Моделирование эффективности многослойных тандемных солнечных элементов Миркамали Ашрафалсадат Сейедага

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Основные характеристики фотовольтаического эффекта 21

1.1 Фотовольтаический эффект

1.1.1. Фотоэлектрическое преобразование энергии 21

1.2. Различные виды контактов в солнечных элементах

1.2.1. Гомопереходы 26

1.2.2. Гетеропереходы 28

1.3. Различные типы солнечных элементов

1.3.1. Солнечные элементы на основе пластинок 29

1.3.2. Солнечные элементы на основе тонких пленок 29

1.4. Различные материалы в солнечных элементах

1.4.1. Поглотители (абсорберы) света 30

1.4.2. Барьер Шоттки 31

1.4.3. Омические контакты 31

1.4.4. Прозрачные контакты 31

1.5. Основные характеристики солнечных элементов

1.5.1 Фототок и спектральный резонанс 32

1.5.2. Вольт-амперные характеристики 38

1.5.3 Модель и уравнения 41

1.6. Численное моделирование

1.6.1. Введение 46

1.6.2. AMPS-1D: описание

1.6.2.1. Управляющие уравнения 47

1.6.2.2. Граничные условия 49

1.6.2.3 Решение уравнений 51

ГЛАВА 2. Моделирование однопереходных солнечных элементов 53

2.1. Требования к материалу для изготовления солнечных элементов 53

2.2. Базовые параметры 53

2.2.1. Подгоночные данные численного моделирования 54

2.2.2. Передние и задние контакты 54

2.2.3. Параметры материалов 55

2.3. Кремний (Si) 55

2.3.1 Солнечные элементы на основе кремния a-Si:H 56

2.3.2. Выбор материалов и их свойства 58

2.3.3. Вывод 60

2.4. Солнечные элементы на основе теллурида кадмия (CdTe) 64

2.4.1. Солнечные элементы на основе CdS /CdTe 65

2.4.2. Выбор материалов и их свойства 66

2.4.3. Вывод 71

2.5. Солнечные элементы на основе CIGS 74

2.5. 1.Солнечные элементы на основе CIGS 76

2.5.2. Выбор материалов и их свойства 77

2.5.3. Зависимость параметров солнечного элемента от толщины поглощающего слоя 77

2.5.4. Вывод 78

Глава 3. Исследование эффективности тандемных многослойных фотовольтаических элементов 82

3.1. Многослойные солнечные элементы (МСЭ) 82

3.2. Тандемные солнечные элементы 84

3.3. Теоретический подход к тандемным многослойным солнечным

элементам 85

3.4. Многослойные тандемные солнечные элементы на основе a–SiC:H/a– Si:H 89

3.5. Многослойные тандемные солнечные элементы на основе CdS / CdTe 95

3.6. Многослойные тандемные солнечные элементы на основе CdS/CIGS 103

Заключение 108

Благодарности 110

Литература

• Различные виды контактов в солнечных элементах
• Основные характеристики солнечных элементов
• Подгоночные данные численного моделирования
• Теоретический подход к тандемным многослойным солнечным

Введение к работе

Актуальность работы

На сегодняшний день роль и значение использования возобновляемых источников энергии приобретает все большую актуальность в связи с тем, что основные источники энергии (т.е. нефть, уголь, уран и др.) ограничены, и все более очевидными становятся последствия их использования для природного баланса на нашей планете [1,2]. В результате все большее значение приобретает солнечная энергия, достигающая земной поверхности, и которую мы можем использовать для того, чтобы преобразовать ее в экологически чистую электрическую энергию.

Солнечные элементы представляют собой фотовольтаические (или,
фотоэлектрические, далее PV) устройства, преобразующие электромагнитное
излучение солнца (т.е. свет, в том числе инфракрасного, видимого и
ультрафиолетового диапазонов) в электричество. Для их использования в
практических приложениях, необходимо, чтобы фотовольтаические

устройства удовлетворяли многочисленным требованиям. Первое требование
заключается в эффективности преобразования солнечной энергии в
электричество. Во-вторых, используемый материал должен быть недорогим,
доступным в больших количествах и нетоксичным. В-третьих, способ
производства устройства должно быть недорогим, энергоэффективным,
быстрым, простым и экологически безопасным. В-четвертых,

производительность созданного солнечного элемента должна быть стабильной в течение длительного периода времени.

