/048, опубл. 24.03.2011), включающий фотопреобразующую структуру, содержащую последовательно нанесенные на стеклянную подложку светопрозрачную электропроводящую пленку, p-слой аморфного кремния, i-слой аморфного кремния, n-слой аморфного кремния и тыльный электропроводящий слой алюминия.
Известный тонкопленочный солнечный элемент имеет простую структуру и низкую стоимость изготовления, однако, как и предыдущий прототип, характеризуется низкой эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую.
Известен тонкопленочный солнечный элемент (см. US 20110186127, МПК H01L 31/0352; H01L 31/036, опубликована 04.08.2011), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный элемент-прототип включает стеклянную подложку, на которую последовательно нанесены светопрозрачная электропроводящая пленка из оксида цинка, p-слой из микрокристаллического гидрогенизированного кремния, p-слой из аморфного гидрогенизированного кремния, буферный слой из аморфного гидрогенизированного кремния, i-слой из аморфного кремния, n-слой из аморфного кремния, тыльный электропроводящий слой и светоотражающий слой.
Недостатком и этого известного солнечного элемента является относительно низкая эффективность преобразования солнечного излучения.
Задачей настоящего изобретения является создание такого тонкопленочного солнечного элемента, который бы обладал повышенной эффективностью преобразования солнечного излучения,
x
1-x
Поставленная задача решается тем, что тонкопленочный солнечный элемент содержит светопрозрачную подложку, на которую нанесена фотопреобразующая структура на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Фотопреобразующая структура включает последовательно нанесенные на подложку светопрозрачную электропроводящую пленку из оксида цинка, p-слой из микрокристаллического гидрогенизированного кремния, i-слой из аморфного гидрогенизированного кремния, n-слой из гидрогенизированного кремния и тыльный электропроводящий слой из оксида цинка. Новым является выполнение p-слоя в виде твердого раствора SiC:H, где 0,7<х<0,95 с оптической шириной запрещенной зоны (щель подвижности) более 2 эВ, и выполнение i-слоя с уменьшающейся концентрацией водорода в направлении от p-слоя к n-слою, так что оптическая ширина запрещенной зоны i-слоя уменьшается от 1,9 эВ вблизи p-слоя до 1,55 эВ вблизи n-слоя.
Тонкопленочный солнечный элемент может содержать светоотражающий слой, примыкающий к тыльному электропроводящему слою.
Светопрозрачная подложка может быть выполнена из стекла или полимера.
x
1-x
Выполнение p-слоя в виде твердого раствора SiC:H, где 0,7<х<0,95 с оптической шириной запрещенной зоны более 1,9 эВ необходимо для того, чтобы p-слой был прозрачным окном для солнечного света, который должен поглотиться в i-слое. Если p-слой имеет оптическую ширину запрещенной зоны, равную или меньшую, чем 1,9 эВ, то это будет меньше чем оптическая ширина зоны i-слоя, что недопустимо, т.к. поглощение будет в p-слое.
Выполнение i-слоя с уменьшающейся концентрацией водорода в направлении от p-слоя к n-слою, так что оптическая ширина запрещенной зоны i-слоя уменьшается от 1,9 эВ вблизи p-слоя до 1,55 эВ вблизи n-слоя, приводит к тому, что по толщине слоя изменяется спектральный коэффициент поглощения, обеспечивая более полное преобразование фотонов солнечного света в электронно-дырочные пары. Кроме того, изменение оптической ширины запрещенной зоны по толщине i-слоя приводит к возрастанию встроенного поля и, как следствие, к повышению как эффективности разделения носителей заряда, так и эффективности самого тонкопленочного солнечного элемента. Учитывая, что с увеличением оптической ширины запрещенной зоны увеличивается эффективность поглощения более коротковолнового излучения, то p-i-n структура настоящего солнечного элемента обеспечивает более эффективное преобразование солнечного излучения при прочих равных с прототипом условиях.
Если оптическая ширина запрещенной зоны i-слоя 4 вблизи p-слоя будет больше, чем 1,9 эВ, то p-слой не будет являться широкозонным окном для i-слоя, что приведет к поглощению коротковолнового излучения в p-слое, электронно-дырочная пара, образовавшаяся в p-слое, не сможет разделиться и, как следствие, не участвует в преобразовании энергии. Если i-слой изготовить с шириной запрещенной зоны, меньшей 1,55 эВ, то недопустимо ухудшатся его полупроводниковые качества и электронные свойства.
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображен в поперечном разрезе настоящий тонкопленочный солнечный элемент (стрелки указывают направление падающего света).
x
1-x
Тонкопленочный солнечный элемент содержит светопрозрачную подложку 1, например из стекла толщиной от 2 мм до 4 мм или из полимера, на которую последовательно нанесены: светопрозрачная электропроводящая пленка 2 из оксида цинка, p-слой 3 (легированный акцепторной примесью) из микрокристаллического гидрогенизированного кремния в виде твердого раствора SiC:H, где 0,7<х<0,95, с оптической шириной запрещенной зоны более 2 эВ, i-слой 4 из аморфного гидрогенизированного кремния, n-слой 5 (легированный донорной примесью) из гидрогенизированного кремния, тыльный электропроводящий слой 6 (тыльный электрод) из оксида цинка и светоотражающий слой 7. i-слой 4 выполнен с уменьшающейся концентрацией водорода в направлении от p-слоя 3 к n-слою 5, так что оптическая ширина запрещенной зоны i-слоя 4 уменьшается от 1,9 эВ вблизи p-слоя 3 до 1,55 эВ вблизи n-слоя 5. i-слой 4 является нелегированным слоем и занимает значительную часть толщины p-i-n перехода.
Изготавливают тонкопленочный солнечный элемент следующим образом. На подложку 1 из прозрачного материала методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении наносят слой 2 оксида цинка, p-i-n структуру (3-5) формируют методом плазмохимического осаждения. При формировании i-слоя 4 с изменяющейся величиной запрещенной зоны методом плазмохимического разложения в газовой смеси силан-аргон-водород желаемый результат достигается за счет понижения парциального давления водорода в газовой смеси в процессе осаждения. В результате, на начальном этапе осаждения содержание водорода в i-слое 5 велико, что обеспечивает оптическую ширину запрещенной зоны около 1,9 эВ. По мере уменьшения давления водорода в процессе осаждения концентрация водорода в i-слое 4 уменьшается, а значит, уменьшается и ширина оптической запрещенной зоны. Затем осаждается слой 6 оксида цинка, наносится светоотражающий слой 7.
Настоящий тонкопленочный солнечный элемент работает следующим образом. Под действием света в фотопреобразующей структуре (слои 3-5) происходит генерация носителей заряда (электронов и дырок), которые разделяются диффузионном электрическим полем p-i-n перехода и создают ток в замкнутой цепи. Благодаря тому, что в i-слое 4 имеет место увеличение оптической ширины запрещенной зоны по его толщине, увеличивается эффективность поглощения в i-слое 4 более коротковолнового излучения, так что p-i-n структура настоящего солнечного элемента обеспечивает более эффективное преобразование солнечного излучения.