ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОДЛОЖЕК НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Требования к гибким подложкам достаточно многочисленны. Одними из основных является обеспечение требуемой шероховатости поверхности, вакуумная совместимость, обеспечение одинаковых коэффициентов термического расширения, химическая инертность, материал подложки не должен вступать в реакцию и не должен диффундировать в синтезируемую пленку, удовлетворять требованиям стоимости, потребляемой энергии, доступности, веса.

Основными кандидатами для использования в качестве гибких подложек являются металлы и полимеры [1]. Из полимеров, в основном, применяется полиимид. Однако он устойчив только до температур 400 ⁰С, что недостаточно для получения высококачественных слоев солнечных элементов. Среди металлов наиболее подходящими является аустенитная и хромовая сталь, Ti, Mo, Al и некоторые сплавы. Наиболее подходящими материалами являются хромовая сталь из-за невысокой стоимости и Ti из-за небольшого веса, тогда как Al и аустенитная сталь проигрывают в связи с их очень высоким коэффициентом термического расширения и проблемами с адгезией.

Преимуществом металлических фольг является их механическая и температурная стабильность, превышающая 600 °C.

Исходя из опыта применения металлических подложек, наилучшая эффективность солнечных элементов на металлических фольгах при использовании одинаковых технологических процессов на несколько процентов ниже, чем для приборов на стекле. Ограничения в эффективности обусловлены шероховатостью поверхности и загрязняющими примесями, диффундирующими из металлической фольги. Несмотря на то, что шероховатость поверхности является доминирующей для получения действующих приборов или этот эффект обусловлен влиянием различий в кинетике роста, либо элементы рельефа шероховатой поверхности являются источниками загрязняющих примесей.

Шероховатость характеризует уровень микронеровностей и связанное с ней понятие чистоты обработки поверхности. Шероховатость – совокупность неровностей поверхности с небольшой высотой и расположенных близко друг к другу. Измерение шероховатости основано на измерении профиля поверхности и вычислении параметра Rа. Для этого поверхность образца сканируют иглой профилометра и получают профилограмму.

Химическая полировка в качестве заключительной операции в технологической цепочке изготовления гибких подложек для солнечных элементов из титановых сплавов весьма привлекательна. Для химической полировки подложек из титана был использован травитель на основе двухкомпонентного водного раствора, содержащий его натрий фторид и аммоний персульфат. Химическая полировка снижает шероховатость поверхности подложек Rа порядка двух-трех раз.

На рисунке 2 приведена эквивалентная схема СЭ и схема измерения его характеристик [3].

R2 – последовательное сопротивление; R1 – шунтирующее сопротивление; R3 –сопротивление нагрузки; VD1 – n-p переход; I_д – ток n-p перехода; I_ш – ток шунта; I_ф – фототок СЭ

Рисунок 2. Эквивалентная схема СЭ и схема измерения его характеристик

В соответствии с эквивалентной схемой последовательное сопротивление R₂ – определяет все сопротивления, подключенные к генератору фототока I_ф, А, включая сопротивление p- и n- областей, контактной металлизации, переходные сопротивления полупроводник-металл и т.д. Шунтирующее сопротивление R₁, Ом, является одним из основных факторов снижения эффективности СЭ и определяет падение напряжения выходной цепи СЭ за счет токов утечки через p-n переход [3]. На рисунке 3 приведены расчетные графики влияния величины шунтирующего сопротивления на форму ВАХ, а на рисунке 4 приведен расчетный график зависимости эффективности от изменения шунтирующего сопротивления СЭ.

Рисунок 3. Вид ВАХ для CIGS СЭ при различных шунтирующих сопротивлениях (R₁ = 10, 30, 100, 300, 1000 Oм/cм² (кривые сверху вниз))

Рисунок 4. Зависимости эффективности преобразования СЭ от величины шунтирующего сопротивления

Шунтирующее сопротивление оказывает большое влияние на эффективность преобразования E_ff, %, только до величины сопротивления 1 кОм. Дальнейшее увеличение шунтирующего сопротивления почти не влияет на вид ВАХ. Однако, при величине шунтирующего сопротивления менее 100 Ом наблюдается резкое снижение эффективности.

В качестве причин появления шунтирующего сопротивления являются следующие факторы:

– плохая пассивация p-n перехода, вызывающая токи утечки перехода;

– введение структурных дефектов по периферии p-n перехода при скрайбировании СЭ по заданному размеру;

– структурные нарушения пленки СЭ.

Исследования повышения R₁, Ом, в частности, уменьшение шероховатости положек, были проведены на образцах CIGS СЭ, нанесенных на различные подложки с различным уровнем шероховатости. Измерения проводились на промежуточном этапе изготовления СЭ до нанесения прозрачно-проводящего слоя n-ZnO.

Результаты измерения величины токов утечки p-n переходов при напряжении 6 мВ в темноте методом индиевого зонда и рассчитанные значения R₁ приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость величины тока утечки I₀ и шунтирующего сопротивления R₁ от величины шероховатости подложки Ra

Данные таблицы 1 показывают, что при величине шероховатости подложек Ra < 0.1 величина шунтирующего сопротивления R₁ > 1 кОм и оно не будет оказывать большого влияния на эффективность преобразования СЭ, т.е. для достижения приемлемой эффективности преобразования СЭ необходимо обеспечить величину шероховатости подложек Ra < 0.1.

Список литературы:

1. Тонкопленочные солнечные элементы на гибких подложках [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/tonkoplenochnye-kremnievye-solnechnye-elementy-na-gibkih-podlozhkah/viewer.
2. Шероховатость поверхности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://stankiexpert.ru/tehnologii/sherokhovatost-poverkhnosti.html.
3. Эквивалентная схема фотоэлектрического элемента и ее параметры [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ea.donntu.org:8080/jspui/bitstream/123456789/26961/1.pdf