В последние годы вс шире используется численное моделирование для более глубокого понимания физических процессов, происходящих в процессе работы тонкопленочных и многослойных солнечных элементов.

Для моделирования ряда весьма сложных полупроводниковых
приборов используется программа одномерного моделирования и анализа
микроэлектронной и фотонной структуры AMPS-1D (разработана С.

Фонашом и его коллегами, Университет Пенсильвании, США).

В данной работе, в качестве объекта исследования выбраны солнечные

элементы второго поколения, создаваемые на основе аморфного

гидрогенизированного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида

меди-индия-галлия CIGS, и проводится исследование влияния толщины

полупроводниковых слов на выходные параметры солнечных элементов,

такие как, плотность токакороткого замыкания J_sc, напряжение холостого

ходаV_oc, фактор заполнения FF и эффективность EFF, с помощью численного

моделирования с использованиемпрограммы AMPS-1D. Затем, с целью получения наибольшей эффективности, с учетом полученных результатов для однопереходных солнечных элементов, разработаны и спроектированы новые тандемные многослойные структуры.

Современное состояние проблемы

В данной диссертационной работе проводится исследование тандемных многослойных солнечных элементов, созданных на основе неорганических полупроводниковых материалов солнечных элементов второго поколения, с целью получения максимальной эффективности. Для того, чтобы повысить эффективность солнечного элемента на основе а-Si:H, основное внимание должно быть уделено, главным образом, на получение более высокого тока короткого замыкания J_sc путем разработки ловушек света [3], а также более высокого напряжения холостого хода V_oc, путем применения новых методов проектирования устройств с использованием различных сплавов а-Si.

Было показано, что эффективность преобразования тонкопленочного солнечного элемента на основе CdS/CIGS приближается к 20% [4].

Таким образом, разработка новых структур и строения солнечных элементов на основе исследования физических процессов, происходящих в них во время преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию, представляет актуальную задачу.

Объект исследования - физические процессы явления фотовольтаикив гетеропереходных солнечных элементах и многослойных тандемных солнечных элементах на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS

Цель исследования заключается в теоретическом исследовании и
численном моделировании физических процессов в гетеропереходных и
многослойных тандемных солнечных элементах на основе

гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe, диселенида меди-индия-галлия CIGS, определении оптимальной структуры тандемного многослойного солнечного элемента, обладающего наибольшей эффективностью.

Иcходя из поставленной цели диссертационной работы

сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Анализ теоретических основ явления фотовольтаики и систематизация

экспериментальных данных по основным параметрам используемых

полупроводников материалов.

1. Теоретическое исследование физических процессов фотовольтаического эффекта в солнечных фотоэлементах и их численное моделированиес использованием программы анализа микроэлектронной и фотонной структуры в одномерном случае AMPS-1D.

2. Численное моделирование физических процессов в однопереходных солнечных элементах на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS и определение влияния толщин функциональных слоев на выходные параметры.

3. Разработка и дизайн новых структур многослойных тандемных солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS.

4. Исследование влияния изменения структуры и толщины функциональных слов многослойных тандемных солнечных элементов на выходные параметры устройства, такие как плотность тока короткого замыкания, напряжение холостого хода, фактор заполнения и эффективность.

5. Оптимизация структуры солнечного элемента с точки зрения наибольшей эффективности при малой толщине и высокой экономичности.

Новизна исследования

1. Проведен обзор и систематизация экспериментальных данных по основным параметрам гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS и методами численного моделирования в системе AMPS-1D проведен анализ зависимости основных параметров однопереходных солнечных элементов на их основе от толщины функциональных слов.

2. Предложены новые структуры высокоэффективных многослойных тандемных солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS.

