Mikrokristal silisyum ve mikromorf güneş pili

Mikrokristal silisyum ve mikromorf güneş pili, ince film güneş pili teknolojisinde 90'lı yıllarda ortaya çıkmıştır. Mikrokristal silisyum, ilk olarak 1960'lı yılların sonlarında keşfedilmiştir fakat amorf silisyumdan çok daha sonra güneş pillerinde kullanılmıştır. Tek krsital silisyuma göre çok ucuzdur ve üretimi kolaydır. Amorf silisyum (a-Si:H) gibi hidrojen katkılı kullanılır (μc-Si:H).

μc-Si:H, genelde boyutları 15-25 nm civarında olan kristalit kümelerden oluşur. Bu yüzden çok sayıda tane sınırı içerir. c-Si gibi endirekt enerji aralığına sahiptir ve görünür bölgedeki ışığa göre amorf silisyumdan daha küçük emilim katsayısına sahiptir. Sadece görünür bölgede yüksek dalga boylarına karşı amorf silisyumdan daha duyarlıdır. Işık altında belirli bir süre sonunda herhangi bir bozunma göstermez ama uzun süre havaya maruz kaldığında oksijen atomlarının içeriye difüzyonuyla bozunma gösterebilir.

Amorf ve mikrokristal silisyum üretimi aynı şekilde plazma reaktörlerinde olur. Genel olarak bu sistemlerde plazma 13.6 MHz frekansındaki elektrik sinyali ile uyarılır. Uyarı frekansının artırılması daha kaliteli a-Si:H tabakalar üretilmesini sağlar. Aynı zamanda μc-Si:H üretiminde de yüksek frekanslar kullanılır. μc-Si:H, VHF-PECVD yöntemiyle silane (SiH4) gazının uyarılmasıyla üretilir. Mikrokristal üretiminde hidrojen gazı önemli bir etkendir. Saf silane gazıyla yapılan filmlerden amorf filmler oluşur ve bir miktar hidrojen gazı ilave edilirse film kalitesi artacaktır. Belirli bir hidrojen gazı miktarından sonra film artık mikrokristal yapıya kaymaya başlar. Hidrojen gazının daha da artması kristal formunu da artıracaktır.

μc-Si:H tabakaların difüzyon uzunluğu çok küçük olduğundan (yaklaşık 1 μm) p-n eklemi olarak güneş pili yapmak verimli olmayacaktır, çünkü taşıyıcıların sürüklenme akımı etkili olmaz. Sürüklenme akımını daha etkili hale getirmek için yine a-Si:H güneş pillerinde kullanıldığı gibi μc-Si:H güneş pillerinde de p ve n tabakaları arasına saf, katkısız (i tabakası) tabaka kullanılır. Fakat saf μc-Si:H, enerji aralığının tam ortasında bir fermi enerjisine sahip olmayabilir. Burada içeriye difüz etmiş olan oksijen atomları “verici” pozisyonunda bulunurlar. Bu da içerideki elektrik alanı bozunmaya uğratarak verimi düşürebilir.

Mikromorf adı, amorf ve mikrokristal silisyumun kombinasyonundan gelir. Tandem güneş pili, değişik enerji aralığına sahip birden fazla güneş pilinin üst üste eklenmesiyle oluşur. Böylelikle gelen ışınım spectrumuna daha duyarlı bir yapı oluşturulur. Mikromorf güneş pilinde üstte bulunan a-Si:H tabakası düşük dalga boylarını soğururken, altta bulunan μc-Si:H tabakası daha yüksek dalgaboylarını soğurur. Böylelikle sanki yapılar birbirini tamamlamış gibi olur ve neredeyse görünür bölgenin tamamı soğurulmuş olur. Mikromorf tandem güneş pilinin yaklaşık kalınlığı 2-3μm cicarındadır. İki farklı tabaka arasındaki taşıyıcı difüzyonu tünellemeyle olur ve üretim koşullarına bağlı olarak bazı rekombinasyon problemleri olabilir. Optimum koşullarda hazırlanan mikromorf tandem güneş pillerinde %10-12 civarında verim almak mümkündür. Bu rakam tek eklem μc-Si:H güneş pilinde %7-8 civarındadır.