ФЭП с низким уровнем оптических потерь

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния, работающие при неконцентрированном солнечном облучении, получили наибольшее распространение в наземной и космической солнечной энергетике. В последние годы выполнены также широкие исследования кремниевых фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения и достигнуты значения КПД более 20 %.

Кроме монокристаллического Si, для создания СЭ начинает широко использоваться поликристаллический и аморфный кремний, главным достоинством которого является меньшая стоимость. Однако эффективность таких СЭ существенно ниже, и поэтому нет оснований предполагать их широкое применение для преобразования концентрированного солнечного излучения, так как основным требованием к таким СЭ является обеспечение высокого КПД.  

В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП - искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и другие КЛА. Достоинства ФЭП: большой срок службы; достаточная аппаратурная надежность; отсутствие расхода активного вещества или топлива. Недостатки ФЭП: необходимость устройств для ориентации на Солнце; сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА на орбиту; неработоспособность в отсутствие освещения; относительно большие площади облучаемых поверхностей. 

В данной курсовой работе будем рассматривать фотоэлектрический преобразователь с низким уровнем оптических потерь.

 

 

 

 

 

1 Анализ путей снижения оптических потерь в кремниевых фотоэлектрических элементах и модулях.

 

Наличие оптических потерь приводит главным образом к уменьшению тока короткого замыкания. Оптические потери - это свет, отразившийся от лицевой поверхности или не поглотившийся в ФЭП, и как следствие, не участвующий в создании электронно-дырочных пар. Существует несколько способов уменьшения оптических потерь:

• уменьшение площади лицевых контактов (хотя это может привести к увеличению последовательного сопротивления)
• нанесение антиотражающих покрытий на лицевую поверхность
• текстурирование поверхности
• увеличение оптического пути в СЭ путем комбинирования текстурирования поверхности со световыми ловушками.

Рис 1.1. Источники оптических потерь в СЭ.

Антиотражающие покрытия на ФЭП похожи на те, которые используют в других оптических устройствах, таких как линзы фотокамер. Они представляют собой тонкий слой диэлектрического материала специально подобранной толщины. Толщина подбирается так, чтобы волна, отразившаяся от поверхности антиотражающего покрытия была в противофазе с волной, отразившейся от поверхности полупроводника. В результате интерференции этих двух волн интенсивность отраженной волны становится равной нулю.

Текстурирование поверхности можно выполнить различными способами. Например, поверхность кристалла травят вдоль направления кристаллических плоскостей. Если поверхность кристаллического кремния выровнять относительно расположения атомов, то она будет состоять из пирамид. Такой вид текстурирования, когда пирамиды расположены хаотически, обычно используется на производстве.

Оптимальная толщина устройства определяется не только необходимостью поглотить весь свет. Например, если свет поглощается на расстоянии от p-n перехода, превышающем диффузионную длину, то сгенерированные носители рекомбинируют до того, как будут разделены. Падение напряжения вследствие рекомбинации, при одинаковом поглощении более тонкий ФЭП может иметь более высокое напряжение. Следовательно, оптимальный ФЭП будет иметь световые ловушки, в которых длина оптического пути  в несколько раз превышает толщину устройства. Световые ловушки обычно реализуют изменяя угол, под которым свет проходит через ФЭП, делая поверхность, на которую он падает, наклонной. Текстурирование поверхности не только уменьшает отражение, как было сказано выше, но и отклоняет проходящий свет от прямолинейного направления, делая длину оптического пути большей, чем толщина ФЭП.

Рис. 1.1. Отражение и  преломления света в текстурированном ФЭП

Ламбертов задний отражатель - это особый вид заднего отражателя, свет от которого отражается в случайном направлении. Высокая отражательная способность задней поверхности ФЭП уменьшает поглощение на задних контактах элемента, позволяя свету отражаться обратно в элемент и, возможно, поглотиться там.

