Лидирующее положение среди тонкопленочных солнечных элементов заняли различные гетероструктуры на основе тонких пленок соеди­нений AllBYl, особенно сульфида кадмия [169, 170]. В первых сол­нечных элементах из этого полупроводникового материала [171] для создания разделяющего барьера на поверхность сульфида кад мия наносились полупрозрачные слои серебра, меди, золота или платины. Практически все последующие солнечные элементы были получены на основе гетероперехода сульфид меди—сульфид кадмия, причем сульфид меди образовывался путем замещения атомов кад­мия атомами меди в ходе химической реакции (при температуре 90—95° С) сульфида кадмия с однохлористой медью в жидкой [172, 173] или твердой фазе [174]. В последнем случае однохлористая медь предварительно наносилась на поверхность пленок сульфида кадмия напылением в вакууме.

Первый метод называется «мокрым». При его использовании поверхность солнечных элементов и самого гетероперехода носит развитый характер из-за многочисленных углублений и выступов зерен, увеличившихся в ходе химического травления. Это обстоя­тельство уменьшает коэффициент отражения света от поверхности солнечных элементов, но увеличивает обратный ток насыщения.

По второму методу, получившему название «сухого», образуется почти планарный гетеропереход, плоскопараллельный по отношению к подложке, но фоточувствительность пленок сульфида меди, полу­чаемых в ходе реакции в твердой фазе, несколько уступает фото­чувствительности пленок, образующихся «мокрым» способом.

Различают два типа тонкопленочных солнечных элементов на основе распространенной гетеросистемы сульфид меди—сульфид кад­мия: тыльно-барьерный и фронтально-барьерный [13, 19].

При фронтально-барьерной конструкции пленка сульфида кад­мия осаждается в квазизамкнутом объеме в вакууме на подогревае­мую до 200—300° С подложку из молибденовой фольги, полиимидной пленки или медной фольги, покрытой слоем цинка. Затем «сухим»

it в — сотни ангстрем; 3 — тысячи ангстрем

Рис. 2.23. Спектральная чувствительность фронтально-барьерного солнечного^ элемента на основе гетеросистемы сульфид меди—сульфид кадмия с нанесен­ными медными токосъемными контактами

it 2 — до и после термообработки соответственно

Рис. 2.24. Спектральная чувствительность фронтально-барьерных солнечных элемен­тов, полученных испарением в вакууме слоя селенида (1) и сульфида (2—6) меди на базовые слои из различных полупро­водниковых соединений

Zf 2 — CdS, 3 — Zno iCdo,9S,

4 — Zn0 isCdo’ssS, 5 — Zn0 4Cdo eS,

6 — ZnS

или «мокрым» способом создается слой сульфида меди. Контакт к этому слою наносится в виде сетки из медных полос, испаряемых в вакууме через трафаретные маски, или создается приклейкой с по­мощью токопроводящей пасты позолоченной медной сетки (или ее прижимом липким слоем защитной полимерной пленки).

При изготовлении тыльно-барьерных солнечных элементов на подогреваемую стеклопленку или пластину из стекла с прозрачным токопроводящим слоем оксидов олова Sn02 и индия Іп20з (ITO) или станната кадмия Cd2Sn04 [175] тем же способом наносится слой сульфида кадмия и так же создается гетеропереход сульфид меди — сульфид кадмия, причем контакт к слою сульфида меди в этом случае может быть сплошным, полученным испарением слоя меди, поскольку тыльно-барьерный тонкопленочный элемент освещается со стороны стекла.

Толщина слоя сульфида кадмия обычно составляет от 2 до 40 мкм, слоя сульфида меди от 0,05 до 0,15 мкм. Ширина запре­щенной зоны сульфида меди 1,2 эВ, сульфида кадмия 2,4 эВ [176];

спектральная чувствительность тыльно-барьерных элементов (рис. 2.22, кривая 2) в коротковолновой области отсутствует — в дан­ном случае, верхний по отношению к свету слой сульфида кадмия служит окном-фильтром, поглощающим практически все излучение с длиной волны короче 0,5 мкм. Спектральная чувствительность фрон­тально-барьерного солнечного элемента на основе гетеросистемы суль­фид меди — сульфид кадмия (кривая 1) и тыльно-барьерного (кри­вая 2), получена для изготовленных «мокрым» способом элементов со слоем сульфида меди толщиной несколько сотен ангстрем [177]. При увеличении толщины слоя сульфида меди до 0,15 мкм спектральная чувствительность фронтально-барьерных элементов в длинноволновой области спектра, как показывают измерения, проведенные в ряде работ [138, 172, 178], резко увеличивается (см. рис. 2.22, кривая 3). Эффект влияния на спектральную чувствительность фронтально­барьерного солнечного элемента на основе гетеросистемы сульфид меди—сульфид кадмия термообработки, проведенной после изготов­ления элемента и нанесения контактных медных полос йа его рабо­чую поверхность, хорошо виден на рис. 2.23 [179].

