Большинство таких моделей является той или иной модификацией барьера Шоттки — барьера между полупрозрачным слоем металла и полупроводником. Резкий изгиб зон в полупроводнике на границе с металлом создает разделяющий барьер, необходимый для работы солнечного элемента. Роль полупрозрачного металла могут также выполнять полупрозрачные проводящие оксидные пленки из широкозонных полупроводниковых материалов.

Параметры подобных солнечных элементов на основе кремния были постепенно улучшены и путем оптимизации свойств полупрозрачных металлических пленок доведены до уровня, характерного для монокристаллических кремниевых солнечных элементов с p-n-переходом; дорогостоящие металлические слои (серебро, хром, золото) в случае базового слоя из кремния успешно заменены полупрозрачными слоями из недорогого алюминия; резко увеличено напряжение холостого хода и уменьшен обратный ток насыщения в результате введения на границе барьера Шоттки очень тонкой (толщиной 10–20 А) пленки диоксида кремния, выращиваемой предварительно (перед нанесением верхнего полупрозрачного проводящего слоя) на поверхности кремния различными методами: термическим окислением на воздухе или в кислороде при 400^oС в течение 20–30 мин, анодным электрохимическим окислением или выдержкой в подогретом до 60–70 °C растворе перекиси водорода в течение 2—15 мин, как сообщается в одной из работ.

Изгиб зон на поверхности полупроводника и разделяющий барьер можно получить также за счет оксидного слоя с сильным встроенным зарядом. Этот инверсионный слой, как, впрочем, и диффузионный легированный слой, может быть использован также для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации на освещаемой поверхности; разделение носителей заряда в этом случае осуществляется на р⁺- и n⁺-барьерах к базовому слою, расположенных с тыльной стороны элемента, что, кстати, облегчает коммутацию элементов в группы и модули солнечной батареи с помощью печатного монтажа.

Процесс изготовления всех перечисленных моделей солнечных элементов выгодно отличается от высокотемпературной термодиффузии (800–900^oC), применяемой для получения p-n-перехода в кремнии, поскольку создание разделяющего барьера требует сравнительно низкой (200–400 °C) температуры. Барьеры Шоттки и МОП- или ПОП-структуры (металл — оксид — полупроводник или полупроводник — оксид — полупроводник) могут быть созданы не только на монокристаллических материалах, но и на поликристаллических и ленточных, а также на пленках из аморфного кремния.

Нанесение барьеров Шоттки или МОП-структур может быть осуществлено в едином технологическом цикле с получением контактов и просветляющих покрытий двумя способами:

все операций Проводятся в одной вакуумной камере или в ряде камер, соединенных шлюзами, с использованием трафаретных масок или «сухой» фотолитографии;

все операции осуществляются на воздухе или в среде инертного газа методами химической пульверизации, шелкографии, химического пли электрохимического нанесения.

Следует, однако, отметить, что высокие значения КПД (12–15 % в наземных условиях) солнечных элементов с барьером Шоттки, а также с МОП- и ПОП-структурами получены, как правило, с использованием изотипного р — р⁺- или п — n⁺-барьера на тыльной стороне базового слоя или подлегированных областей под контактами, образуемых термодиффузией примесей. Операция подлегирования вносит, конечно, в процесс изготовления элементов новых моделей стадию, плохо поддающуюся автоматизации. Для получения изотипного барьера в базе кремниевых солнечных элементов с барьером Шоттки и МОП- или ПОП-структурами осуществлялось вплавление алюминия, предварительно нанесенного на тыльную поверхность термическим испарением в вакууме или на воздухе в виде пасты с органическим связующим, а также создавались МОП- и ПОП-структуры, аналогичные тем, с помощью которых изготовляют верхний разделяющий барьер. В частности, слои Al — SiO_x-p-Si использовались для создания разделяющего барьера, а слои Pt — SiO_x-p-Si — тыльного изотипного барьера, причем слой платины мог быть сплошным. Эти усовершенствования говорят о возможности получения изотипных барьеров в базе солнечных элементов в едином автоматизированном технологическом цикле.

В качестве примера на рис. 4.4 представлена спектральная зависимость чувствительности и коэффициента собирания одного из солнечных элементов из монокристаллического кремния с ПОП-структурой и тонким промежуточным слоем (десятки ангстрем) оксида SiO_x на поверхности кремния. Верхний прозрачный проводящий слой (пленка ITO)^[8] был нанесен методом химической пульверизации из смеси оксидов индия и олова. Толщина этого слоя 700 А (при поверхностном слоевом сопротивлении около 120 Om∕□), вследствие чего он одновременно выполнял роль эффективного просветляющего покрытия. У полученных солнечных элементов при измерении на имитаторе внеатмосферного Солнца КПД составлял 10,8 %. Это значение может быть существенно увеличено путем снижения последовательного сопротивления элементов, в частности, за счет оптимизации свойств пленки ITO, а также размеров и толщины контактной сетки на верхней освещаемой поверхности элементов.

Рис. 4.4. Спектральная зависимость чувствительности (1) и коэффициента собирания (2) солнечного элемента с гетероструктурой ITO — SiO_x — Si (монокристаллический кремний n-типа с удельным сопротивлением ρ = 10 Ом×см).

Рис. 4.5. Спектральная зависимость коэффициента поглощения кремния

1 — монокристаллический; 2 — нелегированный аморфный с водородом; 3,4 — аморфный n- и р — типа соответственно

Для получения дешевых и в то же время достаточно эффективных солнечных элементов перспективно использование кремниевых слоев, полученных на графитовых пластинках или пленках (так называемого «кремния на графитовой ткани»).

Типичный процесс изготовления дешевых и высокоэффективных солнечных элементов, как показано в ряде детальных исследований, состоит из следующих этапов:

распыление расплава металлургического кремния и его очистка посредством многократного выщелачивания в водной среде;

осуществление направленной кристаллизации расплава на поверхности термостойких графитовых пластин, лент или тканей (служащих подложками), в результате которой образуются слои металлургического кремния р⁺-типа с низким удельным сопротивлением (0,01 Ом×см), состоящие из довольно крупных кристаллитов;

последовательное выращивание эпитаксиального слоя p-Si толщиной ~25 мкм с удельным сопротивлением 0,1–1,0 Ом×см и неоднородно легированной пленки n⁺-Si толщиной ~10 мкм методом химического осаждения из паровой фазы с использованием термически активированной реакции восстановления трихлорсилана (необходимая легирующая примесь содержится в водороде) при температуре подложки около 1150^o C и средней скорости роста ~1 мкм/мин;

получение контактной сетки с помощью вакуумного испарения Ti и Ag через металлическую маску;

создание просветляющего покрытия из SnO₂ путем окисления тетраметилолова пои температуре 400^o C в атмосфере Аr;

отжиг полученной структуры в атмосфере Не, стимулирующий диффузию примесей к границе зерен.

Графитовая пластина служит омическим контактом к р⁺-области элемента, достаточно структурно совершенные эпитаксиальные слои кремния обеспечивают эффективное образование и собирание носителей заряда, обладающих в таких слоях большим временем жизни, а низкоомная подложка из металлургического кремния p⁺-типа обусловливает появление электрического поля на границе раздела p-Si — p⁺-Si вблизи тыльной поверхности. Вследствие неоднородного легирования верхнего слоя n⁺-Si в нем образуется тянущее электрическое поле.