Оптические свойства гетероструктур Cu2ZnSnSe4/Si, предназначенных для изготовления солнечных элементов

АННОТАЦИЯ

В статье приведены оптические свойства созданных гетероструктур Cu₂ZnSnSe₄/Si, предназначенных для изготовления эффективных солнечных элементов.

ABSTRACT

The article describes the optical properties of Cu₂ZnSnSe₄/Si heterostructures intended for the manufacture of efficient solar cells.

Ключевые слова: гетероструктура, оптические свойства, эффективный, солнечный элемент, полупроводник, пленок, отражения, поглощения, пропускания.

Keywords: heterostructure, optical properties, effective, solar cell, semiconductor, films, reflection, absorption, transmission.

Интенсивно растет интерес к полупроводниковым гетеропереходам благодаря ряду их преимуществ по сравнению с гомопереходами. Гетеропереходы (ГП) широко используются в электротехнике и фотовольтаике. При изготовлении солнечных элементов  (СЭ) на основе ГП, в качестве поглощающего слоя используются прямозонные полупроводники с большим коэффициентом оптического поглощения. Полупроводниковое четверное соединение Cu₂ZnSnSe₄ (CZTSe) представляет большой интерес для создания эффективных СЭ [1, 2].

Первые СЭ на основе тонких пленок CZTSe(S) были получены в 1996 в работе H.Katagiri et al., выполненной в Nagaoka National College of Technology (NCT), путем сульфиризации в атмосфере N₂+H₂S (5%) стек-прекурсоров Cu/Sn/Zn методом распыления электронным пучком. Далее на основе пленок CZTSe(S) были сформированы СЭ со структурой SLG/Mo/CZTSe(S)/CdS/ZnO/Al. Эффективность фотоэлектрического преобразования первых элементов составила 0,66 %. В течение дальнейших лет усилия исследователей из Nagaoka NCT были направлены на увеличение эффективности этих СЭ на основе CZTSe, для чего был принят ряд мер. В работе [3] время сульфиризации было сокращено с 7 ч до 1 ч, температура сульфиризации повышена с 500 до 550 ºС, а вместо металлической мишени Zn при получении прекурсоров использованы мишени ZnSe. Это привело к увеличению размера зерна CZTSe и эффективности фотоэлектрического преобразования СЭ на основе CZTSe(S) до 2,62 %. Затем было достигнуто к уменьшению последовательного сопротивления и увеличению эффективности фотоэлектрического преобразования до 6,77 % [4].

Пионерские работы авторов из Nagaoka NCT продемонстрировали большой потенциал технологии тонких пленок CZTSe(S), что привлекло внимание мировой научной общественности к данному материалу. К разработке таких фотоэлектрических структур подключилось большое число исследовательских групп со всего мира.

В последние годы опубликованы несколько научных работ по получению тонких пленок CZTSe(S) и разработке фотопреобразователей на его основе, который является одним из перспективных направлений повышения эффективности полупроводниковых СЭ [5-7]. Всем вышеперечисленным требованиям в полной мере удовлетворяет такой материал, как CZTSe(S), который состоит из широко распространенных в природе и доступных компонентов (медь, цинк, олово, селен/сера).

Ввиду интенсивного развития технологии получения пленок CZTSe и приборов на их основе, выражающегося в ежегодном увеличении числа работ по данной теме, обзоры пятилетней давности частично утратили свою актуальность. Более детально рассматриваются структура и способы получения данного соединения. Технологические процессы получения границы раздела системы Cu₂ZnSnSe₄/Si, а также процессы последовательного разделения неравновесных носителей заряда (НЗ) в них, притягивают больше внимания учёных, чем оптические свойства самих поверхностных пленок CZTSe и базового основания Si. Поэтому, остается мало решенным вопрос об оптических свойствах системы Cu₂ZnSnSe₄/Si, предназначенных для изготовления эффективных СЭ, к чему посвящена данная работа.

Известно, что пленки CZTSe имеют относительно большим коэффициентом поглощения оптического излучения [8]. Это представляло преимущество пленок CZTSe в качестве экономического и чистого материала для изготовления тонкопленочных эффективных СЭ.

