PL229128B1 - Struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego - Google Patents

Struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego

Info

Publication number
PL229128B1
PL229128B1 PL412250A PL41225015A PL229128B1 PL 229128 B1 PL229128 B1 PL 229128B1 PL 412250 A PL412250 A PL 412250A PL 41225015 A PL41225015 A PL 41225015A PL 229128 B1 PL229128 B1 PL 229128B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
layer
zno
zinc
precursor
znmgo
Prior art date
Application number
PL412250A
Other languages
English (en)
Other versions
PL412250A1 (pl
Inventor
Sylwia GIERAŁTOWSKA
Sylwia Gierałtowska
Marek GODLEWSKi
Marek Godlewski
Rafał PIETRUSZKA
Rafał Pietruszka
Łukasz WACHNICKI
Łukasz Wachnicki
Bartłomiej WITKOWSKI
Bartłomiej Witkowski
Original Assignee
Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk filed Critical Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority to PL412250A priority Critical patent/PL229128B1/pl
Priority to US15/572,416 priority patent/US20180151770A1/en
Priority to PCT/PL2016/050016 priority patent/WO2016182465A1/en
Priority to EP16730517.6A priority patent/EP3295490B1/en
Publication of PL412250A1 publication Critical patent/PL412250A1/pl
Publication of PL229128B1 publication Critical patent/PL229128B1/pl

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/074—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a heterojunction with an element of Group IV of the Periodic Table, e.g. ITO/Si, GaAs/Si or CdTe/Si solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H01L31/022483—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers composed of zinc oxide [ZnO]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H01L31/02363—Special surface textures of the semiconductor body itself, e.g. textured active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0296—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0328—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032
    • H01L31/0336—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032 in different semiconductor regions, e.g. Cu2X/CdX hetero- junctions, X being an element of Group VI of the Periodic Table
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035227—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum wires, or nanorods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe
    • H01L31/1836—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe comprising a growth substrate not being an AIIBVI compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1884—Manufacture of transparent electrodes, e.g. TCO, ITO
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

Przedmiotem wynalazku jest struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego. Struktury tego typu mogą być wykorzystywane jako źródło energii elektrycznej, ponieważ podczas oświetlania światłem generują napięcie elektryczne.
W literaturze naukowej jak i patentowej znajdują się opisy struktur fotowoltaicznych różnego rodzaju. Do najbardziej znanych należą krzemowe ogniwa fotowoltaiczne PV, które stanowią prawie 90% rynku fotowoltaicznego. Obecnie w handlu znajdują się panele PV zawierające mono-krystaliczne, polikrystaliczne oraz amorficzne cienkowarstwowe ogniwa krzemowe. Chociaż obserwuje się znaczące postępy w technologii komórek/struktur PV opartych zarówno o monokrystaliczny jaki i o polikrystaliczny krzem nadal technologia ich wytwarzania jest zbyt droga i w większości przypadków jest po prostu nieopłacalna. Pozostałe 10% rynku fotowoltaicznego stanowią ogniwa fotowoltaiczne oparte o cienko warstwowe materiały takie jak: tellurek kadmu (CdTe), siarczek kadmu (CdS), stopy miedziowo-indowo-galowo-dwuselenku (CIGS) oraz ogniwa wielozłączowe wykorzystujące materiały AIIIBV. Wadą ogniw cienkowarstwowych CdTe-CdS jest ich wysoka cena (zwłaszcza koszt telluru, którego jest również za mało aby zaspokoić potrzeby rynku fotowoltaiki) jak również ich negatywny wpływ na środowisko ze względu na użycie kadmu. Kolejnym