3. Проведено численное моделирование предложенных новых структур многослойных тандемных солнечных элементов с использованием

программы AMPS-1D и исследована зависимость их эффективности от
толщины функциональных слов.
4. Предложены наиболее оптимальные структуры многослойных

тандемных солнечных элементов с точки зрения высокой

эффективности, малой толщины функциональных слов и

экономичности.

Теоретическая и практическая ценность работы.

4. Проведен сбор и систематизация экспериментальных данных по основным параметрам полупроводниковых материалов a-Si:H, CdTe и CIGS, используемых в солнечных фотоэлементах, которые могут быть использованы при моделировании эффективности приборов и устройств на их основе.

5. Проведен анализ и численное моделирование однопереходных и тандемных многослойных солнечных элементов на основе a-Si:H, CdTe и CIGS и установлена их наиболее оптимальная структура. Теоретически разработанный и промоделированный дизайн и структура предложенных оптимальных солнечных элементов могут быть воспроизведены в эксперименте и найти широкое применение из-за их низкой стоимости, экономии материала ивысокой эффективности.

Методология и методы исследования.

Теоретические исследования на основе зонной теории

полупроводников и численное моделирование с использованием программы одномерного анализа микроэлектронной и фотонной структуры AMPS-1D.

Основные положения, выносимые на защиту

6. Проведены теоретические исследования и численное моделирование фотовольтаического эффекта в однопереходных солнечных элементах и предложены оптимальные структурытандемных многослойных солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS.

7. Методами численного моделирования показано, что наибольшая эффективность однопереходного солнечного элемента на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, равная 19,6%, достигается при толщине i-слоя, равной 500 нм.

8. Разработанаоптимальная структура тандемного многослойного

солнечного элемента на основе a-SiC:H/a-Si:H иcпомощью численного

моделирования показано, что ее наибольшая эффективность в 22,6% достигается при толщине промежуточного i-слоя, равной 270 нм.

4. Численным моделированием показано, что наибольшая эффективность однопереходного солнечного элемента на основе сульфида кадмия и теллурида кадмия CdS/CdTe равная 18,3%, достигается при толщине слоя CdTe равной 1000 нм и слоя CdS равной 60 нм.

5. Разработана оптимальная структура тандемного многослойного солнечного элемента CdS/CdTe, и численным моделированием показано, что его наибольшую эффективность в 31,8% можно получить при толщине p-слоя CdS, равной 50 нм, и толщине n-слоя CdS, равной 200 нм, при сохранении фиксированными толщины n-слоя CdTe в 3000 нм и p-слоя CdTe равной 1000 нм.

6. Численным моделированием однопереходных солнечных элементов на основе сульфида кадмия и диселенида меди-индия-галлия CdS/CIGS показано, что наибольшая эффективность в 17,3% достигается при толщине слоя CIGS, равной 200 нм.

7. Разработан дизайн оптимального тандемного многослойного солнечного элемента на основе CdS/CIGS и численным моделированием показано, что наибольшую эффективность данного элемента в 48,3% можно получить при толщине p-слоя CIGS равной 600 нм. Степень достоверности результатов исследования определяется

использованием апробированных и надежных программ численного

моделирования. Полученные результаты в предельных случаях совпадают с

экспериментальными данными и известными результатами по

моделированию эффективности солнечных элементов.

Реализация результатов исследования. Развитые теоретические

подходы к исследованию тандемных многослойных солнечных элементов

могут найти приложения при исследовании других видов солнечных

элементов. Разработанные оптимальные многослойные тандемные солнечные

элементы могут послужить основанием для создания экспериментальных

образцов и в дальнейшем могут быть внедрены в промышленное

производство. Разработанный дизайн солнечных элементов является

экономичным с точки зрения затрат на полупроводниковые материалы, а

также времени и энергии на их производство и могут послужить решению

энергетических проблем.

