Анотація до роботи:

Хрипунов Г.С. Фізико-технологічні основи оптимізації плівкових сонячних елементів на основі сульфіду та телуриду кадмію.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України.- Харків.- 2007.

Дисертацію присвячено розробці фізико-технологічних основ оптимізації плівкових сонячних елементів (СЕ) на основі CdTe/CdS. Встановлено, що еволюція вихідної кристалічної та енергетичної структури фронтальних електродів, яка відбувається в процесі формування CE на основі CdTe/CdS тильної конфігурації, спроможна лімітувати ККД таких приладових структур. Визначено, що у плівкових СЕ на основі CdS/CdTe збільшення товщини шару CdS призводить до покращення діодних характеристик гетеропереходу nCdS_xTe_1-x-pCdTe та до зниження його шунтування гетеропереходом n^-ITO-pCdTe. Проте ці позитивні процеси супроводжуються зниженням густини потоку фотонів, які надходять до базового шару. Встановлено, що перетворення метастабільної гексагональної модифікації CdTe у стабільну кубічну модифікацію являє собою структурний механізм, який при проведенні «хлоридної» обробки обумовлює підвищення ККД в одержаних вакуумним випаровуванням плівкових СЕ на основі CdS/CdTe. Показано, що мінімізація товщини базового шару CdTe у відповідності до глибини поглинання світла не призводить до збільшення ККД плівкових СЕ на основі CdS/CdTe. Це зумовлено частковим шунтуванням гетеропереходу nCdS_xTe_1-x-pCdTe у результаті дифузії домішки з тильного контакту, а за відсутності дифузії - збільшенням негативного впливу рекомбінації на тильній поверхні. Доведено, що в плівкових СЕ на основі CdS/CdTe попередній відпал на повітрі фронтальних електродів ITO за температури 430^оС призводить до підвищення ККД за рахунок зниження макродеформацій у базовому шарі та блокування шляхів прискореної дифузії натрію до приладової ГС. Розроблені гнучкі СЕ на основі CdS/CdTe з ККД 11,4% та рекордною приведеною потужністю 2,5 кВт/кг. Створені плівкові СЕ на основі CdS/CdTe, які мають двосторонню фоточутливість з ККД 10,7% на скляних підкладках і 10,4 % на поліімідних плівках. Розроблені плівкові СЕ з надтонкою товщиною CdTe, які можуть застосовуватися в тандемних структурах, оскільки мають достатньо високий середній коефіцієнт пропускання у спектральному діапазоні [850-1100] нм – 55,2%.

В результаті проведених комплексних та систематичних досліджень вирішено актуальну науково-технічну проблему, що стосується розробки фізико-технологічних основ оптимізації плівкових сонячних елементів на основі сульфіду та телуриду кадмію. Це дало можливість розробити плівкові СЕ нового покоління, які адаптовані до промислового виробництва, мають покращені функціональні характеристики та придатні для широкомасштабного використання в наземних та заатмосферних умовах.

Основні наукові і практичні результати роботи можна сформулювати у виді таких загальних висновків:

1. Технологія одержання прозорих електродів повинна бути адаптована до технології виготовлення плівкових СЕ на основі сульфіду і телуриду кадмію наступним чином:

• мінімізація негативного теплового впливу на сформовану раніше приладову структуру фронтальної конфігурації при одночасній оптимізації електричних та оптичних властивостей електроду досягається при високочастотному нереактивному магнетронному осадженні без нагрівання підкладки шарів ZnO:Al за питомої електричної потужності магнетрона 1,3 Вт/м² та за нетрадиційного додавання протягом першої хвилини розпилення в середовище аргону кисню на рівні 0,1% щодо парціального тиску аргону, оптимальне значення якого становить 0,4 Па;

• для приладових структур тильної конфігурації нереактивне високочастотне магнетронне розпилення шарів ITO за питомої електричної потужності магнетрона 1,5 Вт/м², парціального тиску аргону 0,8 Па, концентрації кисню у складі аргон-кисневої суміші 3 об.% та температури осадження 450^оС дає можливість формувати фронтальні прозорі електроди з оптимальним значенням поверхневого електроопору, незважаючи на закономірне зниження концентрації основних носіїв заряду у цих шарах в процесі «хлоридної» обробки СЕ.

2. Вперше показано, що конкуруючі фізичні закономірності впливу шару сульфіду кадмію на ефективність плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe тильної конфігурації, які визначають оптимальну товщину цієї плівки, не залежать від типу таких приладових структур. За мірою зростання товщини шару сульфіду кадмію збільшення електроопору, що шунтує і зменшення густини діодного струму насичення, що обумовлено зниженням шунтування приладової структури гетеропереходом n^-ITO- pCdTe і зміщенням гетеропереходу
   nCdS_xTe_1-x-pCdTe від міжфазної границі CdS-CdTe у глибину шару CdTe, супроводжується зниженням густини фотоструму в результаті зменшення коефіцієнта пропускання світла шару сульфіду кадмію.

