Surface-Barrier CdTe Diodes for Photovoltaics

Abstract

В даній роботі проведено порівняльний аналіз застосування в енергетиці напівпровідникових сонячних елементів на основі монокристалічного, полікристалічного й аморфного кремнію (Si), а також телуриду кадмію (CdTe). Показано, що переваги тонкоплівкові технології й самого CdTe, як прямозонного напівпровідника, відкривають перспективу широкомасштабного виробництва конкурентоспроможних CdTe сонячних модулів (батарей). Описується технологія виготовлення підкладок, нанесення на пластинки індієвого омічного контакту, піддавання частини підкладок ряду додаткових обробок у водяній суспензії лужних металів, зокрема Li – CdTe:Li та проведення досліджень на них, а також на хімічно травлених підкладках, які не пройшли ніяких додаткових обробок і умовно позначені CdTe. Вивчаються можливості застосування для фотоперетворювачів приладів на основі монокристалічного CdTe, які називаються поверхнево-бар’єрними діодами (ПБД). Обговорюються технологічні досягнення, які призводять до змін фізико-хімічних властивостей поверхонь монокристалічних n-CdTe підкладок (їх основних оптичних, електричних та фотоелектричних параметрів, а також характеристик контактів метал-напівпровідник на базі монокристалічного телуриду кадмію). Аналізуючи властивості об'єктів досліджень слід відмітити, що модифікація поверхні впливає не тільки на величину висоти потенціального бар'єру, але також істотно змінює характер протікання електричних та фотоелектричних процесів, а морфологія поверхні підкладок CdTe:Li залишається подібною немодифікованим, хоча величина ПБД на їх основі помітно вище. Також встановлено, що швидкість поверхневої рекомбінації ПБД на базі підкладинок з поверхневою наноструктурою на два і один порядок менше, ніж в структурах на основі базових підкладинок і оброблених в суспензії солей лужних металів відповідно. Модифікація підкладок призводить до збільшення ефективності сонячних елементів (СЕ), причому найбільша ефективність фотоперетворення СЕ спостерігається для ПБД на базі підкладок з поверхневою наноструктурою і становить 9 % при температурі 300 К за умови освітлення АМ2. Розглядаються способи використання технологій, запропонованих у роботі, для створення поверхнево-бар’єрних фотоелементів на основі тонких плівок CdTe.

In this paper, a comparative analysis of the use of semiconductor solar cells based on single-crystal, polycrystalline and amorphous silicon (Si), as well as cadmium telluride (CdTe) in the energy sector is carried out. It is shown that the advantages of thin-film technology and CdTe itself as a direct-gap semiconductor open the prospect of large-scale production of competitive CdTe solar modules (batteries). The technology of manufacturing substrates, applying indium ohmic contact to the plates, exposing some of the substrates to a number of additional treatments in an aqueous suspension of alkali metals, in particular Li – CdTe:Li and conducting research on them, as well as on chemically etched substrates that have not undergone any additional processing and conventionally designated CdTe. The possibilities of using devices based on single-crystal CdTe, which are called surface barrier diodes (SBDs), are being studied for converters. Technological advances that lead to changes in the physicochemical properties of single-crystal surfaces of n-CdTe substrates (their main optical, electrical, and photoelectric parameters, as well as the characteristics of metal-semiconductor contacts based on single-crystal cadmium telluride) are being discussed. Analyzing the properties of the research objects it should be noted that surface modification not only affects the potential barrier height but also significantly changes the course of electric and photoelectric processes, while the surface morphology of CdTe:Li substrates remains similar to unmodified ones, although the SBDs based on them are noticeably higher. It was also found that the rate of surface recombination of SBDs based on substrates with a surface nanostructure is two and one orders of magnitude lower than in structures based on basic substrates and alkali metal salts treated in suspension, respectively. The modification of substrates leads to an increase in the efficiency of solar cells (SCs), and the highest photoconversion efficiency is observed for SBDs based on substrates with a surface nanostructure and reaches 9 % at 300 K under AM2 illumination. The methods of using the technologies proposed in this work for the creation of surface-barrier photocells based on thin CdTe films are considered.