Апробация работы. Основные результаты диссертации

докладывались на следующих конференциях и семинарах: Первой
национальной конференции по новой и чистой энергии, Хамадан, Иран,
апрель 2013 года, Национальной конференции по нанотехнологиям: от
теории к приложениям, Исфаган, Иран, май 2013 года, Первой

национальной конференции по строительству будущего, Сари, Иран, май
2013, Второй национальной конференции по новой и чистой энергии,
Хамадан, Иран, 2013, Международной конференции по физике

конденсированного состояния, посвященной 85-летию академика

А.А.Адхамова, Душанбе, Таджикистан, 2013, тематические семинары по физике конденсированного состояния при Физико-техническом институте им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан (руководитель – член-корреспондент АН Республики Таджикистан, доктор физико-математических наук профессор Х.Х.Муминов, сентябрь-октябрь 2012 г., январь 2013 г., сентябрь 2015 г.)

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях и 5 работ в трудах конференций. Из них 3 статьи опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации для публикации основных результатов диссертационной работы.

Личный вклад соискателя. Во всех опубликованных работах основная идея и постановка задачи принадлежит научному руководителю, а решение принадлежит автору диссертации. В третьей главе постановка задачи и решение полностью принадлежит автору диссертации, ход решения задачи и основные выводы обсуждались с научным руководителем.

Структура работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, трех глав основного содержания с выводами по каждой из них, заключения и списка использованных источников. Основная часть диссертации изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 17 рисунков и 6 таблиц. Библиографический список включает 104 наименований.

Различные виды контактов в солнечных элементах

Тонкопленочные солнечные элементы требуют меньшего количества материала полупроводника и их легче изготовить и собрать, имеют меньший вес, они гибкие и менее дорогие, чем солнечные элементы на основе пластинок. К настоящему времени имеется ряд тонкопленочных материалов, таких как теллурид кадмия (CdTe), диселенид меди индия (CIS), которые разработаны в качестве материалов для создания гетеропереходных солнечных элементов. Материалы для создания тонкопленочных гетеропереходных солнечных элементов включает такие материалы, как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний. Материал CdTe хорошо осаждается и подходит для крупномасштабного производства, однако кадмий ядовит. Небольшие вариации CIS, получаемые добавлением галлия, дает диселенид меди индия/галлия (CIGS), который показывает наиболее высокую зо эффективность. Аморфный кремний имеет более высокую ширину запрещенной зоны и таким образом поглощает солнечный спектр сильнее.

Процесс фотовольтаического преобразования осушествляется в многих материалах, имеющих подходящие электрические, электронные и оптические свойства, которые играют решающую роль в работе солнечного элемента. Ключевой материал здесь - это поглотитель света, который способен к переходу в возбужденное состояние, произведенному поглощением фотонов с энергиями из диапазона солнечного спектра, богатого фотонами.

Способность абсорбера поглощать свет различных длин волн определяется его коэффициентом поглощения , который является функцией длины волны . Чтобы вычислить спектральную поглощающую способность А используется закон Беера-Ламбера, исходя из интенсивности падающего потока I (фотоны, падающие на cm2 в секунду), часть которого отражается (R) от поверхности материала, на которую она падает (фронтальной, или «передней» стороны), а часть проходит (Т) таким образом, что свет выходит из противоположной стороны (тыльной, или «обратная» сторона) материала.

Исходя из этого закона, спектральная поглощательная способность как функция определяется следующим образом: [34] A(Л) = [I - R] [і - ехр (-а(Л) d] (1.10) где d- толщина материала, через которую проходит световое излучение. 1.4.2.Барьер Шоттки

В дополнение к поглотителю в структуре солнечного элемента имеются и другие компоненты. Они могут включать слои, которые блокируют один тип переносчиков заряда, поддерживая перенос другого, чтобы способствовать движению одного типа переносчиков заряда в противоположном направлении к другому. Такие слои, которые используются в соединении с поглотителями, создают встроенное электрическое поле, или химический потенциал (эффективную область), который нарушает симметрию и вынуждает двигаться электроны в одном направлении, а дырки – в другом. Эту область обычно называют переходом, и она формирует строительный блок системы фотовольтаического устройства [31].

