Прозрачные электроды из наноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов для высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементовНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2010 г.-31 декабря 2010 г. Прозрачные электроды из наноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов для высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов
Результаты этапа: Разработанная в ходе предыдущих грантов РФФИ пленка легированного фтором оксида индия (IFO - Indium Fluorine Oxide), полученная методом ультразвукового спрей пиролиза для применения в качестве прозрачного электрода кремниевых солнечных элементов (СЭ), обнаружила одно уникальное свойство, которое отличает ее от всех известных пленок прозрачных проводящих оксидов (TCO – trans-parent conducting oxide). Это свойство заключается в способности формировать сильно выпрямляющий барьерный контакт к кремнию р-типа (p-Si). Ранее мы по-казали, что барьерными свойствами гетероперехода IFO/p-Si можно управлять параметрами процесса осаждения с целью увеличения фотоэлектрических параметров - фотонапряжения Uoc и фактора заполнения FF кривых Suns-Uoc. Кроме того, было обнаружено, что отжиг в аргоне с парами метанола, как правило, увеличивает эти параметры, однако в процессе многочисленных экспериментов иногда получали образцы, отжиг которых приводил к уменьшению параметров. Была выдвинута гипотеза, что свойства переходного слоя на границе раздела IFO/p-Si, в котором сосредоточен положительный встроенный заряд, индуцирующий барьер в p-Si, определяются суммарной дозой теплового воздействия, которому подвергается структура в процессе осаждения пленки IFO и последующего от-жига. Проверке этой гипотезы была посвящена работа, проведенная в 2010 году, а имен-но, было исследовано влияние длительности процесса осаждения в сочетании с продолжительностью отжига на фотоэлектрические свойства IFO/p-Si гетероструктур, на сопротивление IFO/n+-Si контракта и на химический состав пленок IFO. Обнаружено, что в процессе осаждения пленки IFO фотонапряжение Uoc и фактор заполнения FF кривых Suns-Uoc для структур IFO/p-Si коррелирует с сопротивлением IFO/n+-Si контакта, при этом максимальные значения Uoc и FF получены для пленок IFO, осажденных в течение 3-3.5 мин. Если пленку IFO осаждали не более 3.5 минут, то параметры Uoc и FF могли быть значительно увеличены отжигом, если же длительность осаждения превышала 3.5 мин., то отжиг приводил к уменьшению Uoc и FF. Полученные результаты соответствуют выдвинутой гипотезе и, более того, имеют важное практическое значение. Основанная на этой новой информации оптимизация процесса изготовления IFO/p-Si гетероперехода позволила значительно увеличить эффективность СЭ IFO/(pp+)Cz-Si, с 17.0% (Uoc = 596 mV) до 17.8% (Uoc = 618 mV). Это самая высокая эффективность, когда-либо полученная для СЭ на основе TCO/Si гетеропереходов.