В данной работе проведено расчетное исследование влияния толщины пленок CZTSe в структурах CZTSe/Si на их оптические параметры такие, как спектральное распределение коэффициента отражения и поглощения в зависимости от длины волны светового излучения. Структуры исследованы условиях освещения АМ1,5G (1000 Вт/м²). В качестве CZTSe использованы пленки толщиной 4÷100 нм, при этом толщина базового кремния составляла 200 мкм. (Рис. 1).

а

б

в

Рисунок 1. Оптические спектры для системы CZTSe/Si с различной толщиной пленок CZTSe и подложечного Si толщиной 200 мкм: а – общее отражение; б – поглощение на подложке; в – пропускание системы, ( - плёнка CZTSe с толщиной 1 нм и - плёнка CZTSe с толщиной 20 нм)  

На рис.1 представлены спектральные характеристики полученных структур CZTSe/Si, рассчитанные с использованием программных средств PVlighthouse. Можно отметить, что с ростом толщины пленки CZTSe существенно изменяется спектральное поглощение светового излучения в базовом кремнии. Коротковолновая часть спектра больше поглощается в пленке.

Как видно из графиков полное отражение света и поглощение в кремниевой основе существенно зависит от толщины CZTSe пленки. С ростом толщины CZTSe пленки с 1 нм до 20 нм поглощение улучшается в области коротких длин волн. При дальнейшем росте толщины пленки наблюдается некоторое снижение коротковолновой чувствительности структуры и, следовательно, повышается уровень отражения света в данной области спектра.

Из полученных результатов можно заключить, что при создании СЭ на основе структур CZTSe/Si необходимо оптимально выбрать толщину пленки CZTSe. Повышение толщины d > 20 нм пленочного слоя CZTSe приводит к некоторому ухудшению оптических свойств целой структуры CZTSe/Si, что представляет нецелесообразность эффективного фотоэлектрического преобразования. Кроме того, если выбрать большие толщины CZTSe, то необходимо предпринять меры для эффективного собирания носителей заряда из CZTSe слоя. С другой стороны, результаты свидетельствуют о возможном снижении толщины базового полупроводникового кремния, на пример за счет использования дешевых и низкоомных сортов кремния в качестве подложки.

Другим важным способом улучшения оптических свойств указанных структур является использование антиотражающих пленок из различных материалов. Выбор такого материала и толщины пленок будет объектом дальнейших исследований.

Список литературы:
1. Sze S.M., Kwok K.N. Physics of semiconductor device. New Jersey, Wiley, 2007. 245 p.
2. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат, 1987. 280 с. (Пер. с англ.: Fahrenbruch A.L., Bube R.H. Fundamentals of solar cells. Photovoltaic solar energy conversion. N.Y., 1983. 280 p.)
3. Katagiri H., Saitoh K., Washio T. et al. Development of thin film solar cell based on Cu2ZnSnS4 thin film. 11th Tech. Dig. Photovoltaic Science and Engineering Conf., Sapporo, 1999, pp. 647 (in Eng.).
4. С.А.Башкиров, Р.Кондротас, В.Ф.Гременок, Р.Л.Юшкенас, И.И.Тюхов Тонкие пленки Cu2ZnSn(S,Se)4 для использования в солнечных элементах третьего поколения. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15-18 (203-206) 2016, c. 31-53.
5. Mitzi D.B., Gunawan O., Todorov T.K. et al. The path towards a high-performance solution-processed kesterite solar cell // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2011. Vol. 95. P. 1421–1436.
6. Wang H. Progress in thin film solar cells based on Cu2ZnSnS4 // Inter. J. Photoenergy. 2011. Vol. 2011. P. 801292.
7. Abermann S. Non-vacuum processed next generation thin film photovoltaics: towards marketable efficiency and production of CZTS based solar cells // Solar Energy. 2013. Vol. 94. P. 37–70.
8. А.Юсупов, К.Адамбаев, С.Р.Алиев, З.З.Тураев, A.Кутлимратов Создание и электрические свойства гетеропереходов р-Cu2ZnSnS4/n-Si // Письма в ЖТФ, том 43 вып. 2, 2017. с. 98-102.