problemem który ogranicza stosowalność technologii opartej o CdTe są problemy związane z wykonaniem kontaktów omowych zarówno do p-typu CdTe jak i do n-typu CdS. Te utrudnienia powodują, że CdTe oraz CdS są materiałami trudnymi dla fotowoltaiki. W przypadku ogniw opartych o stop selenku indowo-galowo-miedziowego (CIGS), problem jest podobny, gdyż partnerem do p-typu przewodnictwa CIGS najczęściej stosowany jest CdS. Znane są także ogniwa zawierające wielowarstwy różnych materiałów, tzw. ogniwa wielozłączowe, wytwarzane za pomocą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE)oraz metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Struktury takich ogniw zbudowane są na ogół z trzech warstw. Dolną warstwą jest warstwa podłożowa z germanu (Ge), środkową jest wielowarstwa lnGaAs a górną warstwą jest również wielowarstwa lnGaP. Sprawność ogniw trój-złączowych jest wprawdzie najwyższa (rzędu 40% w warunkach laboratoryjnych) ale ich koszt wytworzenia jest bardzo wysoki co powoduje, że ich masowa produkcja nie jest możliwa. Ponadto metoda otrzymywania stabilnych w czasie warstw tunelowych jest bardzo skomplikowana, a tak wysokie sprawności są uzyskiwane jedynie przy skoncentrowanym oświetleniu, występuje wówczas problem grzania się takich ogniw. Z publikacji R. Pietruszka, G. Luka, B.S. Witkowski, K. Kopalko, E. Zielony, P. Biegański, E. Placzek-Popko, M. Godlewski, „Electrical and photovoltaicproperties of ZnO/Si heterostructures with ZnO filmsgrown by atomiclayerdeposition, Thin Solid Films, doi: 10.1016/j.tsf.2013.10.110, znana jest struktura ogniwa fotowoltaicznego, wytwarzana za pomocą technologii osadzania warstw atomowych (ang. Atom icLayerDeposition - ALD). Struktura ta jest strukturą trój-warstwową o układzie półprzewodnik typu p / półprzewodnik typu n / przezroczysta elektroda. Podłożem w tej strukturze jest półprzewodnik typu p, który jest pierwszą warstwą, drugą warstwą jest warstwa tlenku cynku (typu n), a trzecią warstwą jest warstwa tlenku cynku domieszkowana glinem. Koszt wytworzenia struktury jest stosunkowo niski w porównaniu ze strukturami wytwarzanymi komercyjnie, a sprawność ogniwa zbudowanego z takich struktur sięga 6%. W polskim zgłoszenie patentowym PL407336 ujawniono ogniwo, które składa się z podłoża w postaci krzemu typu p, pokrytego warstwą nanosłupków ZnO, które z kolei pokryte są warstwą ZnO. Zadaniem górnej warstwy pokrywającej nanosłupki jest zwiększenie obszaru złącza Si/ZnO, które stanowi element aktywny ogniwa. W sposobie wg wynalazku nanostruktury ZnO na podłożu krzemowym pokryte są warstwą ZnMgO, która w przeciwieństwie do ww. zgłoszenia ma na celu nie zwiększenie obszaru złącza, lecz poprawienie przezroczystości górnych warstw ogniwa, które nie biorą aktywnego udziału w absorpcji światła. Dzięki takiemu rozwiązaniu otrzymana sprawność jest wyższa o 1.5% i wynosi 14%. W pracy teoretycznej K. E. Knutsen, R. Schifano, E. S. Marstein, B. G. Svensson, A. Yu. Kuznetov, Prediction of high Efficiency ZnMgO/Si solar cells suppressing carrier recombination by conduction band engineering, Physica Status Solodi A, doi: 10.1002/pssa.201228527, rozważana jest struktura fotowoltaiczna ZnMgO/Si. W pracy tej przeprowadzono szczegółową analizę wpływu domieszki magnezowej na odpowiedź fotowoltaiczną ogniwa ZnMgO/Si. Z obliczeń teoretycznych wynika możliwość oddalania poziomu przewodnictwa warstwy ZnMgO od poziomu walencyjnego krzemu. Dlatego, też wpływ centrów rekombinacyjnych jest silnie zredukowany. Efekt ten prowadzi do zwiększenia uzyskiwanych sprawności w takich strukturach fotowoltaicznych. Nadal poszukuje się struktury ogniwa fotowoltaicznego o poszerzonym obszarze spektralnej pracy ogniwa fotowoltaicznego umożliwiającej absorbowanie obszaru bliskiego UV przy stosunkowo taniej technologii wytwarzania i wysokiej sprawności. Celem wynalazku jest opracowanie
PL 229 128 B1 struktury fotowoltaicznej o podwyższonej wydajności oraz względnie taniego sposobu wytwarzania takiej struktury.