Проводящие материалы обычно используются в обоих сторонах фотовольтаического элемента, они обеспечивают контакты электродов солнечных элементов и сеток, необходимых для передачи тока к внешней нагрузке. Эти материалы должны давать минимальные электрические (по напряжению) и оптические потери, и могут быть металлами или прозрачными проводящими оксидами (TCO). Металлы – это превосходные омические контакты из-за их низкого удельного сопротивления. Как правило, в качестве контакта к материалу полупроводника p-типа (поглотитель света) используется металл [31].

Эти материалы используются, чтобы максимизировать прохождение света в структуру солнечного элемента, обеспечивая при этом соответствующее расположение электродов. Они должны обладать высокой прозрачностью, высокой проводимостью и подходящими рабочими функциями. Так как поглощение в этих материалах достигается благодаря легированию (или получению сплава), имеется взаимосвязь между проводимостью и прозрачностью. Некоторые обычно используемые материалы для этих целей включают оксид олова, оксид олова индия (ITO) и оксид олова, легированные фтором (FTO).

Когда свет падает на переход, то фотоны, которые обладают энергиями большими, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, имеют высокую вероятность того, чтобы быть поглощенными. Поглощение света можно описать, связывая интенсивность излучения 10 света, падающего на поверхность полупроводника, к интенсивности I, которая остается после того, как свет проник на расстояние х 7(Я) = /0ехр[-а(Я ] О-")

Параметр , являющийся функцией длины волны света, является характеристикой материала, и называется коэффициентом поглощения. Значение коэффициента поглощения должно быть большим для материала поглотителя, используемого в солнечном элементе, так, чтобы большая часть света была поглощена полезным образом. Каждый фотон, который поглощается материалом поглотителя, производит электронно-дырочную пару [36]. Степень генерации электронно-дырочных пар на расстоянии х от поверхности полупроводника задается формулой:

Основные характеристики солнечных элементов

Предположим, что ток, возбуждаемый светом, может быть добавлен к току, текущему в темноте (суперпозиция), и также что RS = 0, и RP = РТС = 0, (идеальный случай). Тогда, плотность тока J, текущего в устройстве в присутствии света может быть выражена следующим образом

Первое слагаемое в правой части данного выражения есть прямой ток, обусловленный напряжением V, а второе слагаемое является (обратным) световозбужденным составляющим. J0 часто называют обратным током насыщения. Плотность тока короткого замыкания JSc представляет собой просто световозбужденный ток JL. Напряжение холостого хода может быть получено, если положить J = О, (1.33) и в идеальном случае не зависит от напряжения так же, как ток короткого замыкания Jsc. здесь J0 есть ток насыщения диода, А – добротность диода (равна 1 в идеальном случае), Q –элементарной заряд, К – постоянная Больцмана, Т – температура. Эффективность преобразования, как правило, есть величина, представляющая наибольший интерес в применении солнечных элементов. Она зависит от следующих трех параметров: 1) плотности тока короткого замыкания Jsc, 2) напряжения холостого хода (разомкнутой цепи) Voc, и 3)фактора заполнения (FF). Ток короткого замыкания, то есть ток при V = 0 , зависит от количества фотогенерированных носителей и эффективности их сбора. Эффективность сбора зависит от механизмов рекомбинации. Потери тока короткого замыкания могут быть проанализированы исходя из кривых квантовой эффективности. Напряжение холостого хода – это напряжение при нулевом токе, когда прямой ток уравновешивает фотогенерированный ток. Напряжение холостого хода равно разности квази-уровней Ферми электронов и дырок между двумя сторонами устройства, а его максимум определяется запрещенной зоной Eg абсорбера (поглотителя). Из уравнения для диода, Voc равно:

Ток насыщения J0 зависит от свойств материала и структуры солнечного элемента, он ограничивается рекомбинацией, имеющий различные механизмы протекания.

