Статья поступила в редакцию 30.09.15. Ред. рег. № 2372
The article has entered in publishing office 30.09.15. Ed. reg. No. 2372
УДК 621.383
МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫЕ ПЛЕНКИ ДЛЯ ЗАДНИХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
A.B. Смирное, М.И. Зимнухое
Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова РФ 428010, Чувашская Республика, г. Чебоксары, ул. Университетская, 38 тел.: +7 (8352) 58-30-36; e-mail: fizteh21@yandex.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.002
Заключение совета рецензентов: 07.10.15 Заключение совета экспертов: 12.10.15 Принято к публикации: 19.10.15
Синтезированы пленки Ag и Ag-sp1-C (линейно-цепочечный углерод) на подложках стекло-ZnO, проведено сравнение спектров отражения в красной и ближней ИК-области и показано увеличение отражения в случае применения углеродной пленки, что требует дальнейшего исследования данных материалов в качестве задних отражателей для тандемных кремниевых фотоэлектрических модулей. Отмечается незначительное изменение топологии поверхности и шереховатости поверхности слоя.
Ключевые слова: солнечные модули, задние отражатели, оксид цинка, линейно-цепочечный углерод, пленки серебра.
METAL-CARBON FILMS FOR BAC K REFLECTORS OF PV MODULES
A.V. Smirnov, M.I. Zimnukhov
Chuvash State University named after I.N. Ulyanov 38 Universitetskaya str., Cheboksary, Chuvash Republic, 428010 Russian Federation ph.: +7 (8352) 58-30-36, e-mail: fizteh21@yandex.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.002
Referred 7 October 2015 Received in revised form 12 October 2015 Accepted 19 October 2015
Ag and Ag-LCC films (linear-chain carbon) were synthesized on glass-ZnO substrates, reflectance spectra in the red and near infrared regions were compared and an increase of reflection in the case of the carbon film was shown. All this requires further study of these materials as rear reflectors for tandem silicon photovoltaic modules. It is noticed a slight change in the surface topology and roughness of the surface layer.
Keywords: tandem type solar modules, zinc oxide, rear reflectors, carbon, silver film.
Смирнов Александр
Вячеславович Alexander V. Smirnov
Сведения об авторе: инженер ЧГУ им. И.Н. Ульянова, председатель Ассоциации молодых физиков Чувашии.
Образование: Чувашский государственный университет.
Область научных интересов: углеродные нанотехнологии, солнечные энергоустановки, пленки серебра.
Публикации: 35.
Information about the author: engineer in CSU named after I.N. Ulyanova, chairman of the Association of Young Physicists of Chuvashia.
Education: Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Research area: carbon nanotechnolo-gy, solar power, silver films.
Publications: 35.
№ 19 (183) 2015
Сведения об авторе: магистрант СПбГЭТУ «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина).
Образование: Чувашский госудраст-венный университет им. И.Н. Ульянова.
Область научных интересов: солнечная энергетика, углеродная электроника, компьютерное моделирование.
Публикации: 7.
Information about the author: undergraduate of Saint Petersburg Electro-technical University "LETI" named after V.I. Ulyanov (Lenin).
Education: Chuvash State University named after I.N. Ulyanova.
Research area: solar energy, carbon electronics, computer simulation.
Publications: 7.
Зимнухов Михаил Андреевич Mikhail A. Zimnuhov
Введение
В последнее десятилетие наблюдается всплеск интереса научно-исследовательских групп к проблеме повышения эффективности тонкопленочных солнечных элементов тандемного типа (a-Si:H/wc-Si, aSi/a-Si-Ge и др.) [6] не только по генерирующему слою, но и антибликовым покрытиям, новым типам прозрачных проводящих слоев для токосъема (AgO), задним отражателям (back reflectors) [1, 2].
Многокаскадные кремниевые солнечные модули имеют высокую эффективность преобразования с использованием слоев поглощения с различной шириной запрещенной зоны. Поскольку TCO (электропроводящий прозрачный оксид) играет важную роль в захвате и рассеянии света обратно в генерирующий слой [3], научно-исследовательские лаборатории России, США, Германии сосредоточены на разработке ТСО с улучшенными параметрами прозрачности, рассеяния и электропроводимости.
Данная работа посвящена синтезу и исследованию материала, который в перспективе можно будет
1 О
применять в качестве заднего отражателя в тандем-ных солнечных модулях, серьезным недостатком которык остается плохое поглощение красных и ИК-фотонов в микрокристаллическом слое.
Объект исследования
Высокая отражательная способность в длинноволновом диапазоне со случайной шероховатостью (зависящая от технологических особенностей осаждения и температуры подложки) пленок Ag, А1 и их соединений делают эти материалы перспективными в роли отражателей для модулей на основе гетеропереходов а-81:И/дас-81:И. В настоящий момент [7] именно соединения 2пО/А1 и ZnO/Ag нашли более широкое применение в промышленном производстве благодаря стабильности свойств в течение длительного времени и по некоторым данным могут увеличить квантовую эффективность и в конечном счете КПД модулей на 1,3 %.
