Тонкопленочный фотоэлектрический элемент на основе структуры ZnO/CuO

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована при конструировании тонкопленочных солнечных элементов. Известен солнечный элемент на основе тонких пленок теллурида кадмия (заявка WO2012013155, опубликованная 02.02.2012), представляющий собой многослойную структуру из стеклянной подложки, прозрачного электропроводящего слоя, последовательно нанесенных на прозрачный электрод CdS и CdTe, переходного слоя и верхнего электрода. Главный недостаток таких солнечных элементов заключается в сильной токсичности кадмия и теллура, что приводит к проблемам с их утилизацией.
Также известен солнечный элемент на основе кремния (патент № 2569164, H01L31/075, заявка № 2013116584/28, опубликованная 27.10.2014). Данный тонкопленочный солнечный элемент состоит из стеклянной подложки, электропроводящей светопрозрачной пленки, p-слоя из микрокристаллического гидрогенизированного кремния в виде твердого раствора, i-слоя из аморфного гидрогенизированного кремния, n-слоя из гидрогенизированного кремния и тыльного электропроводящего слоя. Данное изобретение обладает повышенной эффективностью преобразования. Недостатком таких солнечных элементов является необходимость использования особо чистого кремния, что усложняет процесс изготовления.
В качестве прототипа выбран солнечный элемент, содержащий расположенную на подложке фотопреобразующую структуру на основе аморфного гидрогенизированного кремния, представляющую собой p-i-n переход с 1-3% нанокристаллическими включениями кремния и с двухсторонним электродным покрытием на основе оксида цинка (патент № 127516, H01L31/00, заявка 2012148264/28, дата публикации 13.11.2012), являющийся наиболее близким к представленному изобретению по числу существенных признаков.
Существенными недостатками таких элементов являются невысокий коэффициент полезного действия, показывающий эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, и сложность производства i-области высокой чистоты. Еще один недостаток заключается в эффекте Штебеля-Вронского, то есть в деградации физических свойств элемента под действием солнечного излучения. Кроме того, данный фотоэлектрический преобразователь достаточно трудно производить массово из-за сложной слоистой структуры.
Технический результат - создание тонкопленочного фотоэлектрического преобразователя на основе структуры ZnO/CuO с повышенным коэффициентом преобразования энергии солнца в электрическую энергию в видимом диапазоне излучения, простой структурой, обеспечивающей технологичность его изготовления.
Технический результат достигается тем, что тонкопленочный фотоэлектрический элемент, содержащий стеклянную подложку, электрод и фотопреобразующую структуру, согласно полезной модели, на стеклянную подложку методом магнетронного распыления последовательно нанесены нижний сплошной электрод, фотопреобразующий слой, представляющий собой p-n-переход, выполненный на основе тонких пленок оксида цинка и оксида меди, и верхний электрод, выполненный в виде сетки, электроды выполнены из металла, например, Cr, Cu, Al.
Полезная модель поясняется чертежом, где представлена схема фотоэлектрического преобразователя. Тонкопленочный солнечный элемент состоит из стеклянной подложки 1, на которую методом магнетронного распыления последовательно нанесены нижний сплошной электрод 2, затем фотопреобразующий слой, представляющий собой p-n-переход и состоящий из тонких пленок оксида меди 3 с толщиной порядка 300 нм, оксида цинка 4 с толщиной порядка 500 нм, далее верхний сетчатый электрод 5, выполненный с использованием маски. В качестве материала электродов может быть применен металл, например, Cu, Cr, Al.
Направление солнечного излучения показано стрелками.
Применяемые в фотопреобразующем слое материалы являются достаточно распространенными на Земле, а также не являются токсичными. Ширина запрещенной зоны оксида цинка составляет примерно 3.37 эВ, а оксида меди – 1.2 эВ, что обеспечивает высокое пропускание видимого излучения оксидом цинка и хорошее поглощение его оксидом меди, вследствие чего повышается коэффициент полезного действия. Данную тонкопленочную структуру можно выполнять в едином технологическом цикле, что существенно снижает время на изготовление таких солнечных элементов, а также упрощает производственный процесс.
Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется фотопреобразующей структурой. При освещении ее светом происходит генерация электронно-дырочных пар. Под воздействием внутреннего поля образующиеся при генерации дырки направляются к p-области, а электроны – к n-области. Таким образом, происходит разделение заряда и возникновение разности потенциалов. Для токосъема применяются электроды.
Тонкопленочные солнечные элементы являются перспективными устройствами для солнечной энергетики. В качестве подложки они позволяют использовать как стекло, так и полимеры, что предоставляет возможность изготавливать их в массовом производстве, а также получать гибкие солнечные элементы.