Новое исследование проливает свет на дефекты, связанные с пассивацией, в солнечных элементах с гетеропереходом
Аккумулятор FIAMM 12FGH50
Корейские исследователи выяснили, что потери эффективности в солнечных элементах с гетеропереходом возникают из-за двух сосуществующих типов дефектов — оборванных связей и слабых связей кремний-кремний. Их открытие объясняет, как пассивация водородом аморфного кремния помогает устранить эти дефекты и повысить производительность элементов.
Группа учёных под руководством Корейского института энергетических исследований (KIER) провела обширное исследование дефектов в кремниевых солнечных элементах с гетеропереходом и обнаружила прямую связь между этими дефектами и качеством пассивации.
«Традиционный анализ дефектов в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах в основном сосредоточен на измерении концентрации дефектов, — рассказал ведущий автор исследования Ка Хён Ким. — Такой подход упрощает восприятие дефектов, сводя их к „больше“ или „меньше“, и не учитывает важность качества дефектов. Кроме того, большинство методов определения характеристик исследуют только макроскопические реакции, поэтому они не могут определить вклад отдельных типов дефектов, что затрудняет понимание того, как смешанные дефекты влияют на свойства материала».
«В нашем исследовании мы показываем, что дефекты в кремниевых солнечных элементах с гетеропереходом динамически трансформируются, а не остаются в одном статическом состоянии, — продолжил он. — Разложив двухфазный переходный процесс изменения ёмкости на медленную и быструю составляющие, мы разделили смешанные дефекты, которые ранее считались единым целым. Эти две фазы отражают различные конфигурации дефектов, которые развиваются в разных временных масштабах и перестраиваются в зависимости от условий осаждения, наложения слоёв и отжига».
Исследовательская группа обнаружила, что качество пассивации определяется не только концентрацией дефектов, но и конфигурацией связей между дефектами. Эти конфигурации могут смещаться в сторону более глубоких или поверхностных уровней, и такие преобразования напрямую влияют на рекомбинацию на границе раздела гетероструктур. «Главная новизна этой работы заключается в том, что она представляет собой чёткую систему, связывающую преобразования дефектов с качеством пассивации. Этот новый подход позволяет более точно контролировать состояние дефектов и даёт практические рекомендации по оптимизации процессов в полупроводниковых гетероструктурах, в том числе в гетероструктурах с вертикальным переходом следующего поколения и тандемных солнечных элементах», — продолжил Ким.
Экспериментальная установка
В статье «Исследование преобразований смешанных дефектов и динамики пассивации в кремниевых солнечных элементах с гетеропереходом», опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, исследователи впервые продемонстрировали, что конкретные типы дефектов, вызывающие снижение эффективности в элементах с гетеропереходом, демонстрируют двухфазное поведение, включающее медленную и быструю фазы, соответствующие двум различным конфигурациям дефектов, связанных с пассивацией: оборванным связям (ОС) и слабым кремний-кремниевым (Si–Si) связям.
Известно, что оборванные связи (ОС) вызывают рекомбинационные потери в полевых транзисторах с изолированным затвором, в первую очередь снижая напряжение холостого хода элемента. Они действуют как крошечные «обрывки» соединений на поверхности кремния, служа ловушками для электронов. Аналогичным образом слабые связи Si–Si могут разрываться в ходе таких процессов, как распыление, травление или отжиг, создавая уязвимые участки на границе кремния. При разрыве они образуют дефекты, которые задерживают заряды и в конечном счёте снижают эффективность и стабильность элемента.
До этой работы считалось, что дефекты в солнечных элементах с гетеропереходом в основном относятся к одной категории.
С помощью спектроскопии глубоких временных разрезов (Deep-level transient spectroscopy, DLTS) исследователи обнаружили, в частности, что дефекты, возникающие при распылении оксида индия и олова (ITO), продолжают развиваться после отжига и в конечном счёте преобразуются в состояния с более низкой энергией, которые влияют на свойства материала. Они также установили, что отжиг, проводимый после распыления ITO, не устраняет дефекты, возникающие при распылении.
«Это открытие также объясняет, почему гидрированный аморфный кремний (a-Si:H), особенно богатый кремнием и водородом (Si–H2) и не подверженный паразитному эпитаксиальному росту, улучшает пассивацию и восстанавливается после распыления», — подчеркнули исследователи. «Наши результаты показывают, что при осаждении и термических процессах сосуществуют и динамически развиваются различные типы дефектов».
«Мы ожидаем, что это исследование ускорит разработку высокоэффективных кремниевых солнечных элементов с гетеропереходом и, кроме того, позволит нам создать тандемные солнечные элементы мирового уровня с использованием запатентованных технологий KIER», — сказал соавтор исследования Хи Ын Сон.