Энергия, получаемая от солнечного элемента, есть произведение силы тока на напряжение. В некоторой точке на вольт-амперной кривой (т.е. для конкретной нагрузки) это произведение имеет максимальное значение. Эта точка называется точкой максимальной мощности, и соответствующие ток и напряжение называются током максимальной мощности JMP и напряжением максимальной мощности Vmp (рис 1.3). В дополнение к Voc и Jsc, максимальная мощность зависит от того, насколько «прямоугольной» является кривая. Ее «прямоугольность» определяется коэффициентом заполнения (FF) FFv vjsc (1.36) Наконец, эффективность зависит от всех этих трх параметров и может быть вычислена следующим образом „ P out J syocFF Р « Р « . (1.37) Здесь Рь- интенсивность падающего света на ячейку. Она обычно берется равной 100 мВт / см2 для стандартной солнечной освещенности. Это освещение называется AM 1,5 освещением, что эквивалентно солнечному свету, проходящему через 1,5 массы воздуха от вертикальной освещенности [34].

Модель солнечного элемента, в своей простейшей форме, состоит из диода, двух сопротивлений и источника тока. Диод - это р-п-переход, состоящий из двух асимметричных областей, помеченных как р ип, легированных соответственно акцепторами и донорами. Шунт и набор сопротивлений вводятся, потому, что солнечный элемент не является электрически идеальным, поэтому некоторое рассеяние энергии является неизбежным. Источник тока представляет собой устройство, генерирующий ток в результате воздействия света, падающего на солнечный элемент.

Когда нагрузка подключена к пластинам солнечного элемента, начинает течь ток SH (1.38) IL есть функция от того, сколько фотонов проникает в солнечный элемент и способствуют генерации тока [37]. Для него невозможно ввести уравнение, потому что число проникающих фотонов непредсказуемо. Этот ток зависит от фактических условий освещения и изменяется со временем в течение дня. (можно принять совещенность при АМ 1,5) Диодный ток является экспоненциальной функцией напряжения ID=h nkT _ 1 J (1.39) здесь IS – это ток насыщения обратного смещения, q– заряд электрона, n – фактор идеальности, К–постоянная Больцмана, Т - температура и VD – напряжение на диоде [37].

Обратный ток насыщения смещения, выраженный в терминах плотности тока по поперечной площади, дается следующим выражением Js = qNcNv NA\ D n + ND\ т1 DP P J Eg KT (1.40) где NC и NV являются плотностями состояний в зоне проводимости и валентной зоне, соответственно [37], NA и ND есть концентрации примесей акцепторов и доноров, Dn и Dp - коэффициенты диффузии электронов и дырок. n и p - времена жизни носителей, электронов и дырок, Eg - ширина запрещенной зоны. Коэффициенты диффузии даются следующим образом

Подгоночные данные численного моделирования

Cu(InxGa1-x)(SexS1-x) или CIGS представляет собой четырехкомпонентный сплав I-III-IV групп, сформированный заменой атомами галлия атомов индия в подрешетке CuInSe2 (CIS), который кристаллизуется в устойчивую структуру халькопирита, и при комнатной температуре богата атомами In [57]. Цель замены катиона или аниона состоит в том, чтобы изменить ширину запрещенной зоны CIS (1,02 эВ) так, чтобы она находилась в оптимальном диапазоне для фотоэлектрического преобразования. Электронная проводимость этих материалов объясняется в терминах химии их внутренних дефектов.

Вакансии меди и индия (то есть лишний селен) приводят к полупроводниковым материалам p-типа, имеющим плотности носителей в пределах от 0,15 до 2x1017 см-3, в то время как вакансии селена приводят к проводимости n-типа. Самый важный дефект для рекомбинации носителя – это InCu (In на противоузле Cu), как вследствие его низкой энергии формирования, так и из-за его предсказанного уровня в 0,34 эВ, что ниже максимума зоны проводимости (CBM), приводит к значительной компенсации материала p-типа благодаря снижению ее активности через формирование [2VCu + InCu] комплексов дефектов [75].