Pierwszym przedmiotem wynalazku jest struktura fotowoltaiczna zawierająca półprzewodnikowe podłoże typu p, ze spodnim kontaktem elektrycznym, na którym znajduje się warstwa zawierająca nanosłupki ZnO, a następnie warstwa ZnMgO, a na niej przezroczysta warstwa przewodząca, korzystnie warstwa ZnO:Al z kontaktem elektrycznym. W strukturze tej warstwa zawierająca ZnO oraz ZnMgO umieszczona pomiędzy podłożem, korzystnie krzemowym, a warstwą przezroczystej warstwy przewodzącej, korzystnie warstwy ZnO:Al, jest warstwą nanostruktur ZnO o wysokości od 10 nm do 2000 nm, pokrytych warstwą ZnMgO o grubości od 1 nm do 2000 nm. Korzystnie warstwą zarodkującą do wzrostu nanostruktur ZnO jest warstwa złota, srebra lub warstwa ZnO, bądź nanocząstki tych materiałów. Równie korzystnie przezroczysta warstwa przewodząca zbudowana jest z ITO (Indium Tin Oxide) lub SnO2. Nanostruktury ZnO mogą mieć postać nanosłupków.
Drugim przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania struktury fotowoltaicznej charakteryzujący się tym, że na podłożu, korzystnie krzemowym, z przygotowanym spodnim kontaktem elektrycznym, wytwarza się warstwę zawierającą ZnO w postaci nanosłupków pokrytych warstwą ZnMgO. Dla wytworzenia warstwy nanostruktur ZnO podłoże najpierw pokrywa się warstwą zarodkującą. Warstwę zarodkującą może być warstwa złota, srebra albo nanocząstek tych metali osadzona za pomocą rozpylania katodowego, albo warstwa ZnO lub nanocząstki ZnO nałożone z roztworu lub otrzymane poprzez wygrzanie soli cynku (np. octan cynku) nałożonych z roztworu lub osadzone w co najmniej 1 cyklu ALD, gdzie jako prekursor cynku stosuje się dietylocynk, dimetylocynk lub chlorek cynku a jako prekursor tlenu wodę, ozon lub plazmę tlenową. Po osadzeniu warstwy zarodkującej, podłoże, umieszcza się w roztworze o wartości pH od 6,5 do 12, zawierającej rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku, podgrzewa się do temperatury 30-95°C i utrzymuje w temperaturze przez co najmniej 1 sekundę. Stężenie cynku w roztworze powinno być wyższe niż 0,001 M/dm3, a mniejsze niż 1 M/dm3. Korzystnie jest jeżeli prekursorem tlenu w mieszaninie reakcyjnej jest woda a prekursorem cynku jest octan cynku. Współczynnik pH roztworu jest regulowany poprzez strącanie roztworem wodorotlenku metalu (np. NaOH, KOH). Po zakończeniu tego procesu usuwa się z podłoża i wykrystalizowanych nanosłupków ZnO zanieczyszczenia, korzystnie wygrzewając przez co najmniej 1 sekundę w temperaturze >100°C, po czym nanosłupki ZnO pokrywa się warstwą ZnMgO, w procesie ALD. Korzystnie jest jeżeli warstwę ZnMgO osadza się w co najmniej 10 cyklach ALD stosując jako prekursor cynku dietylocynk, dimetylocynk lub chlorek cynku, jako prekursor magnezu bis(cyclopentadienyl)magnesium lub bis(methylcyclopentadienyl)magnesium, a jako prekursor tlenu wodę, ozon lub plazmę tlenową. Następnie warstwę nanostruktur ZnO pokrytych warstwą ZnMgO pokrywa się warstwą przezroczystej elektrody ZnO:Al, na której wykonuje się górny kontakt elektryczny. Korzystnie jest jeżeli warstwę przezroczystej elektrody ZnO domieszkowanej glinem osadza się w co najmniej 100 cyklach ALD stosując jako prekursor cynku dietylocynk, dimetylocynk lub chlorek cynku, jako prekursor tlenu wodę, ozon lub plazmę tlenową, a jako prekursor glinu glinutrimetyloglin. Rozwiązanie wg wynalazku wykorzystuje warstwę ZnMgO, która jest osadzana na nanosłupkach ZnO. W wynalazku złącze jest kreowane poprzez połączenie ze sobą półprzewodnikowych nanostruktur n-ZnO z p-Si. Wynalazek wykorzystuje nowe efekty wpływu domieszki magnezowej na warstwę ZnO. Przede wszystkim wykorzystywany jest wpływy domieszki magnezowej na rezystywność warstwy oraz mod wzrostu. Dobierając odpowiednie stosunki pomiędzy koncentracjami atomów Zn, O oraz Mg zmienia się rezystywność warstwy ZnO w zakresie od 10-2 do 102 Qcm. Jak