2 1 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. Прозрачные электроды из наноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов для высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов
Результаты этапа: Основная задача проекта состоит в том, чтобы разработать прозрачные электроды из пленок прозрачных проводящих оксидов TCO (Transparent Conducting Oxide) для двусторонних кремниевых солнечных элементов (СЭ) на основе TCO/[p+(p или n)n+]Si/TCO структуры. В новых конструкциях СЭ с развитой поверхностью, в частности, текстурированной лазерным или фотоэлектрохимическим методами, пленки ТСО особенно востребованы. Наконец, после гидрогенизации СЭ низкотемпературные контакты также предпочтительны. При этом, как показывает опыт, на n+-Si поверхности наилучшие результаты показывает электрод из пленки In2O3:F (IFO), осажденный при высокой температуре, в то время как на p+-Si поверхности - пленки In2O3:Sn (ITO), а также ZnO. Причем наносить пленки ITO и ZnO можно только после нанесения IFO и только при низ-кой температуре (до 400 °С), поскольку, если их наносить при более высокой температуре, то пленка IFO деградирует. Однако известно, что с уменьшением температуры осаждения удельное сопротивление пленки ITO ρito увеличивается, что может негативно сказаться на сопротивлении контакта ITO/металл и на общем последовательном сопротивлении СЭ. Работа 2011 г. была направлена на минимизацию ρito пленок ITO, осажденных методом ультразвукового спрей пиролиза при низкой температуре (380°С). С этой целью были исследованы: 1) влияние ρito на сопротивление контакта ITO/металл; 2) зависимости ρito, эффективного поглощения и стабильности пленок ITO от (i) концентрации воды и (ii) концентрации Sn в пленкообразующем растворе. В результате проведенных исследований были выяснены следующие важные закономерности, что - удельное сопротивление контакта ITO/металл увеличивается на 3 порядка от <0.001 Ω∙см2 до ~1 Ω∙см2 с ростом ρito от 0.0004 до 0.01 Ω∙см; - увеличение концентрации воды в пленкообразующем растворе с 2 до 7М приводит к уменьшению ρito с ~3 мΩ∙см2 до ~0.4 мΩ∙см2 для состаренных образцов; - при вариации концентрации Sn в пленкообразующем растворе оптимальные (минимальные) параметры показали пленки, полученные при Sn/In = 2–3 at.% в растворе: эффективное поглощение пленок на стекле, взвешенное по солнечно-му спектру в диапазоне длин волн 300-1100 нм, составило 1.6–2.1%, слоевые сопротивления пленок Rs на кремнии - 45–55 Ω/□, на стекле - 165–175 Ω/□. Че-рез 8 месяцев Rs оптимальных пленок не изменилось, у остальных пленок Rs выросло: на кремнии - до 2 раз, на стекле – до 14 раз. Применение оптимизированных пленок ITO в СЭ IFO/[n+(n или p)p+]c-Si/ITO конструкции Laminated Grid Cell (LGCell) позволило минимизировать оптико-резистивные потери, связанные с затенением и последовательным сопротивлением, и получить уникальные СЭ, которые являются одновременно двусторонними, концентраторными и при этом обладают высокой эффективностью. Получены СЭ с эффективностью (лицевое/тыльное освещение) 17.7 18.0 / 13.3–13.6% при концентрации 1-6 солнц из кремния p-типа и 17.0–17.2 / 15.0–15.5% для 2–5 солнц из кремния n-типа. Полученные результаты имеют важное практическое значение и не имеют аналогов. В 2011 г. опубликованы 4 статьи и одна статья послана в печать. Четыре статьи опубликованы в трудах 26-й Европейской конференции по фотовольтаическому преобразованию солнечной энергии (Гамбург, 5-9 сентября 2011 г.)
3 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Прозрачные электроды из наноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов для высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов
Результаты этапа: Проект направлен на решение фундаментальной задачи солнечной фотоэнергетики – снижение стоимости электричества, вырабатываемого солнечными элементами (СЭ) из кристаллического кремния. Для достижения этой цели в кремниевой фотовольтаике разрабатываются различные подходы, из которых наиболее перспективными являются семь: (i) увеличение эффективности СЭ; (ii) уменьшение толщины СЭ; (iii) разработка новых методов формирования контактов с уменьшенным со-держанием серебра или без него; (iv) разработка новых конструкций СЭ с контактами на тыле; (v) разработка СЭ из кремния n-типа; также предпочтительно, чтобы СЭ были (vi) двусторонними и (vii) концентраторными. Доминирующий последние 30 лет в промышленности СЭ, изготавливаемый по технологии screen-printing, не отвечает этим задачам. Цели всех этих направлений могут быть реализованы в разрабатываемой авторами проекта конструкции СЭ Laminated Grid Cell (LGCell), основанной на использовании (1) пленки прозрачного проводящего оксида TCO (Transparent Conducting Ox-ide) в качестве просветляющего и пассивирующего электрода и (2) контактной сетки из проволоки в структуре TCO/[p+(p или n)n+]Si/TCO. Ключевым элементом СЭ LGCell являются пленки ТСО. Авторами проекта был впервые сформулирован и экспериментально обоснован научный подход к критериям подбора и оптимизации свойств пленок ТСО применительно к n+- и p+-Si поверхностям СЭ, в то время как доминирующим подходом является оптимизация свойств по критерию качества, выработанного для пленок ТСО, синтезированных на стекле, применительно, например, к дисплеям, светодиодам и т.д., а не к СЭ. В данном проекте были получены следующие важные научные и практические результаты для пленок ТСО, синтезированных методом спрей пиролиза. 1). Легированный фтором оксид индия IFO (Indium Fluorine Oxide) – пленка, разработанная авторами проекта. Как было показано, IFO является единственной из известных пленок ТСО, которая может эффективно служить электродом к n+-Si поверхности. Главный результат данного проекта состоит в изучении комбинированного влияния длительности процесса осаждения пленки IFO в сочетании с про-должительностью ее отжига. В результате оптимизации сочетания этих процессов свойства пленки были значительно улучшены, что было подтверждено ростом КПД СЭ. 2). Легированный оловом оксид индия IТO (Indium Tin Oxide) – пленка, которая может эффективно служить электродом к р+-Si поверхности. Были исследованы (i) влияние удельного сопротивления ITO ρito на сопротивление контакта ITO/металл; (ii) зависимости ρito, эффективного поглощения и стабильности электрических параметров пленок ITO от (a) концентрации воды и (b) концентрации Sn в пленкообразующем растворе. Применение оптимизированных пленок ITO в СЭ позволило значительно повысить их КПД, особенно за счет уменьшения последовательного сопротивления СЭ. 3) Легированный галлием, индием и оловом оксид цинка (ZnO). Исследовано влияние концентрации легирующей примеси (Ga) в пленкообразующем растворе а также отжига пленок, синтезированных на кремнии и на стекле, на их морфологию, состав, спектры поглощения, эффект Холла, удельное сопротивление и его деградацию во времени, а также на фотонапряжение ZnO/(nn+)Si, ZnO/(pp+)Si и ZnO/(n+pp+)Si структур. Основной вывод состоит в том, что пока еще удельное со-противление легированных пленок ZnO, синтезированных методом спрей пиролиза, выше, чем у пленок IFO и ITO, что приводит к увеличению последовательного сопротивления СЭ и снижению их КПД. 4) Солнечные элементы LGCell. Все исследования пленок ТСО в данном проекте завершались их применением в СЭ. Наилучшее сочетание параметров СЭ получено при использовании пленок IFO и ITO, соответственно, на n+ и p+ поверхностях. Получены двусторонние концентраторные LGCell c ITO/[p+(p или n)n+]Si/IFO структурой, эффективность которых составила: (i) для кремния n-типа при лицевом/тыльном освещении 1–3 солнца, соответствен-но, 16.7–16.9%/16.3–16.5% (при 20–50 % альбедо даже без концентрирования света энерговыработка такого двустороннего СЭ будет соответствовать энерговыработке одностороннего СЭ с эффективностью 20–24.9%). (ii) для кремния p-типа при лицевом/тыльном освещении 1-6 солнц, соответственно, 17.7 18.0/13.3–13.6% (при 20–50 % альбедо даже без концентрирования света энерговыработка такого двустороннего СЭ будет соответствовать энерговыработке одностороннего СЭ с эффективностью 20.4–24.4%) Этот результат, во-первых, не уступает мировому уровню как в классе двусторонних СЭ, так и в классе концентраторных СЭ, и, во-вторых, сочетание в СЭ свойств двусторонности и концентраторности является уникальным и не имеет аналогов. По результатам проекта опубликовано 17 статей, из них 8 – в реферируемых журналах и 9 – в трудах международных конференций

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".