Фотовольтаические устройства на основе CIGS получаются путем формирования p-n гетеропереходов на тонкой пленке CdS, как показано на рис. 2.6. Также как и устройствах на основе CdTe роль полупроводника CdS n-типа, у которого ширина запрещенной зоны 2,4 эВ, заключается не только в том, чтобы сформировать p-n переход с поглотителем, но также и для того, чтобы служить входящим слоем (окошком), который пропускает падающий свет с относительно малыми потерями на поглощение и отражение. Изготовление обычно начинается с осаждения заднего контакта из Mo, за которым следует поглотитель p-типа, - тонкий слой (окно) CdS (50-100 нм), а ZnO со введенной примесью Al служит в качестве прозрачного переднего контакта. Проводящий оксидный слой ITO может также быть добавлен к этому контакту, чтобы максимизировать поглощение и, в свою очередь, плотности тока, получаемые из этих элементов. Преимущество CIGS заключается в гибкости подложек (таких, как известково-натриевое стекло, алюминиевая фольга, или высокотемпературный полиамид), на которые могут быть осаждены эти элементы [47].

В этой главе проводится сравнение численных моделей, разработанных в качестве базовых устройств, использующих тонкоплночный гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H), тонкослойный CdSCdTe и тонкослойный CIGS, в качестве типовых солнечных элементов, которые показывают КПД фотовольтаического эффекта при освещении AM 1,5. Цель этого исследования состоит в том, чтобы идентифицировать необходимые для повышения эффективности усовершенствования в дизайне устройств, основываясь на увеличении плотности тока короткого замыкания или напряжения короткого замыкания, или обеих величин одновременно. Это исследование также выявляет самую оптимальную схему дизайна солнечного элемента на основе тонкоплночной технологии для достижения эффективности выше, чем 20%.

CIGS обладает прямой оптической зоной, и е, как правило, выращивают на подложке из известково-натриевого стекла или на гибких подложках. Преимущество использования CIGS в качестве материала солнечных элементов заключается в возможности создания устройств с тонкими поглощающими слоями на различных подложках, что ведет к значительному снижению затрат на производство и уменьшению времени производства. В стандартном устройстве, толщина поглотителя обычно составляет 2 мкм. При выполнении аналогичной операции, снижение толщины на каждые 0,5 мкм может сэкономить на 75% расход полупроводниковых материалов, и соответствующее время осаждения также сокращается в четыре раза. Например, уменьшение толщины осаждающегося слоя с 1,8 мкм до 0,15 мкм [78], приводит к сокращению времени осаждения от часа до всего лишь 8 минут. В работе (1998) экспериментально показано, что при толщине солнечного элемента на основе CIGS при 0,86 мкм достигается эффективность в 13,1%. В то же время, в работе [80] (1997) показано, что при толщине устройства в 1 мкм эффективность равна 9,9%. То есть, с уменьшением толщины солнечного элемента наблюдается рост эффективности. Самый тонкий элемент с приемлемой производительностью [81] обладал толщиной 150 нм и 5%-ной эффективностью. Для солнечного элемента на основе CIGS толщиной в 1 мкм наивысшая зарегистрированная эффективность составила 17,1% [82].

Концепция данного солнечного элемента состоит в использовании из трех слоев: слоя n-ZnO (с шириной запрещенной зоны 3,30 эВ), который используется в качестве прозрачного контакта, слоя n-CdS (2,40 эВ), представляющего собой фронтальный поглощающий слой, и p-CIGS (1,15 эВ) – поглощающего слоя p-типа. Эта конфигурация является весьма популярной для устройств на основе CIGS. Параметры, используемые в численном моделировании данного устройства, приведены в таблице 2.3.

Цель данного численного моделирования солнечных элементов на основе CIGS заключается в оптимизации дизайна элемента с уменьшенной толщиной, которая варьировалась в пределах от 30 нм до 1000 нм, как показано на рис. 2.7. На этом графике видно, что эффективность солнечного элемента при увеличении толщины поглощающего слоя p-CIGS возрастает, а затем уменьшается постепенно. Оптимальная толщина для поглощающего слоя р-CIGS составила 200 нм при эффективности, равной 17,3%. Как видно по выходным данным моделирования, из всех параметров элемента только плотность тока короткого замыкания имеет сильную зависимость от толщины слоя р-CIGS. С увеличением толщины поглотителя, она снижается. Сравнивая результаты моделирования и экспериментальных данных видно,

Теоретический подход к тандемным многослойным солнечным

В работе проводится обзор теории фотовольтаического явления и его экспериментальные реализации. В работе проведено теоретическое исследование общих вопросов эффективности однопереходных и многослойных тандемных солнечных элементов. Реализация численного моделирования основывалась на использовании одномерного анализа микроэлектронной и фотонной структуры на основе программы AMPS-1D для анализа солнечных элементов на основе гидрогенизированного кремния, теллурида кадмия и диселенида меди-индия-галлия, что позволило сформулировать дизайн оптимального проектирования новых многослойных тандемных солнечных элементов, обеспечивающего наибольшую эффективность работы элемента.

