1.5.5 Фотоэлементы на основе кристаллических пленок III-V групп

Полупроводниковые материалы на основе соединений групп III (Al, Ga, In) и V (N, P, As, Sb) известны с 1950 года, а в начале 1960-х годов были созданы и первые фотоэлементына основе арсенида галлия, которые тут же нашли применение в космических исследованияхблагодаря устойчивости к космическому излучению и высокой эффективностифотопреобразования. Из всех соединений групп III-V наиболее широко применяются InP иGaAs, поскольку они имеют почти идеальную ширину запрещенной зоны в 1,4 эВ.

Наибольшая эффективность на структурах с одним переходом была достигнута натонкопленочных устройствах, сформированных методом газофазной эпитаксии: 25,8% дляGaAs и 21,9% для InP.

Недостатком устройств на пленках соединений III-V групп является высокаястоимость подложек, обеспечивающих эпитаксиальный рост этих материалов. Кроме этого,эффективность фотопреобразования пленок очень чувствительна к примесям и структурнымдефектам, что не позволяет упростить технологию их осаждения и снизить стоимостьпроизводства ячеек. Выход их этой ситуации: использовать ячейки с несколькимипереходами, обеспечивающими более полное поглощение солнечного спектра, а такжеиспользовать концентрирование солнечной энергии с большой площади на небольшойфотоэлемент. В этом случае вместо дорогостоящего фотоэлемента используетсясущественно более дешевое концентрирующее устройство, например, линза Френеля. Врезультате стоимость фотоэлемента снижается пропорционально степени концентрированиясолнечного излучения. Современный рекорд эффективности фотопреобразования,достигнутый на структуре с тремя переходами при концентрировании в 364 раза, составляет41,6%. Увеличение количества гетеропереходов больше 3 приводит к значительномуудорожанию фотоэлемента, поэтому основной рынок для высокоэффективных устройств счетырьмя и более гетеропереходами –аэрокосмическая промышленность.

1.5.6 Фотоэлементы на основе органических материалов

В последнее время солнечные элементы на основе органических материаловвызывают все больший интерес как исследователей, так и компаний, производящихсолнечные элементы. Это связано с постоянным ростом эффективности этих устройств. Такв декабре 2009 года компания Solarmer (США) сообщила о фотоэффективности в 7,9%, а ужев июле 2010 года эта же компания заявила о новом рекорде в 8,13%. Несмотря на то, что

эффективность фотопреобразования органических фотоэлементов выглядит довольноскромно по сравнению с неорганическими фотоэлементами, однако эти устройства обладаютцелым рядом положительных свойств, благодаря которым они составляют реальнуюконкуренцию неорганическим элементам. К этим свойствам относятся малый расход инизкая стоимость материалов, их экологическая безопасность и дешевая утилизация, оченьнизкая стоимость производства, гибкость модулей и связанное с этим удобствотранспортировки и монтажа. Благодаря этому компания Solarmer заявила, что в ближайшеевремя она достигнет стоимости электроэнергии, производимой органическими элементами, в350,12-0,15 $/кВт·ч или <1$/Вт, что соответствует лучшим образцам неорганическихтонкопленочных фотоэлементов второго поколения.

Органические полупроводники могут быть как мономерами, например, красители, таки полимерами. Допирование органических полупроводников может быть осуществленовведением посторонних атомов или молекул. Например, р-типа полупроводники получаютвводя галогены, нитрогруппу, органические молекулы, такие как 2,4,7-тирнитрофлуоренонили орто-хлоранил, а также полупроводники с большим сродством к электрону: фуллеренили диамидпирилена. n-типа проводимость можно получить вводя щелочные металлы илиполупроводники с низким потенциалом ионизации.

Простейшей архитектурой для полимерного фотоэлемента является планарнаягетероструктура, в которой на пленку фотоактивного полимера (донор) наносится пленкаэлектронного акцептора, на которые с двух сторон наносятся электроды. В настоящее времяв качестве фотоактивного материала используются полимеры с сопряженными С-С связями,модифицированные фуллеренами. В полимерных полупроводниках, в отличие отнеорганических полупроводников, поглощенный фотон генерирует экситон, т.е. электрон-дырочную пару, связанную кулоновскими силами. Эта электронейтральная квазичастицадиффундирует к донорно-акцепторной границе, где происходит ее диссоциация насвободные электрон и дырку, дающие вклад в фототок. Типичная длина диффузии экситоновв органических полупроводниках составляет 1-10 нм. Такой же толщины должна быть ипленка фотоактивного полимера, однако при такой толщине эта пленка имеет очень низкийкоэффициент оптического поглощения. Одним из способов решения этой парадигмыявляется использование объемных гетеропереходов, когда донорный и акцепторныйматериалы образуют фазово-разделенную систему, например, при расслоении раствора

полимеров или при деполимеризации раствора блоксополимера с последующейполимеризацией двух фаз из составляющих его мономерных блоков, например, приупорядочении раствора блоксополимеров. Варьируя материалы, растворители, ихконцентрации и условия процесса, можно получать взаимопроникающие системы фаз схарактерным размером 1-10 нм. Другим решением является созданиеупорядоченныхгетероструктур. Наиболее часто эта концепция реализуется в так называемыхгибридных, т.е. органических/неорганических структурах, например, когда фотоактивный

полимер заполняет поры TiO2, или наночастицы кремния заполняют полимерную матрицу,образуя перколяционную систему, или структуру из наностержнейInP, выращенных напроводящей подложке, заполняют полимером.

Недостатком фотоэлементов на основе органических материалов, помимо невысокойэффективности фотопреобразования, является проблема стабильности свойств, присущаясопряженным полимерам.