Рис. 1.2. Световая ловушка, созданная с помощью случайного отражения от задней поверхности

Таким образом,  для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) излучения, в настоящее время наиболее широко применяются следующие методы:

- структурирование поверхности, приводящее к снижению интегрального  коэффициента отражения ФЭП;

- нанесение на поверхность ФЭП одно- или двухслойного антиотражающего покрытия; 
- уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенени;

- нанесение на тыльную поверхность ФЭП металлического слоя, увеличивающего эффективность поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника; 
- уменьшение глубины эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности ФЭП в коротковолновой части спектра. 
 
 
 

 

2 Моделирование антиотражающего покрытия на поверхности фотоэлектрического элементах

 Одним из путей повышения эффективности кремниевого солнечного элемента является применение антиотражающих покрытий. В качестве таковых могут использоваться многослойные покрытия, а также покрытия из пористого кремния, оптические свойства которых подобны свойствам пленки с непрерывно меняющимся показателем преломления, что обусловлено изменением пористости в зависимости от глубины.

Нанесение антиотражающего покрытия (АОП) предназначено для уменьшения коэффициента отражения, пассивации и защиты лицевой поверхности. АОП также выполняет эстетическую функцию. В качестве АОП широко используется пленка нитрида кремния с коэффициентом преломления n= 2 - 2.15 и толщиной 70 - 80 нм.

Антиотражающее покрытие чаще всего получают плазмохимическим осаждением из газовой фазы в вакуумной камере при температуре 350 - 450oC. Для плазмохимической реации используются такие газы, как моносилан (SiH4) и аммиак (NH3).

Цвет солнечного элемента зависит от оптической толщины антиотражающего покрытия и спектра излучения под которым наблюдается элемент. Другими словами, воспринимаемый нами цвет может меняться не только за счет изменения свойств АОП но и от того солнечная погода или нет (если элемент рассматривается при естественном освещении), освещается ли он лампой дневного света (и какого спектра) или лампой накаливания. Это явление объясняется законами интерференции, на которых-то и основана антиотражающая способность тонких пленок.

Рис.2.1. Использование антиотражающего покрытия.

 

Антиотражающие покрытия на фотоэлектрических элементах похожи на те, которые используют в других оптических устройствах, таких как линзы фотокамер. Они представляют собой тонкий слой диэлектрического материала специально подобранной толщины. Толщина подбирается так, чтобы волна, отразившаяся от поверхности антиотражающего покрытия была в противофазе с волной, отразившейся от поверхности полупроводника. В результате интерференции этих двух волн интенсивность отраженной волны становится равной нулю.

Рис.2.2. Использование антиотражающего покрытия толщиной равной четверти длины волны для уменьшению отражения от поверхности.

Толщина антиотражающего покрытия выбирается так, чтобы она составляла четверть длины волны падающего излучения. Для материала с коэффициентом преломления n1 и c длиной волны падающего излучения λ0 толщина d1, приводящая к минимальному отражению равна:

          (2.1)

Например, длина волны ,  λ0 = 0.6 мкм. Коэффициент преломления антиотражающегося слоя, n1 = 2. Оптимальная толщина слоя, d1 = 0,075 мкм

Еще больше уменьшить отражение можно, если коэффициент преломления антиотражающего покрытия будет среднегеометрическая от коэффициента преломления полупроводника и стекла или воздуха.

         (2.2)

Например, коэффициент преломления окружающей среды, n0 = 1,5. Коэффициент преломления полупроводника, n2 = 3,5. Оптимальный коэффициент преломления антиотражающего покрытия, n1 = 2,2913

Коэффициент преломления зависит от длины волны, поэтому отражение может отсутствовать только для определенной длины волны. В СЭ обычно выбирают коэффициент преломления и толщину так, чтобы минимизировать отражение на длине волны с наибольшей интенсивностью излучения - 0.6 мкм.

Рис.2.3. Сравнение поверхностного отражения от кремниевого СЭ с и без антиотражающего покрытия.