Вероятно, происходящая при термообработке диффузия атомов меди из контактов в поверхностный слой элементов улучшает как стехиометрический состав слоя сульфида меди, так и его фоточув­ствительность. Положение длинноволнового края чувствительности Элементов до термообработки (см. рис. 2.23, кривая 1) соответствует краю поглощения сульфида кадмия (Eg=2,4 эВ). Это дает основа­ние предположить, что коротковолновая область чувствительности фронтально-барьерных солнечных элементов на основе гетеросисте­мы сульфид меди—сульфид кадмия обусловлена сульфидом кадмия, в то время как за чувствительность во всех остальных интервалах спектра отвечает слой сульфида меди. Аналогичное усиление влия­ния термообработки после предварительного нанесения на поверх­ность элементов полупрозрачной пленки меди было отмечено также в работе [138].

Модель такого солнечного элемента ж его зонная диаграмма, ос­нованная на практически полном поглощении света в сульфиде меди, представлена в работах [176, 180]. Образованные светом в вырож­денном p~Cu2S-CHoe (роль акцепторов в нем играют вакансии меди, легирующие этот слой до концентрации дырок 1043 см~3) избыточ­ные неосновные носители заряда — электроны — диффундируют через гетеропереход или переносятся полем слоя объемного заряда в суль­фид кадмия. Предположение о преобладающем влиянии сульфида меди на фототок, генерируемый солнечными элементами данного типа, было подтверждено экспериментами по постепенному удалению этого слоя в процессе травления поверхности элементов, сопрово- ждавшемся резким падением их длинноволновой чувствительности.

Пленки сульфида меди, напыленные в вакууме на поверхность слоев сульфида кадмия, до термообработки практически не облада­ют фоточувствительностью и могут служить лишь прозрачными

Рис. 2.25. Зависимость тока короткого замыкания фронтально-барьерного тон­копленочного элемента на основе гетеросистемы сульфид меди—сульфид кад­мия от содержания меди в сульфиде меди при разном структурном составе отого слоя

1 — дюрлит+дигенит; 2 — дюрлит; 3 — халькоцити-дюрлит; 4 — халькоцит

Рис. 2.26. Спектральная зависимость коэффициента поглощения сульфида меди (1) и сульфида кадмия (2) токосъемными контактами к гетеропереходу [181]. Чувствитель­ность элементов в этом случае практически полностью определяется составом и свойствами базового слоя, которые могут быть изменены, например, добавлением к сульфиду цадмия некоторого количества такого широкозонного полупроводникового материала, как сульфид цинка с Е8=3,66 эВ [170]. Эта особенность напыленных в вакууме слоев сульфида меди была использована для создания серии детек­торов ультрафиолетового и видимого излучения с плавно изменяю­щейся спектральной чувствительностью (рис. 2.24) [181]. Состав слоя сульфида меди во многом определяет значение тока короткого замыкания тонкопленочных солнечных элементов на основе гетеро­системы сульфид меди—сульфид кадмия [138]. Из эксперименталь­ной зависимости /к.3 таких солнечных элементов от содержания меди в слое сульфида меди (от а: в формуле Cu*S) и от структурного состава соединения (рис. 2.25) [138] видно, что для получения высококачественных солнечных элементов этой структуры следует стремиться к образованию на поверхности сульфида кадмия слоя сульфида меди, возможно, более близкого по составу к халькоциту.

В работе [182] аналогичная зависимость от а: в формуле Cu*S представлена для напряжения холостого хода солнечных элементов в системе сульфид меди—сульфид кадмия.

В связи со столь явно выраженным влиянием слоя сульфида меди на свойства тонкопленочных солнечных элементов данной структуры большое внимание исследователей привлекает изучение

о возможности создания на их основе гибких, солнечных батарей с невысоким КПД (по сравнению с КПД батареи из монокристал — лических кремниевых пли арсенидо-галлиевых солнечных элемен­тов), но с довольно большим отношением мощности к весу.