Проведен численный анализ однопереходного солнечного элемента на основе аморфного гидрогенизированного кремния, между слоями p-типа (a-SiC:H) и n-типа (a-Si:H) которого располагается легированный i-слой, используемый в качестве промежуточного поглощающего слоя (a-Si:H). Установлено, что после оптимизации параметров элемента наибольшая эффективность в 19,62% достигается при толщине i-слоя в 500 нм. Максимальное экспериментально полученное значение эффективности аналогичного солнечного элемента составляет 10,1% (Кабир и др. [4]). Проведена оптимизация разработанной в диссертации новой структуры тандемного многослойного солнечного элемента на основе a SiC:H/a-Si:H и c помощью численного моделирования показано, что ее наибольшая эффективность в 22,6% достигается при толщине промежуточного i-слоя, равной 270 нм. Методами численного моделирования показано, что наибольшая эффективность однопереходного солнечного элемента на основе сульфида кадмия и теллурида кадмия CdS/CdTe, равная 18,3%, достигается при толщине слоя CdTe, равной 1000 нм и толщине слоя CdS равной 60 нм. Полученный результат находится в хорошем согласии с экспериментальными данными, полученными Чоу и др. в работе [62], в которой максимальная эффективность солнечного элемента на основе CdS/CdTe составила 17,3%.

На основе проведенного моделирования однопереходного солнечного элемента разработана оптимальная структура тандемного многослойного солнечного элемента CdS/CdTe, и численным моделированием показано, что его наибольшую эффективность в 31,8% можно получить при толщине p-слоя CdS, равной 50 нм, и толщине n-слоя CdS, равной 200 нм, при сохранении фиксированными толщины n-слоя CdTe в 3000 нм и p-слоя CdTe, равной 1000 нм.

Проведено численное исследование однопереходных солнечных элементов на основе сульфида кадмия и диселенида меди-индия-галлия CdS/CIGS и показано, что наибольшая эффективность в 17,3% достигается при толщине слоя CIGS, равной 200 нм.

Данный результат находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными, полученными для аналогичного солнечного элемента в работе А.О.Пудова и др. [82], в которой наивысшая эффективность составила 17,1% при толщине солнечного элемента в 1 мкм. С использованием результатов исследования однопереходных солнечных элементов разработан дизайн и проведена оптимизация структуры нового тандемного многослойного солнечного элемента на основе CdS/CIGS. Методами численного моделирования показано, что наибольшую эффективность данного элемента, равную 48,3%, можно получить при толщине p-слоя CIGS, равной 600 нм.

От всей своей души выражаю, свою глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю, члену-корреспонденту Академии наук Республики Таджикистан Муминову Хикмату Халимовичу, ибо без его помощи мои исследования, сегодня не видели бы свет. В тоже время хочу выразить свою глубокую благодарность и признательность Кабутову Курбонджону за то, что, несмотря на свою занятость уделял мне время. А также хочу выразить свою глубокую благодарность и признательность сотрудникам Физико-технического института имени С. У. Умарова за то, что всячески содействовали мне за период моей учебы в этом научном институте и подготовке этой работы. Я благодарна тем людям, которые в процессе учебы и моего пребывания на чужбине жили и были рядом со мной. Также я благодарна членам своей семьи за то, что морально и материально поддерживали меня и вытерпели всякие мои капризы в годы моей учебы на чужбине. Благодарна также всем тем людям, которые окружали меня в период подготовки диссертационной работы. Они останутся в моей памяти навсегда!