3. Вперше експериментально доведено, що оптимальна товщина базового шару телуриду кадмію у плівкових СЕ на основі CdS/CdTe тильної конфігурації обмежена частковим шунтуванням приладової структури у процесі її виготовлення в результаті дифузії домішки з тильного контакту, а за відсутності дифузії - зростанням негативного впливу рекомбінації на поверхні тильного контакту на діодні характеристики гетеропереходу nCdS_xTe_1-x-pCdTe, який в цій приладовій структурі здійснює розподіл генерованих під дією світла нерівноважних носіїв заряду.

4. Визначено домінуючі структурні механізми впливу «хлоридної» обробки гетеросистем CdS/CdTe, одержаних методом термічного вакуумного випаровування, на ККД плівкових СЕ на їх основі. За мірою зростання товщини шару CdCl₂ при проведенні «хлоридної» обробки зростання ефективності приладових структур обумовлено перетворенням метастабільної гексагональної модифікації телуриду кадмію в кубічну модифікацію, а потім - оптимізацією кристалічної й енергетичної структури цієї стабільної фази. Проте при досягненні цілком визначеної для кожного типу СЕ товщини шару хлориду кадмію експериментально виявляється зростання макродеформацій у базовому шарі CdTe, що призводить до зниження ККД.

5. Вперше експериментально доведено, що для створення гнучких СЕ на основі CdS/CdTe тильної та фронтальної конфігурації з високою приведеною потужністю необхідно шляхом попереднього відпалу на повітрі забезпечити стабілізацію кристалічної структури прозорих електродів ITO до наступних технологічних операцій формування таких приладових структур. Це дає можливість підвищити ККД для СЕ тильної конфігурації за рахунок зниження рівня макродеформацій у базовому шарі, а для СЕ фронтальної конфігурації – за рахунок блокування шляхів прискореної дифузії з підкладки натрію, який частково шунтує ГП nCdS_xTe_1-x-pCdTe та формує у CdTe центри рекомбінації.

6. Створено новий тип СЕ на основі CdS/CdTe з прозорим тильним електродом, який має двосторонню фоточутливість і може бути використаний при створенні ефективних тандемних фотоелектричних перетворювачів. Встановлено, що за збільшення прямого зсуву, поза залежністю від напрямку висвітлення, наявність тильного потенціального бар’єру n^-ITO-p⁺CdTe призводить до ефекту зміни по-лярності фотоструму у всьому інтервалі фоточутливості СЕ на основі CdS/CdTe.

7. Вперше встановлено, що нанесення нанорозмірних прошарків міді на тильну поверхню базового шару дає можливість у плівкових СЕ на основі CdS/CdTe/ITO поєднати високу вихідну ефективність приладових структур з тильним електродом Cu/Au з високою стабільністю приладових структур з тильним електродом ITO. Визначено, що використання нелегованих нанорозмірних прошарків оксиду цинку, які формуються між прозорим фронтальним електродом і шаром сульфіду кадмію, покращує ефективність розподілу нерівноважних носіїв заряду.

8. При термічному випаровуванні базової гетеросистеми CdS/CdTe у промисловому вакуумі (»10^-4 Па) одержані лабораторні зразки: плівкових СЕ тильної конфігурації на скляних підкладках з ККД 11,2%; гнучких СЕ фронтальної конфігурації з ККД 8,9 %; гнучких СЕ тильної конфігурації з ККД 11,4% і рекордною приведеною потужністю - 2,5 кВт/кг; плівкових СЕ, які мають двосторонню фоточутливість, з ККД 10,7% на скляних підкладках і з ККД 10,4 % на поліімідних плівках; плівкових СЕ з надтонкою товщиною базового шару CdTe (1 мкм) з ККД 8,1 %, які мають достатньо високе значення середнього коефіцієнта пропускання у спектральному діапазоні [850-1100] нм – 55,2%. Це доводить можливість створення адаптованих до рівня підприємств електронного профілю України промислових технологій виробництва розроблених плівкових СЕ на основі CdS/CdTe з покращеними функціональними характеристиками.

Публікації автора:

1. Boyko B.T., Khrypunov G.S., Kopach V.R. Electric properties of transparent polycrystalline ZnO:In films deposited by magnetron sputtering // Functional Materials.- 1998.- V.5, №1.- P.130-132.

