Выходные параметры лучших опытных образцов отечественных ФЭП и их сопоставление с выходными параметрами зарубежных аналогов

5 Выходные параметры лучших опытных образцов отечественных ФЭП и их сопоставление с выходными параметрами зарубежных аналогов

5.1 ФЭП с PERL- структурой

На данном этапе развития монокристаллических фотопреобразователей рекордные значения КПД (24,5-24,7% в режиме облучения АМ1,5) демонстрирует ФЭП с PERL- структурой (Passivated Emitter, Rear Locally-diffused; пассивированный эмиттер, локальная диффузия акцепторной примеси со стороны тыльной поверхности кристалла) [15]. Конструктивные особенности данного ФЭП а также технологические аспекты их реализации позволили достичь следующие значения выходных параметров: U_XX » 704-706 мВ, J_КЗ » 42,2 мА/см² и FF » 0,82-0,83.

ФЭП с PERL- структурой схематически показан на рисунке 5.1. При разработке таких ФЭП уменьшение потерь фотогенерированных носителей в обьеме полупроводниковой структуры, в основном, достигалось за счет улучшения качества выходного кремния. Базовые кристаллы р- типа толщиной 450 мкм вырезаны из очень качественных слитков, выращенных методом бестигельной зонной плавки, что обеспечило низкую скорость рекомбинации неосновных носителей заряда в объеме ФЭП. Скорость поверхностной рекомбинации существенно понижается за счет того, что площадь контакта металл-полупроводник сведена к минимуму и дополнительно подлегирована, а все участки поверхности, неконтактирующие с электродами, пассивировались слоем SiO₂. Толщина n⁺-слоя не превышает 0,2 мкм, что способствует уменьшению рекомбинации носителей заряда, генерируемых высокоэнергетичными квантами света. Для уменьшения потерь на отражении и эффективного захвата света фронтальная поверхность текстурирована и просветлена двухслойным покрытием ZnS/MgF₂. В результате отражение от фронтальной поверхности ФЭП не превышало 3 %. Тыльный токосъемный электрод являлся одновременно и тыльным рефлектором, а контакт с базовым кристаллом осуществлялся через систему отверстий в слое пассивирующего окисла, как это показано на рисунке 5.1. Диаметр этих отверстий составлял 10-20 мкм, а их общая площадь не превышала нескольких процентов от площади тыльной поверхности ФЭП, что обеспечило высокие электрические характеристики токосъемного электрода и сохранение отражающей способности тыльного рефлектора [16].

Таким образом, ФЭП с PERL- структурой вобрал в себя все наилучшее в эволюции кремниевых ФЭП с p-n переходом. Однако, высокая стоимость монокристаллов кремния, получаемых методом бестигельной зонной плавки, исключает в ближайшее время коммерческое применение ФЭП с PERL- структурой даже несмотря на их выдающиеся характеристики.

5.2 ФЭП с DSBC- структурой

Типичным представителем коммерчески ориентированных кремниевых фотопреобразователей является ФЭП с DSBC- структурой (Double-sided, buried contact; двухсторонняя чувствительность, вжигаемые электроды), схематически показанный на рисунке 5.2. Данный ФЭП в режиме облучения АМ1,5 имеет следующие выходные параметры: U_XX » 663-665 мВ, J_КЗ » 32,6-36,6 мА/см², FF » 0,76-0,78 и η » 16,8-18,6 %,.

Конструкция ФЭП с DSBC-структурой ориентирована на достижение максимальной эффективности ФЭП и минимальных производственных затрат одновременно. Изготавливаются на базовых кристаллах как р- так и n-типа. Как и в ФЭП с PERL- структурой, для уменьшения рекомбинации носителей заряда, генерируемых высокоэнергетичными квантами света, диффузия донорной примеси проводилась так, чтобы толщина n⁺-слоя не превышала 0,2 мкм, области размещения элементов фронтального и тыльного токосъемных электродов дополнительно подлегировались. Система захвата света в DSBC ФЭП сильно упрощена по сравнению с примененной при создании ФЭП с PERL- структурой. Использование хаотической текстуры типа прямых пирамид позволило отказаться от формирования рисунка будущей текстуры с помощью фотолитографии. Роль двухслойного просветляющего покрытия и одновременно функцию пассивирующего слоя выполняет термически выращенный SiO₂,. Текстурированию и просветлению подвергались как фронтальная, так и тыльная стороны ФЭП. В наземных условиях подсветка тыльной поверхности ФЭП обычно обеспечивается путем размещения солнечной батареи на заснеженной или песчаной поверхности. Наличие р-n- перехода и на фронтальной и на тыльной сторонах ФЭП обеспечивает эффективное собирание носителей заряда, генерируемых поглощенными квантами света. Коэффициент отражения от фронтальной поверхности для DSBC ФЭП составляет 5-8 %, что вполне допустимо с учетом значительного упрощения технологии изготовления ФЭП. Фронтальный и тыльный токосъемные электроды формировались с помощью простой и очень эффективной технологии, при которой в канавки, вырезанные лазером на поверхности ФЭП, химически осаждается материал токосъемного электрода. Благодаря тому, что электрод утоплен в объем кристалла, достигаются большая площадь токосъемного контакта и защищенность электрода от повреждений в ходе эксплуатации. С учетом всех вышеописанных особенностей естественно, что более простым и дешевым является ФЭП с DSBC-структурой [4].

5.3 Отечественные ФЭП с рекордными значениями КПД

Лучшие образцы ФЭП, изготовленные в ГП НИТИП (Государственное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт приборостроения"), в режиме, соответствующем заатмосферному солнечному облучению, имеют следующие выходные параметры: U_XX » 621 мВ, J_КЗ » 40-42 мА/см², FF » 0,74-0,78 и η » 13,5-14,9% [14]. Такие значения выходных параметров были получены для образцов ФЭП серии 6H, особенности конструкции которых представлены на рисунке 5.3.

Базовые кристаллы данных ФЭП получены методом Чохральского и имеют толщину 350 мкм. Диффузионные n⁺- и p⁺- слои ФЭП легируются атомами фосфора и бора, соответственно, до уровня 10¹⁹–10²⁰ см^-3, а их толщины составляют 0,8-1,1 мкм. Токосъемный электрод со стороны n⁺-слоя состоит из контактирующего с ним слоя титана толщиной около 0,1 мкм, поверх которого находится слой алюминия толщиной около 2 мкм. На фронтальную поверхность, пассивированную SiO₂ толщиной не более 10 нм, нанесено просветляющее покрытие из TiO₂. толщиной около 80 нм. Со стороны p⁺-слоя токосъемный электрод выполнен из алюминия толщиной около 2 мкм. Данная конструкция токосъемных электродов обеспечивает омичность их контакта с соответствующими диффузионными полупроводниковыми слоями. На рисунке 5.3 обозначены геометрические размеры гребенчатого фронтального токосъемного электрода, благодаря которым уменьшается степень затенения светопоглощающей поверхности до 7%.

Таким образом, можно сделать вывод, что предельные возможности отечественных ФЭП на основе монокристаллического кремния далеко не реализованы.