В последнее время большое число исследований посвящено тонко­пленочным солнечным элементам на основе аморфного кремния, так называемого а-Si,—интересного полупроводникового материала, ко­торый получается в основном разложением соединений кремния в высокочастотном разряде в вакууме. Достаточно полный обзор стремительно развивающихся начиная с 1969—1970 гг. работ по созданию солнечных элементов на основе a-кремния дан в работе [195]. В первых исследованиях было показано, что число состояний и рекомбинационных центров в запрещенной зоне аморфного крем­ния, полученного в разряде, на несколько порядков меньше, чем в кремнии, нанесенном на различные подложки методом испарения в высоком вакууме. Улучшению свойств аморфного кремния помо­гает включение в состав материала от 5 до 50 ат. % водорода, в ре­зультате чего образуется практически сплав кремния и водорода, что, в свою очередь, облегчает легирование материала фосфором или бором для создания проводимости п — или ц-типа соответственно. В таком кремнии сохранен ближний порядок атомов, благодаря чему структура элементарной ячейки одинакова как для кристаллическо­го, так и для аморфного состояний, а оборванные связи, обусловли­вающие отсутствие дальнего порядка, частично восстанавливаются с помощью элементов с положительным электронным сродством, подходящих по радиусу атома, например таких, как водород. Изу­чаются возможности дальнейшей модификации оптических и электрофизических свойств данного материала и улучшения его ста­бильности путем легирования фтором и углеродом [196].

Основным достоинством данного материала является высокий коэффициент поглощения а, более чем на порядок превышающий а монокристаллического кремния [197, 198]. На рис. 2.27 представ­лена зависимость а (К) для аморфного кремния [198]. Практически все фотоактивное для данного хматериала солнечное излучение погло­щается в нем на глубине 1,5—2,0 мкм, что позволяет использовать для изготовления солнечных элементов в 50—100 раз меньше доро­гого полупроводникового материала.

Однако результаты исследований аморфного кремния показали, что из-за малых значений времени жизни и диффузионной длины носителей заряда (£=0,05ч~0,1 мкм) в этом материале трудно по­лучить на его основе солнечные элементы с высоким КПД. Ширина запрещенной зоны пленок из аморфного кремния составляет от 1,6 до 1,8 эВ в зависимости от условий их осаждения [197, 198]. Самые

высокие значения КПД (от 3 до 7%) получены в настоящее время при использовании для создания солнечных элементов p—i—n-струк­тур и барьеров Шоттки с платиной и хромом. Расширение области объемного заряда в элементах таких конструкций приводит к тому, что большая часть солнечного излучения поглощается непосредствен­но в этой области и тем самым обеспечивается дальнейший рост КПД. Легирование бором или фосфором способствует увеличению коэффициента поглощения (см. рис. 2.27), однако уменьшает время

Рие. 2.27. Спектральная зависимость коэф­фициента поглощения кремния

1 — монокристаллический; §

2 — не легированный аморфный с водородом, ^ 3, 4 — аморфный п — и p-типа соответственно

жизни носителей заряда. В результате солнечный элемент из аморф­ного кремния на основе р-п- или р—і—^-структуры имеет низкий коэффициент собирания в длинноволновой области спектра и пони­женный в коротковолновой при плохом качестве п+- и р+-слоя [197] В этом отношении структуры с барьером Шоттки предпочтитель­нее — в них полнее собираются носители заряда, рожденные светом в тонких поверхностных слоях [199],

Напряжение холостого хода таких элементов достигает 0,8 В, однако плотность генерируемого фототока не превышает 12 мА/см2 при КПД около 5,5% в условиях измерения на Солнце со спектром АМ1 [199].

Еще одна нерешенная проблема в области создания тонкопле­ночных солнечных элементов из аморфного кремния — уменьшение переходного сопротивления контакт—полупроводниковый слой, кото­рое у многих элементов составляет от 3 до 10 Ом*см2, что приводит к ухудшению вольт-амперной характеристики и низким значениям коэффициента ее заполнения.

Использование тянущих электростатических полей, рост прово­димости р+~слоя при одновременном увеличении его прозрачности, благодаря чему большее количество света будет попадать в слой объемного заряда, многократное отражение света от границ пленки внутри нее, применение отражающих контактов из алюминия, се­ребра, хрома позволят улучшить свойства перспективных тонкопле­ночных солнечных элементов из аморфного кремния, например полу­чить Uxx около 1,1 В и /кз порядка 15—20 мА/см2, что даже при коэффициенте заполнения вольт-амперной характеристики не более 0,6 будет означать достижение КПД около 10%. Увеличения КПД солнечных элементов из аморфного кремния следует добиваться
одновременно с улучшением стабильности их характеристик, ибо фотопроводимость некачественных пленок a-Si: Н может уменьшить­ся в десять раз и более за семь-восемь часов непрерывного освеще­ния, а при нагреве выше 300° G начинается экзодиффузия водорода из пленок, резко ухудшающая их параметры. Улучшению стабиль­ности и качества пленок аморфного кремния способствует трехста­дийный метод их получения [200].

Сначала на подложку наносится пленка a-Si, не содержащая водорода (методом испарения в высоком вакууме с помощью

Рис. 2.28. Спектральная зависимость коэффициента собирания кремниевых солнечных элементов

1 — аморфный кремний с р—і—?г-етрл ктл — рой и пленкой ІТО со стороны падаю­щего света;

2 — монокристаллический кремний с Р—и — переходом на глубине 0,3 мкм

электронного луча или термически). Скорость конденсации этого слоя 2—5 А/с. Затем проводится отжиг, уплотняющий пленку и уменьшающий количество и объем микропустот. После этого осу­ществляется гидрогенизация пленок a-Si путем обработки в водо­родной плазме с использованием сильноточных плазменных источ­ников, позволяющих получить ионы водорода с энергией 20—25 кэВ, насыщающие пленки аморфного кремния водородом на глубину до 0,3 мкм. Такой трехступенчатый метод приводит к получению ста­бильных пленок аморфного кремния высокого качества, вероятно, за счет практического отсутствия микропустот в пленке.

Стабилизации свойств пленок аморфного кремния и увеличению их фотопроводимости способствует также лазерный отжиг [201, 202], ионное легирование [203], подогрев подложки до 200—400° С при нанесении пленок [204]. У солнечных элементов с р—і—^-структу­рой и прозрачным проводящим окном из двуокиси олова КПД достиг 7,5% и, как ожидается, будет поднят до 10% [205].

Несмотря на относительно невысокий КПД, уже в настоящее время небольшие экономичные солнечные батареи, состоящие из восьми последовательно соединенных солнечных элементов из аморф­ного кремния, вырабатывающих мощность всего лишь 4,5 мкВт/см2 при свете люминесцентной лампы (освещенность 300 люкс), широко используются на практике для электропитания малогабаритных электронных часов и калькуляторов со световыми индикаторами на жидких кристаллах [198]. Спектральная чувствительность элемен­тов из аморфного кремния в близкой к ультрафиолетовой области солнечного спектра превосходит чувствительность солнечных эле­ментов из монокристаллического кремния (рис. 2.28) [198] и на­
поминает спектральную зависимость чувствительности человеческого глаза, что делает перспективным применение таких элементов также в фото — и киноэкспонометрах.