również obserwowany jest kolumnowy mod wzrostu warstwy ZnMgO na nanosłupkach (fig. 1). Kolumny ZnMgO wzrastają epitaksjalnie na nanosłupkach ZnO odtwarzając ich wysoką jakość krystalograficzną. Dzięki temu zjawisku wzrastane są monokrystaliczne kolumny ZnMgO na ZnONR, które efektywnie separują nośniki i dostarczają je do górnej elektrody. Kolejnym wykorzystywanym efektem wpływu domieszki magnezowej na warstwę ZnO jest poszerzenie obszaru spektralnego pracy ogniwa fotowoltaicznego ZnMgO/ZnONR/Si. Efekt ten umożliwia strukturze zaabsorbować obszar bliskiego UV. Co przekłada się na wzrost ilości foto-generowanych nośników prądu elektrycznego. Na rysunku 2 pokazano wpływ domieszki magnezowej na poszerzenie przezroczystości warstwy ZnO. Efekt ten pozwala docierać fotonom z bliskiego UV do obszaru złącza i brać efektywny udział w kreacji par elektron-dziura. Otrzymana struktura generuje napięcie elektryczne pod wpływem światła z zakresu widzialnego, podczerwieni i bliskiego UV. Technologia wykonania struktury fotowoltaicznej według wynalazku jest tania i prosta, a struktura jest strukturą wielokrotnego użytku.
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania struktury fotowoltaicznej Al/ZnO:Al/ZnMgO/ZnONR/Si/Al oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kolumnowy mod wzrostu
PL 229 128 B1 warstwy ZnMgO na nanosłupkach ZnO, fig. 2 poszerzenie spektralnej przezroczystość warstwy ZnO domieszkowanej magnezem a fig. 3 strukturę wg wynalazku.
P r z y k ł a d 1
Do wykonania przykładowej struktury wykorzystano komercyjne podłoże krzemowe typu p o oporności 2.3 Qcm i rozmiarach 1,5 x 1,5 cm. Podłoże na początku zostało poddane oczyszczaniu, które prowadzono w płuczce ultradźwiękowej. Podłoże płukano w 3 etapach po 30 sekund, kolejno w izo-propanolu, acetonie i wodzie dejonizowanej. Na wyczyszczone podłoże 1, od spodu, metodą rozpylania katodowego naniesiono warstwę glinu 2 stanowiącą spodni kontakt elektryczny. W drugim etapie przystąpiono do wytworzenia na oczyszczonym podłożu warstwy zawierającej nanostruktury ZnO w postaci nanosłupków ZnO 4 pokrytych cienko warstwą ZnMgO 5. W tym celu najpierw na górnej powierzchni podłoża 1 również metodą rozpylania katodowego, naniesiono nanocząsteczki srebra, stanowiące zarodki 3 do wzrostu hydrotermalnego nanosłupków. Następnie podłoże z zarodkami umieszczono w mieszaninie reakcyjnej o objętości 100 ml zawierającej 1 g rozpuszczonego octan cynku doprowadzonej do wartości pH równej 8 poprzez strącanie 1-molowym roztworem wodorotlenku sodu. Mieszaninę wraz z podłożem podgrzano do temp. 50°C i w tej temperaturze przez 2 minuty prowadzono wzrost nanosłupków do wysokości 650 nm. Po zakończeniu wzrostu podłoże 1 z wykrystalizowanymi nanosłupkami 4 wypłukano w izopropanolu dla usunięcia ewentualnych zanieczyszczeń i przystąpiono do osadzania na nich warstwy ZnMgO 5. W tym celu podłoże umieszczono w reaktorze ALD gdzie wygrzewano je przez 2 minuty w temperaturze 200°C. Po wygrzewaniu komora reaktora została schłodzona do temp. 160°C, i w tej temperaturze, w 1000 cyklach ALD nanosłupki ZnO zostały dokładnie pokryte warstwą ZnMgO o grubości ok. 200 nm. Warstwę ZnMgO 5 osadzono stosując jako prekursor cynku dietylocynk, jako prekursor tlenu wodę, a jako prekursor magnezu bis(methylcyclopentadienyl)magnesium. Następnie w tej samej temperaturze, bez wyciągania z reaktora ALD podłoża z nałożonymi nanostrukturami ZnO przykrytymi warstwą ZnMgO, nałożono warstwę przezroczystej elektrody 6 w postaci ZnO:Al o grubości 300 nm stanowiącą górną, przezroczystą elektrodę 6. Warstwę elektrody 6 osadzono stosując jako prekursor cynku dietylocynk, jako prekursor tlenu wodę, a jako prekursor glinutrimetyloglin. Po osadzeniu warstwy elektrody 6, w procesie rozpylania katodowego naniesiono punktowy omowy kontakt do warstwy ZnO:Al 7 wykonany z glinu.
