ГЛАВА
ПРОЗРАЧНЫЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ ПОКРЫТИЯ В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
В последние несколько лет проявляется значительный интерес к использованию прозрачных проводящих слоев в качестве активных элементов фотоэлектрических преобразователей энергии [92—114]. Такие преобразователи привлекают внимание как основа дешевых крупномасштабных солнечных батарей. Чистые монокристаллы окислов индия и олова являются изоляторами, однако поликристаллические образцы этих материалов обладают высокой проводимостью η-типа, которая, по-видимому, вызвана наличием кислородных вакансий и примесей замещения. При осаждении окислов индия или олова на кремний, фосфид индия и арсенид галлия получаются хорошие фотоэлементы. Снижение стоимости таких элементов обусловлено простотой формирования перехода, а также исключением из технологического цикла операции нанесения просветляющего слоя. Как правило, In2O3, SnO2 или In2О3, легированный оловом (IТО), наносятся на подложку из монокристаллического кремния методом электронно-лучевого испарения или методом пульверизации. Эти процессы являются низкотемпературными и поэтому могут ослабить наблюдающуюся при некоторых высокотемпературных диффузионных процессах деградацию времени жизни носителей заряда. По сравнению с обычными кремниевыми фотоэлементами структуры, состоящие из окисных полупроводников на кремниевых подложках, имеют следующие преимущества: 1) значения коэффициента преломления окислов лежат в таких пределах, что они являются просветляющими покрытиями по отношению к кремнию; 2) генерирование носителей заряда происходит непосредственно в области объемного заряда, увеличивая квантовый выход в коротковолновом диапазоне спектра; 3) высокая оптическая прозрачность и низкое электрическое сопротивление окислов существенно упрощают процесс создания контактов на лицевой стороне элемента; 4) потенциальный барьер, разделяющий носители заряда, лежит непосредственно на поверхности полупроводника, исключая "мертвый", нефотоактивный слой и, увеличивая чувствительность элементов в коротковолновой области спектра; 5) окислы поглощают ультрафиолетовое излучение и, следовательно, в области солнечного спектра ведут себя как прозрачные окна.
Кроме того, в этих элементах по мере увеличения легирования базового слоя темновой ток уменьшается, а время жизни носителей заряда, глубина слоя, из которого собираются носители заряда, радиационная стойкость и эффективность увеличиваются. Для изготовления диодов применяются дешевые процессы ионно-плазменного испарения и пульверизации.
Гетеропереходы с промежуточным слоем
В структурах с барьером Шоттки наличие слоя окисла между металлом и полупроводником существенно повышает эффективность преобразования энергии. Появление промежуточного слоя SiO2 объясняется следующими двумя причинами: 1) до нанесения на кремний пленок ITO, SnO или In2О3 он подвергался воздействию воздуха, 2) SiO2 образуется в результате экзотермической реакции кремния с In2О3 и SnO2, В работе [ 96] сообщается, что при нанесении на GaAs дополнительного слоя окисла толщиной около 30-50 А эффективность фотоэлемента может увеличиться примерно на 15%. Для оценки характеристик элементов типа ITO, In2О3 или SnO2 на Si применяется теория структур металл - изолятор - полупроводник (MIS-структуры). MIS-структуры позволяют преодолеть принципиальный недостаток солнечных элементов с барьером Шоттки - низкое значение напряжения холостого хода и одновременно сохранить те их особенности, которые позволяют применять структуры с переходом металл — полупроводник вместо структур с р-n-переходом в наземных солнечных батареях большой площади [ 99а] . В таких структурах темновой ток, обусловленный явлением термоэмиссии, можно уменьшить путем увеличения эффективной высоты барьера металл - полупроводник, понижения вероятности туннельных переходов основных носителей заряда, создания уровней на границе раздела с большим поперечным сечением захвата для основных носителей заряда или уменьшения числа основных носителей заряда у поверхности полупроводника.
Роль промежуточного слоя не до конца понятна, однако сделано несколько попыток объяснить ее. В работе [ 98 ] предлагается использовать промежуточный изолирующий или полупроводниковый слой для увеличения напряжения холостого хода и изменения спектральной чувствительности вследствие изменения формы встроенного электрического поля. При некотором значении фототока предпочтительно иметь наименьшие возможные для данного суммарного напряжения значения двух составляющих потерь — термоэмиссионной и диффузионной. Предполагается [ 99 ], что в случае очень тонкого изолирующего слоя между металлом и полупроводником может протекать заметный туннельный ток. По мнению авторов работы [99], такие элементы представляют собой туннельные диоды с переносом неравновесных неосновных носителей заряда, имеющие MIS-структуру. Эффективность преобразования энергии была представлена в зависимости от толщины изолирующего слоя, концентрации носителей заряда в подложке, поверхностных состояний и заряда, встроенного в окисел. Если толщина изолирующего слоя около 10 А, то элементы проявляют себя как диоды с барьером Шоттки, и при высокой степени легирования подложки и низкой плотности уровней на границе раздела максимальное теоретическое значение их эффективности при освещении солнечным светом со спектром АМ2 может достигать 21%.
Пленки ITO или SnO2, легированные сурьмой, представляют собой вырожденные полупроводники и, по существу, являются металлическими электродами, в которых электрическая связь с базовым полупроводником осуществляется через зону проводимости. В литературе рассматриваются различные сочетания окисных полупроводников и базовых материалов. Поскольку кремний уже достаточно хорошо изучен [ 91, 103, 104, 113, 115—119], внимание исследователей привлекают такие материалы, как Ge [105, 113], CdTe [120], P [113, 120, 121], GaAs [105, 113] и CuInSe2 [122]. По типу кристаллической структуры, параметрам решетки и коэффициенту теплового расширения компоненты диодов не соответствуют друг другу [101], и поэтому тот факт, что эффективность преобразования энергии некоторых таких фотоэлектрических структур превышает 10% [91,97, 119], весьма интересен. Кремний имеет структуру алмаза с параметром решетки а = 0,5431 нм, SnO2 — тетрагональную структуру с параметрами решетки о = 0,4737 нм и с = 0,3185 нм, а In2Ο, - кубическую структуру с параметром решетки а =1,0118 нм [123]. Следовательно, соединения SnO2, In2O3 или ITO совершенно не совместимы с кремнием и следовало бы ожидать, что структуры SnO2, In2O3 или ITO на Si будут иметь дефектную границу раздела и низкую эффективность преобразования энергии. Характеристики и высокая эффективность диодов объясняются на основе модели структуры полупроводник — изолятор — полупроводник (SIS-структура) [101]. Такой солнечный элемент называется диодом с "переносом неравновесных неосновных носителей заряда посредством туннельного механизма". Большая ширина запрещенной зоны в полупроводнике препятствует току основных носителей из зоны в зону, и поэтому характеристики элементов SIS.-структуры лучше, чем характеристики элементов MIS-структуры. Согласно результатам расчета влияния толщины промежуточного слоя, степени легирования подложки, числа поверхностных уровней и величины заряда, встроенного в промежуточный слой, а также температуры на характеристики SIS-структур [101], для диода ITO/Si ожидается эффективность преобразования энергии 20%.