2. Ковтун Н.А, Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С., Копач В.Р. Электрические свойства прозрачных поликристаллических пленок ZnO:Al, полученных методом магнетронного распыления // Вопросы атомной науки и техники.- 1999.- Т.10, №2.- C.75-78.

3. Boyko B.T., Khrypunov G.S., Yurchenko G.V. Development of ITO film deposition technology for back wall solar cells // Functional Materials.- 1999.- V.6, №5.- P.943-945.

4. Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С., Юрченко Г.В. Вплив сполучених шарів на фотоелек-тричні властивості плівкових полікристалічних гетеросистем на основі телуриду кадмію // Український фізичний журнал.- 2000.- Т.45, №11.- C.1352-1355.

5. Boyko B.T., Khrypunov G.S., Kopach V.R., Yurchenko G.V. ZnO:Al film wide band window development for high efficiency solar cells based on CuInSe₂ // Functional Materials.- 2000.- V.7, №4(2).- P.812-814.

6. Boyko B.T., Khrypunov G.S., Kopach V.R., Yurchenko G.V. Study of photoelectric processes in film heterosystems based on polycrystalline Cu-In-Se layers // Functional Materials.- 2000.- V.7, №2.- P.271-274.

7. Boyko B.T., Khrypunov G.S., Chernykh O.P. Specific photoelectric and optical properties of CdS/CdTe film heterosystems with solid solution interlayer // Functional Materials.- 2000.- V.7, №3.- P.406-409.

8. Бойко Б.T., Хрипунов Г.С., Ковтун Н.А., Черніков А.І. Дослідження електричних та оптичних властивостей полікристалічних шарів ZnO:Al, отриманих методом реактивного магнетронного розпилення // Фізика і хімія твердого тіла.- 2001.- Т.2, №2.- P.189-194.

9. Boyko B.T., Kovtun N.A., Panchekha P.A., Khrypunov G.S., Chernikov A.I. Study of structure and electrical properties of doped ZnO films produced by reactive magnetron sputtering method // Functional Materials.- 2001.- V.8, №4.- P.653-657.

10. Boyko B.T., Kopach V.R., Khrypunov G.S. Chernykh O.P., Klochko N.P., Zakharchenko O.S. Storage and temperature effect on electrical parameters of film solar cells with CuIn_0.71Ga_0.29Se₂ base layer // Functional Materials.- 2001.- V.8, №3.- Р.522-528.

11. Бойко Б.Т., Черних O.П., Хрипунов Г.С., Koпaч Г.І. Плівкові фотоелектричні перетворювачі на основі CuGaSe₂ // Фізика і хімія твердого тіла.- 2001.- Т.2, №4.- С.549-558.

12. Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С., Черних O.П. Дослідження вихідних та діодних параметрів плівкових ФЕП на основі CuGaSe₂ // Фізика і хімія твердого тіла.- 2001.- Т.2, №3.- Р.435-440.

13. Tiwari A.N., Khrypunov G., Kurtzesau F., Batzner D.L., Romeo A. and Zogg H. CdTe Solar Cell in a Novel Configuration // Progress in Photovoltaic: Research and Applications.- 2004.- V.12, №1.- Р.33-38.

14. Khrypunov G.S. Development of ITO layers for high efficiency CdTe solar cells // Functional Materials.- 2004.- V.11, №2.- Р.279-283.

15. Хрипунов Г.С., Бойко Б.Т. Гибкие солнечные элементы ITO/CdS/CdTe/Cu/Au // Физическая инженерия поверхности.- 2004.- Т.2, №1.- С.1-5.

16. Khrypunov G.S. Structure, optical and electrical properties of ITO films on flexible polyimide substrates // Functional Materials.- 2004.- V.11, №4.- P.1-5.

17. Хрипунов Г.С., Mepiyц А.В. Аналіз діодних характеристик плівкових сонячних елементів на основі CdTe // Український фізичний журнал.- 2004.- Т.49, №11.- C.1188-1191.

18. Хрипунов Г.С. Особливості фотоелектричних процесів у плівкових гетеросистемах CdS/CdTe/ITO // Український фізичний журнал.- 2005.- Т.50, №4.- C.390-395.

19. Хрипунов Г.С. Влияние тыльного контакта на электрические свойства пленочных солнечных элементов на основе CdS/CdTe // Прикладная физика.- 2005.- С.101-106.

20. Хрипунов Г.С. Плівкові сонячні елементи NaCl/ITO/CdTe/Cu/Au // Фізика і хімія твердого тіла.- 2005.- Т.6, №1.- Р.153-156.

21. Хрипунов Г.С. Структурные механизмы оптимизации фотоэлектрических свойств пленочных гетеросистем CdS/CdTe // Физика и техника полупроводников.- 2005.- Т.39, №10.- С.1266-1270.

22. Khrypunov G.S. Thin film solar cells on CdS/CdTe/ITO base // Functional Materials.- 2005.- V.12, №3.- Р.517-520.

23. Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С., Меріуц А.В., Черних O.П. Дослідження плівкових сонячних елементів ITO/CdS/CdTe/Cu/Au // Фізика і хімія твердого тіла.- 2005.- Т.6, №2.- C.295-298.

24. Хрипунов Г.С. Влияние тыльного контакта на электрические свойства пленочных солнечных элементов на основе CdS/CdTe // Физика и техника полупроводников.- 2006.- Т.40, №1.- С.117-121.

25. Khrypunov G., Romeo A., Kurtzesau F., Batzner D.L., Zogg H. and Tiwari A.N. Recent developments in evaporated CdTe solar cells // Solar Energy Materials&Solar Cells.- 2006.- V.90, №6.- P.664-677.

26. Khrypunov G.S. Optimization of the frontal electrode for flexible CdTe thin film solar cells // Functional Materials.- 2006.- V.13, №.1.- Р.113-118.

27. Kurdesau F., Khripunov G., Cunha A.F., Kaelin M., Tiwari A.N. Comparative study of ITO layers deposited by DC and RF magnetron sputtering // Non-crystalline materials.- 2006.- V.352.- P.1466-1470.

28. Romeo A., Khrypunov G., Kurtzesau F., Arnold M., Batzner D.L., Zogg H. and Tiwari A.N. High-efficiency flexible CdTe solar cells on polymer substrates // Solar Energy Materials&Solar Cells.- 2006.- V.90, №18-19.- P.3407-3415.

29. Копач В.Р., Листратенко А.М., Хрипунов Г.С., Черных Е.П. Зависимость электрических параметров и спектрального отклика кремниевых фотопреоб-разователей от условий диффузионного легирования и морфологии поверхности их базовых кристаллов // Вестник ХГПУ «Новые решения в современных технологиях».- 1998.- В.17.- С.76-77.

30. Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С., Ковтун Н.А. Электрические и оптические свойства поликристаллических слоев ITO, полученных методом магнетронного распыления при комнатной температуре подложки // Вестник ХГПУ.- 2000.- В.103.- С.16-19.

31. Хрипунов Г.С. Меріуц А.В. Плівкові сонячні елементи на основі CdTe // Наукові Вісті НТУ «Київський політехнічний інститут».- 2004.- №4.- С.1-4.

32. Хрипунов Г.С., Бойко Б.Т., Копач Г.І., Меріуц А.В., Кудій Д.А., Новиков В.О. Оптимізація фотоелектричних процесів у плівкових сонячних елементах на основі CdTe // Науковий вісник Чернівецького університету.- 2005.- В.237.- Фізика. Електроніка.- С.80-85.

33. International Patent GB 2405030 A. Bifacial thin film solar cells / Tiwari A.N., Khrypunov G., Kurdezesau F., Barzner D.L., Romeo A., application number GB200300 18906 200030813, priority number GB200300 18906 200030813 dated lodged - 13.08.2003, dated published - 16.02.2005.

34. Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С., Харченко Н.М., Ковтун Н.А. Гетерофазность пленок теллурида кадмия, полученных методами вакуумной конденсации // Материалы V международной конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении».- Воронеж (Россия).- 2004.- Т.1.- С.97-99.

35. Romeo A., Khrypunov G., Kurtzesau F., Batzner D.L., Zogg H. and Tiwari A.N. High efficiency flexible CdTe solar cell on polymer substrate // Technical Digest of the 14^th International Photovoltaic Science and Engineering Conference.- Bangkok (Thailand).- 2004.- Р.715-716.

36. Копач Г.І., Хрипунов Г.С., Бойко Б.Т., Кудий Д.А. Фронтальные пленочные солнечные элементы на основе CdTe // Матеріали Х міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП- Х).- Івано-Франківськ (Україна).- 2005.- Т.1.- С.56.

37. Копач Г.І., Хрипунов Г.С., Кудій Д.А., Черних О.П. Фізичні основи оптимізації параметрів гнучких фотоелектричних перетворювачів на основі CdTe // Всеукраїнський з’їзд «Фізика в Україні».- Одеса (Україна).- 2005.- Т.1.- С.161.

38. Romeo A., Khrypunov G., Galassini S., Zogg H., Tiwari A.N. New device configu-retions for CdTe solar cells // Proceeding of Symposium 4 «Photovoltaic, Solar Energy and Thin Film».- Cancun (Mexico).- 2006.- Invited Talk S4-5 (1-4 PP).