Pokrycie nanosłupków ZnO dodatkowo warstwą ZnMgO zwiększyło przezroczystość górnej części ogniwa, która nie bierze udziału w absorpcji, co zdecydowanie wpłynęło na zwiększenie sprawności struktury według wynalazku. Otrzymana struktura wykazała sprawność 14% (pomiary laboratoryjne z wykorzystaniem symulatora słońca).
P r z y k ł a d 2
Do wykonania drugiej przykładowej struktury również wykorzystano komercyjne podłoże krzemowe typu p o oporności 2.3 Qcm i rozmiarach 1,5 x 1,5 cm. Podłoże na początku zostało poddane oczyszczaniu, które prowadzono w płuczce ultradźwiękowej. Podłoże płukano 30 sekund, kolejno w wodzie dejonizowanej. Na wyczyszczone podłoże 1, od spodu, metodą rozpylania katodowego naniesiono warstwę glinu 2 stanowiącą spodni kontakt elektryczny. W drugim etapie przystąpiono do wytworzenia na oczyszczonym podłożu warstwy zawierającej nanostruktury ZnO w postaci nanosłupków ZnO 4 pokrytych cienko warstwą ZnMgO 5. W tym celu najpierw na górnej powierzchni podłoża 1 w temp. 100°C w 10 cyklach ALD naniesiono nanocząstki ZnO stanowiące zarodki 3 do wzrostu hydrotermalnego nanosłupków, używając wody jako prekursora tlenu i dietylocynku jako prekursora cynku. Następnie podłoże z zarodkami umieszczono w mieszaninie reakcyjnej o objętości 110 ml zawierającej 2 g rozpuszczonego octan cynku doprowadzonej do wartości pH równej 7,7 poprzez strącanie 1-molowym roztworem wodorotlenku potasu. Mieszaninę wraz z podłożem podgrzano do temp. 70°C i w tej temperaturze przez 2 minuty prowadzono wzrost nanosłupków do wysokości 1200 nm. Po zakończeniu wzrostu podłoże 1 z wykrystalizowanymi nanosłupkami 4 wypłukano w izopropanolu dla usunięcia ewentualnych zanieczyszczeń i przystąpiono do osadzania na nich warstwy ZnMgO 5. W tym celu podłoże umieszczono w reaktorze ALD gdzie wygrzewano je przez 2 minuty w temperaturze 200°C. Po wygrzewaniu komora reaktora została schłodzona do temp. 160°C, i w tej temperaturze, w 4000 cyklach ALD nanosłupki ZnO zostały dokładnie pokryte warstwą ZnMgO o grubości ok. 1000 nm. Warstwę ZnMgO 5 osadzono stosując jako prekursor cynku dietylocynk, jako prekursor tlenu wodę, a jako prekursor magnezu bis(methylcyclopentadienyl)magnesium. Następnie w tej samej temperaturze, bez wyciągania z reaktora ALD podłoża z nałożonymi nanostrukturami ZnO przykrytymi warstwą ZnMgO, nałożono warstwę przezroczystej elektrody 6 w postaci ZnO:Al o grubości 500 nm stanowiącą górną, przezroczystą elektrodę 6. Warstwę elektrody 6 osadzono stosując jako prekursor cynku dietylocynk, jako prekursor tlenu
PL 229 128 B1 wodę, a jako prekursor glinutrimetyloglin. Po osadzeniu warstwy elektrody 6, w procesie rozpylania katodowego naniesiono punktowy omowy kontakt do warstwy ZnO:Al 7 wykonany z glinu. Otrzymana struktura wykazała sprawność 5% (pomiary laboratoryjne z wykorzystaniem symulatora słońca). Przy zastosowaniu wyższych nanosłupków ZnO lub jeszcze grubszej warstwy ZnMgO sprawność ogniwa zaczyna drastycznie spadać. Dla wysokości nanosłupków powyżej 2000 nm oraz warstwy ZnMgO o grubości powyżej 2000 nm sprawność ogniwa jest bliska 0 - ogniwo przestaje działać.

Claims (8)

1. Struktura ogniwa fotowoltaicznego, zawierająca półprzewodnikowe podłoże typu p, ze spodnim kontaktem elektrycznym, na którym znajduje się warstwa zawierająca ZnO i ZnMgO, a na niej przezroczysta warstwa przewodząca, korzystnie warstwa ZnO:Al, z kontaktem elektrycznym, znamienna tym, że warstwę aktywną stanowi złącze Si/ZnO/ZnMgO przy czym warstwa nanostruktur ZnO o wysokości od 10 nm do 2000 nm jest przykryta warstwą ZnMgO o grubości 1 nm do 2000 nm.
2. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwą zarodkującą do wzrostu nanostruktur ZnO jest warstwa złota, srebra lub warstwa ZnO, bądź nanocząstki tych materiałów.
3. Sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego, w którym na podłożu typu p, ze spodnim kontaktem elektrycznym, osadza się warstwę zawierającą ZnO i ZnMgO, a na niej warstwę przezroczystej elektrody ZnO:Al oraz kontakt elektryczny, znamienny tym, że na podłożu, korzystnie krzemowym, wytwarza się warstwę nanostruktur ZnO w postaci nanosłupków pokrytych warstwą ZnMgO, przy czym dla wytworzenia tej warstwy najpierw podłoże pokrywa się warstwą zarodkującą, następnie podłoże wraz z warstwą zarodkującą, umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o wartości pH 6,5-12, zawierającej rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku, gdzie stężenie cynku wynosi od 0,001 M/dm3 do 1 M/dm3, podgrzewa się do temperatury 30-95°C i utrzymuje w tej temperaturze przez co najmniej 1 sekundę, a po zakończeniu tego procesu usuwa się z podłoża i z wykrystalizowanych nanostruktur zanieczyszczenia, korzystnie wygrzewając przez co najmniej 1 sekundę w temperaturze >100°C, po czym nanostruktury pokrywa się w procesie ALD, warstwą ZnMgO o grubości najmniej 1 nm i tak wytworzoną warstwę aktywną pokrywa się warstwą przezroczystej elektrody ZnO:Al, na której wykonuje się górny kontakt elektryczny.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że warstwą zarodkującą osadza się na podłożu za pomocą rozpylania katodowego złota, srebra albo nanocząstek tych metali.
5. Sposób według zastrz.3, znamienny tym, że warstwą zarodkującą jest warstwa ZnO lub nanocząstki ZnO nałożone na podłożu z roztworu lub otrzymane poprzez wygrzewanie soli cynku nałożonych z roztworu lub osadzone w co najmniej 1 cyklu ALD, gdzie prekursorem cynku jest dietylocynk, dimetylocynk lub chlorek cynku a prekursorem tlenu jest woda, ozon lub plazma tlenowa.
6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że prekursorem tlenu w mieszaninie reakcyjnej jest woda a prekursorem cynku jest octan cynku.
7. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że warstwę ZnMgO, którą pokrywa się nanosłupki warstwy aktywnej osadza się w co najmniej 10 cyklach ALD stosując jako prekursor cynku dietylocynk, dimetylocynk lub chlorek cynku, jako prekursor Mg używa się związków chemicznych bis(cyclopentadienyl)magnesium lub bis(methylcyclopentadienyl)magnesium, a jako prekursor tlenu wodę, ozon lub plazmę tlenową.
8. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że warstwę przezroczystej elektrody ZnO:Al osadza się w co najmniej 100 cyklach ALD stosując jako prekursor cynku dietylocynk, dimetylocynk lub chlorek cynku, jako prekursor tlenu wodę, ozon lub plazmę tlenową, a jako prekursor glinutrimetyloglin.
PL412250A 2015-05-08 2015-05-08 Struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego PL229128B1 (pl)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL412250A PL229128B1 (pl) 2015-05-08 2015-05-08 Struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego
US15/572,416 US20180151770A1 (en) 2015-05-08 2016-05-06 Photovoltaic cell structure and method to produce the same
PCT/PL2016/050016 WO2016182465A1 (en) 2015-05-08 2016-05-06 Photovoltaic cell structure and method to produce the same
EP16730517.6A EP3295490B1 (en) 2015-05-08 2016-05-06 Photovoltaic cell structure and method to produce the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL412250A PL229128B1 (pl) 2015-05-08 2015-05-08 Struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL412250A1 PL412250A1 (pl) 2016-11-21
PL229128B1 true PL229128B1 (pl) 2018-06-29

Family

ID=56137490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL412250A PL229128B1 (pl) 2015-05-08 2015-05-08 Struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20180151770A1 (pl)
EP (1) EP3295490B1 (pl)
PL (1) PL229128B1 (pl)
WO (1) WO2016182465A1 (pl)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11427499B2 (en) 2017-11-29 2022-08-30 Pilkington Group Limited Process for depositing a layer
PL425218A1 (pl) * 2018-04-13 2019-10-21 Centrum Badań I Rozwoju Technologii Dla Przemysłu Spółka Akcyjna Krzemowe ogniwo fotowoltaiczne i sposób wytwarzania krzemowych ogniw fotowoltaicznych
EP3553829B1 (en) 2018-04-13 2022-06-08 Centrum Badan i Rozwoju Technologii dla Przemyslu S.A. A silicon photovoltaic cell and a method for manufacturing silicon photovoltaic cells
CN109585642A (zh) * 2018-11-06 2019-04-05 浙江海洋大学 一种基于pet/银纳米线/氧化锌镁/氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机
CN109608219B (zh) * 2018-12-06 2022-01-28 五邑大学 一种耐弱酸腐蚀的多孔氧化物薄膜的制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100180950A1 (en) * 2008-11-14 2010-07-22 University Of Connecticut Low-temperature surface doping/alloying/coating of large scale semiconductor nanowire arrays
PL407336A1 (pl) 2014-02-27 2015-08-31 Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk Struktura ogniwa fotowoltaicznego oraz sposób wykonania struktury ogniwa fotowoltaicznego

Also Published As

Publication number Publication date
EP3295490B1 (en) 2020-03-18
EP3295490A1 (en) 2018-03-21
WO2016182465A1 (en) 2016-11-17
US20180151770A1 (en) 2018-05-31
PL412250A1 (pl) 2016-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20110020980A1 (en) Thermal pre-treatment process for soda lime glass substrate for thin film photovoltaic materials
TW201203576A (en) Single junction CIGS/CIS solar module
EP3295490B1 (en) Photovoltaic cell structure and method to produce the same
US20120318361A1 (en) Manufacturing thin films with chalcogen species with independent control over doping and bandgaps
US20130104985A1 (en) Photovoltaic device with mangenese and tellurium interlayer
CN104851931B (zh) 具有梯度结构的碲化镉薄膜太阳能电池及其制造方法
US20160005885A1 (en) Method of Making Photovoltaic Devices
Lee et al. Thin film solar technologies: a review
US7964434B2 (en) Sodium doping method and system of CIGS based materials using large scale batch processing
WO2014089557A2 (en) Photovoltaic device and method of making
Gessert et al. 1.19-cadmium telluride photovoltaic thin film: CdTe
Chandrasekharan Numerical modeling of tin-based absorber devices for cost-effective solar photovoltaics
CN104115283B (zh) 太阳能电池模块及其制造方法
Shi et al. Polycrystalline silicon thin‐film solar cells: The future for photovoltaics?
US20130056054A1 (en) High work function low resistivity back contact for thin film solar cells
EP3111486B1 (en) Photovoltaic cell structure and method of manufacturing a photovoltaic cell
KR101241708B1 (ko) 태양광 발전장치 및 이의 제조방법
Paul et al. Recent progress in CZTS (CuZnSn sulfide) thin-film solar cells: a review
TWI509821B (zh) 光伏元件與其製作方法
Pandey et al. Cadmium Telluride Cells on Silicon as Precursors for Two-Junction Tandem Cells
Shah et al. First principles guided device fabrication of arsenic doped CdTe photovoltaics
Dhakal et al. Enhancement of efficiency in Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) solar cells grown by sputtering
Petti et al. Thin Films in Photovoltaics
US20150007890A1 (en) Photovoltaic device comprising heat resistant buffer layer, and method of making the same
Kosyachenko Thin-film photovoltaics as a mainstream of solar power engineering