08 06
сг
ш
о
г 04
02
00
1 т г 1111 Optical losses :
--- R (7-35}
—л—ZnO (3.06)
/ \
'А / a-Si: H \ / Ч —ö—BR (144|
-\ / 15.31 гпА/стг \ / nc-Si:H \
■ ■ 1 \! 15.27тА/стг\ А \ .**
Ii +11 / i * \ * \ , V А\
\\ У - m *
1 +\V .у-»/у у-Л В д ч1 ' ¿1 JlT"^ Л—А.-А • tf) |ПЫГП|1НГ fil * £ ft .-s ^ч
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
м, О Ü Ч. - G -
с о
i-, to I S
-О
N
Wavelength (nrn)
Рис. 1. Внешняя квантовая эффективность тандема a-Si:H and |jc-Si [4] Fig. 1. The external quantum efficiency of the tandem a-Si:H and jc-Si [4]
Для повышения поглощения в области 500...700 нм, где наблюдается недостаточная квантовая эффективность для тандемных модулей (см. рис. 1), используется шероховатая отражающая поверхность из серебра и оксида цинка (Ag/ZnO). На рис. 2 представлена зависимость коэффициента отражения от волнового числа. Случайно шероховатая поверхность Ag/ZnO удлиняет путь фотонов в ближнем ИК, увеличивая поглощение в генерирующем слое, что удлиняет световой путь и приводит к повышению плотности тока и КПД солнечной панели.
Рис. 2. Спектр отражения ZnO и ZnO/Ag в длинноволновой области, полученный в [5] Fig. 2. The reflectance spectrum of ZnO and ZnO/Ag in the long-wavelength region obtained in [5]
рения на стеклянные подложки с осажденным оксидом цинка. Синтез пленок линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) осуществлялся на модернизированной вакуумной ионно-плазменной установке «Алмаз». На рисунках 3 и 4 показана зависимость показателя преломления п и показателя поглощения k от длины волны и типичная спектрограмма, полученная на ИУ-У1б спектрофотометре Lambda-25. Показатель преломления в красном и ближнем ИК-диапазоне оптического спектра практически не зависит от длины волны. Обращает на себя внимание, что пленка ЛЦУ проявляет хорошую адгезию к поверхности и может служить покрытием, защищающим металлическую поверхность от окисления.
Методика эксперимента и полученные результаты
Напыление пленок серебра производилось в вакуумной установке УВР-3М при остаточном давлении около 10-3 Па методом терморезистивного испа-
Рис. 3. Зависимость показателя преломления n и показателя поглощения k от длины волны Fig. 3. The dependence of the refractive index n and the absorption index k of wavelength
Рис. 4. Типичный спектр пропускания пленки ЛЦУ толщиной 100 нм Fig. 4. The typical transmission spectrum of 100 nm thickness LCC film
На рис. 5-6 представлена зависимость коэффициента отражения для исследуемых структур, полученных на быстродействующем спектральном эллипсометре «Эллипс-1891» в диапазоне 350...900 нм.
№ 19 (183) 2015
1.0-
<г ое -
зоо
т
500
600 700 L,nm
зоо
900
Рис. 5. Спектр отражения пленки Ag на подложке стекло-ZnO
Fig. 5. Reflection spectrum of a film on Ag substrate glass-ZnO
1.2 -0¿ 1.0 -
0.80.60,4
300 400 500 600 TOO еоо 900
L.nm
Рис. 6. Спектр отражения пленки Ag-ЛЦУ на подложке стекло-ZnO
Fig. 6. Reflection spectrum of a film of Ag-LCC on the substrate glass-ZnO
Исходя из анализа рис. 6 и рис. 7, можно сделать вывод, что в целевом диапазоне длин волн (500 .700 нм) наблюдается увеличение отражения в случае применения углеродной пленки.
Морфология поверхности и профиль получены на сканирующем зондовом микроскопе 8о1уег№х1 в полуконтактном режиме в масштабе 10x10 мкм.
Рис. 7. Морфология поверхности слоя Ag-ЛЦУ / ZnO Fig. 7. The surface morphology of Ag-LCC/ZnO layer
Рис. 8. Морфология поверхности Ag / ZnO Fig. 8. The surface morphology of the Ag / ZnO
M
23
№ 19 (183) 2015
Исходя из анализа выбранного профиля поверхности образцов Ag/ZnO (рис. 7) и Ag-g{y/ZnO (рис. 8), можно сделать вывод, что углеродная пленка практически не изменяет высоту объектов, улучшая периодичность нанокластерных образований.
Выводы
Комплексным применением метода терморези-стивного испарения в вакууме и ионно-плазменного метода изготовлены пленки Ag и Ag-ЛЦУ на стеклянных подложках с предварительно нанесенным слоем ZnO, предоставленных НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург). Исходя из сопоставления коэффициентов отражения в красной и ближней ИК области, сделан вывод о повышении коэффициента отражения в случае нанесения углеродной пленки, которая при этом почти не меняет шероховатость поверхности. Проведены первые исследования морфологии поверхности синтезированных пленок.
о
Работа выполнена в рамках стипендии Президента Российской Федерации на 2013-2015 (грант СП-4 717.2013.1).
43
и
^
Список литературы
о.
1. Iida H., Shiba N., Mishuku T., Karasawa H., Ito A., Yamanaka M., Hayashi Y. Efficiency of the a-Si:H Solar cell and grain size of SnO2 transparent conductive film // IEEE Electron Device Lett. 1983. Vol. 4. P. 157-159.
о
2. Ferry V., Verschuuren M., Li H., Schropp R., At-water H., Polman A. Improved red-response in thin film a-Si:H solar cells with soft-imprinted plasmonic back reflectors // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 95. P. 183503183505.
3. Wehrspohn R., Upping J., Bielawny A., Beckers
T., Lambertz
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.