Можно уменьшить отражение и для большего количества длин волн, нанося несколько антиотражающих слоев. Однако, для большинства коммерческих СЭ это слишком дорогостоящая операция. Уравнения, описывающие несколько антиотражающих покрытий, сложнее чем для одного. Они используются для построения следующего интерактивного графика, моделирующего двойной антиотражающий слой. Изменяя коэффициент преломления и толщину двух слоев можно получить два минимума отражения и довести общий коэффициент отражения до 3%.

Чаще всего толщину антиотражающих покрытий измеряют с помощью эллипсометрии, которая измеряет отражение поляризованного света.

Чтобы примерно определить толщину достаточно просто взглянуть на цвет пленки.

Рис.2.4. Сравнение четырех поликристаллических подложек, покрытие пленками нитрида кремния.

Разница в цвете вызвана главным образом толщиной пленки. С целью еще большего уменьшения этих потерь, классифицируемых как оптические, на следующей технологической операции на рабочую поверхность солнечных элементов наносится так называемое антиотражающее покрытие (АОП).

Опираясь на законы оптики, подбирают толщину и коэффициент преломления покрытия так, что удается уменьшить отражение до 1-2%. А это уже очень хороший показатель.

 
Рис.2.5. Протравленная (сверху) и непротравленная мультикремниевые пластины до и после нанесения АОП.

Сегодня существует огромное множество различных типов антиотражающих покрытий, которые наносятся несколькими различными методами (APCVD, LPCVD, PECVD и т.п.). На практике в качестве АОП для кремниевых солнечных элементов чаще всего используются пленки оксида титана или нитрида кремния, причем последней все чаще отдается предпочтение. Нитрид кремния обычно наносится методом PECVD, т.е. путем ускоренного плазмой химического напыления из газовой фазы, в специальных трубчатых печах.

 
Рис.2.5. Четырехтрубная PECVDпечь для нанесения АОП.

 

Процесс PECVD предполагает, что химический реактив, попадая в зону реактора, распадается под влиянием плазмы и температуры на отдельные элементы, которые затем оседают на поверхность пластины и вступают в химическую реакцию. В результате на лицевой поверхности пластины «выращивается» тончайшая пленка нитрида кремния, которая обладает требуемыми свойствами. Ее толщина составляет около 70 нм, что намного меньше размеров микропирамид текстуры и позволяет добиться эффекта антиотражения независимо от структуры рельефа поверхности. 
 Этот метод обеспечивает очень хорошую равномерность покрытия. Оценить толщину АОП можно достаточно легко даже на глаз. Оптика такова, что чем неравномернее толщина, тем сильнее изменяется окраска поверхности пластины. Этот же эффект можно наблюдать глядя на разлитый в луже бензин – пленка переливается всеми цветами радуги, давая понять как меняется ее толщина. Другие известные методы нанесения АОП зачастую требуют предварительного нанесения раствора на поверхность пластины, которое невозможно выполнить равномерно (вещество будет скапливаться в «ущельях» между микропирамидами и не будет задерживаться на их вершинах). Это также сказывается в итоге на внешнем виде солнечного элемента и ухудшает его параметры.

После нанесения АОП пластина кремния поглощает большую часть солнечногоизлучения,падающего на ее поверхность. Причем толщина покрытия оптимизирована таким образом, чтобы наиболее эффективно работать в наиболее эффективном диапазоне спектра. Именно из-за этого все солнечные элементы имеют красивый и глубокий темно-синий цвет.

Антиотражающее покрытие (нитрид кремния) обычно наносится используя химическим осаждением из газовой фазы (CVD). Исходные газы, силан (SiH4) и аммиак (NH3) подаются в камеру и разлагаются либо под действием температуры (LPCVD), либо под действием плазмы (PECVD). В других системах для осуществления реакции силана и аммиака может использоваться микроволное излучение. Сама реакция выглядит так: