Polisilīcija saules šūnu izstrāde
Neorganiskās saules šūnas realizēšanai tiek izveidotas divas struktūras: 1) uz amorfā silīcija bāzes (ar un bez lāzera kristalizācijas) un 2) struktūra uz svina sulfīda nanokristālu bāzes kā alternatīva, kas potenciāli spējīga aizvietot organisku šūnu tandēmā silicija šūna – organiskā šūna.
1. Saules šūnas izstrāde uz amorfa silicija materiāla bāzes
Atšķirībā no kristāliska silīcija saules šūnām, kas bāzētas uz p-n parejas, saules šūnās uz amorfā silīcija bāzes izmanto p-i-n struktūru. Tas ir saistīts ar to, ka kristāliska silīcija lādiņnesēju mobilitāte ir augsta, un tie pārvietojas no augstas koncentrācijas apgabala uz zemas koncentrācijas apgabalu pateicoties difūzijas mehānismam. Amorfajam silīcijam lādiņneseju mobilitāte ir krietni mazāka, un saules šūnā tie pārvietojas elektriskā lauka iedarbībā. Leģētu slāņu biezums ir neliels (ar kārtu 10-100 nm), bet leģēšanas pakāpe ir augsta. Neleģēta i-slāņa, kas atrodas starp n- un p-tipa slāņiem, biezums ir krietni lielāks – ar kārtu 100-1000 nm. Lādiņnesēju ģenerācija notiek i-slānī.
Ir zināms, ka amorfā silīcija saules šūnas degradējas (tām samazinās efektivitāte) ar laiku apgaismošanas dēļ (t.s. Stablera-Vronska efekts). Šis efekts tomēr ir ievērojami mazāks mikrokristāliskajam silīcijam. Amorfo silīciju var daļēji pārveidot par mikrokristālisko, to apstrādājot ar lāzeru. Amorfā silīcija kristalizēšanai tika izmantots zaļš impulsa lāzers (532 nm). Attēlā 1.1. ir redzams, ka zaļa gaisma var iziet cauri dažiem simtiem nanometru mikrokristāliskajā silīcijā.
 |
1.1. attēls. Gaismas absorbcija amorfajā, kristāliskajā un mikrokristāliskajā silicijā. |
Slāņu uznešanas parametri un secība:
- Optiski caurspīdīgs vadošs In-Sn oksīds. Metode: magnetrona uzputināšana.
- Amorfs p+ leģēts Si. Metodes: Magnetrona uzputināšana, (PECVD). Prekursori SiH4 + B2H6 , nesējgāze Ar. Slāņa biezums 40 – 150 nm. Leģēšanas pakāpe; elektronu koncentrācija 1019 cm3.
- Amorfs i –Si, neleģēts. Metode: magnetrona uzputināšana (PECVD). Prekursors SiH4, nesējgāze Ar. Slāņa biezums 100-800 nm.
- Amorfs n– leģēts Si. Metode: magnwetrona uzputināšana (PECVD). Prekursori SiH4 + PH4, nesējgāze Ar. Slāņa biezums 40 – 15080 nm.
- Metāla kontakts (Al): Termiskā uztvaicēšana.
 |
1.2. attēls. Amorfā silīcija p-i-n saules šūnas struktūra. |
Rezultāti.
Amorfā silīcija p-i-n struktūras voltampēra raksturlīkne. 1.3. attēlā redzams, ka īsslēguma strāva šim paraugam ir 0,012 mA un spriegums 0,5 V. Labuma faktors ir zems.
 |
1.3. attēls. Amorfā silīcija p-i-n struktūras voltampēra raksturlīkne ar un bez apgaismojuma. |
Ar lāzeru kristalizēta amorfā silīcija p-i-n struktūras voltampēra raksturlīkne. 1.4. attēlā redzams, ka salīdzinājumā ar nekristalizēto šūnu īsslēguma strāva palielinājās apmēram 2 reizes un ir vienāda ar 0.022 mA pie 0.5 V sprieguma. Labuma faktors ir uzlabojies.
 |
1.4. attēls. Ar lāzeru kristalizēta amorfā silīcija p-i-n struktūras voltampēra raksturlīkne ar un bez apgaismojuma. |
Var secināt, ka, izmantojot lāzera kristalizāciju (viļņa garums 532 nm), ir iespējams uzlabot amorfā silīcija saules šūnas parametrus, ar lāzeru apstrādājot vienlaicīgi visu p-i-n šūnas struktūru (kopējais šūnas biezums ir 400 nm).
2. Saules šūnas izstrāde uz svina sulfīda nanokristālu materiāla bāzes
Nanokristālus saules šūnām var sintezēt ar koloīdķīmijas metodēm. Nanokristālos ir iespējams realizēt kvantu ierobežojuma efektu: nanokristāliem ar diametru, mazāku par eksitona Bora rādiusu, aizliegtās zonas platums palielinās. Spēja sintezēt nanokristālus ar dažādiem aizliegtās zonas platumiem, vienkārši mainot to rādiusu, ir ļoti svarīga efektīvai Saules spektra izmantošanai un tandēma saules šūnu arhitektūru izstrādei. Nanokristālu saules šūnu ražošanas galvenā priekšrocība ir iespēja uzklāt nanokristālu plānās kārtiņas uz šķīduma bāzes, kas ir daudz lētāk salīdzinājumā ar monokirstāliskā silīcija tehnoloģiju un pat ar ķīmisko tvaiku uzklāšanu. Projekta ietvaros tika sintezēti PbS nanokristālus, jo to absorbcijas spektru var labi saskaņot ar amorfā silīcija saules šūnas absorbcijas spektru (attēls 2.1.) Palielinot nanokristālu izmērus, gaismas absorbcijas malu var nobīdīt tālāk infrasarkanajā diapazonā līdz pat 3100 nm.
 |
2.1. attēls. Svina sulfīda nanokristālu gaismas absorbcija |
Svina sulfīda nanokristālu (PbS NCs) saules šūnas darbības princips balstās uz Šottki spieguma barjeras, kura veidojas starp nanokristālisko pusvadītāju kartiņu un metālisku elektrodu (att. 2.1.). Gaismas fotoni, kuri tiek absorbēti PbS nanokristālu plānajā kārtiņa, veido elektronu-caurumu pārus, kuri sabrūk Šottki elektriska laukā un sadalās uz elektroniem un caurumiem, kuri uzlādē attiecīgus elektrodus.
 |
2.2. attēls. Svina sulfīda nanokristālu saules šūnas enerģijas diagramma |
 |
| 2.3. attēls. Svina sulfida nanokristalu saules šūnas struktūra |
Lai izveidotu saules šūnu uz PbS NCs bāzes, ir nepieciešams uzklāt 50-100 nm biezu nanokristālu plāno kārtiņu uz ITO pamatnes ar rotējošā diska metodi, un pēc tam uzputināt augšējo elektrodu (mūsu gadījumā - Al), izveidojot ITO/PbS/Al sistēmu (2.2. att.). Paraugu apgaismojot ar gaismas avotu, īsslēguma strāva ir 0.4 mA un spriegums 0.275 V (2.3. att.).
 |
2.4. attēls. PbS nanokristālu saules šūnas voltampēru raksturlīkne ar un bez apgaismojuma |
Ņemot vērā, ka PbS nanokristāliskās šūnas elektrodi ir ITO un Al (kas labi saskan ar a-silicija saules šūnu), un arī iespēju izmantot PbS šūnu infrasarkanajā saules spektra daļā, var uzskatīt, ka PbS nanokristāliska šūna ir laba alternatīva organiskajai šūnai tandēma veidošanai.
2. Kopsavilkums
Neorganiskās saules šūnas realizēšanai izveidotas divas struktūras: 1) Amorfa silīcija slāņu kristalizācija ar impulsu lāzera kūli. 2) Saules šūna struktūra uz svina sulfīda nanokristālu bāzes kā alternatīva, kas pēc spektrālā jutības zaļajā-zilajā spektra rajonos potenciāli spējīga aizvietot organisku šūnu tandēmā silicija šūna – organiskā šūna. Izstrādātā kristalizācijas tehnoloģija nodrošina saules šūnu ražošanu pie zemām temperatūrām uz lokanas polomēra plēves. Izstrādātā tehnoloģija nodrošina visas amorfā silīcija slāņu struktūras vienlaicīgu kristalizāciju, kas ražošanas operāciju skaitu, vienkāršo aprīkojumu un potenciāli samazina saules šūnas ražošanas izmaksas. Izstrādāts saules šūnas prototips, realizē jaunus paņēmienus un to realizāciju. Parādīts, saules enerģijas konversijas efektivitāte kristalizētā slāņu struktūrā pārsniedz tipisko silīcija saules šūnu efektivitāti ar amorfa silīcija aktīvo slāni.
