АНТИБЛИКОВЫЕ СВОЙСТВА ГРАДИЕНТНО-ПОРИСТЫХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР

Теоретически достижимая эффективность фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для однопереходных солнечных элементов (СЭ) составляет 30 %. Однако стоимость выработанной с помощью СЭ электроэнергии уже сейчас сравнялась с электроэнергией, полученной при сжигании природного газа. При этом максимально подтвержденное значение КПД для СЭ составляет 26,3 %. Таким образом, все еще наблюдается определённое отставание от теоретически возможного значения. Анализ потерь современных ФЭП показывает, что не менее 10 % связано с отражательной способностью поверхности СЭ, поэтому наряду с интенсивными исследованиями по гетеропереходным и тонкопленочным конструктивным решениям рассматриваются и другие способы, позволяющие более чем вдвое повысить КПД преобразования. В настоящей работе существенное внимание уделено формированию антирефлекторных покрытий. Одним из перспективных антиотражающих материалов является пористый кремний, получивший в литературе название «черный кремний» (black silicon b-Si). Развитие технологий химического и анодного травлений кремния, а также низкая стоимость и простота процесса формирования позволяют создавать пористые b-Si структуры с контролируемыми параметрами антиотражающих слоёв. В работе представлен сравнительных анализ результатов исследования коэффициентов отражения различных пористых пленок, полученных анодным травлением поверхности кремниевых пластин с ориентацией (100) и (111). Экспериментально установлено значительное уменьшение коэффициента отражения в диапазоне видимого света от 400 нм до 1 200 нм для всех образцов с пористыми слоями по сравнению с образцами без пористых слоев. Впервые определены антибликовые характеристики для вариативных градиентно-пористых (GPSi-var) структур с нанопористым внешним слоем. Значение коэффициента отражения GPSi-var структур падает до уровня 0,1 % в диапазоне исследуемых частот светового излучения. При этом установлено, что для всех пористых слоев на кремнии характерна тенденция уменьшения степени отражения по мере уменьшения длины волны света до значения меньше 10 % (по сравнению с коэффициентом отражения поверхности пластин кремния на уровне 30 %).

1. Green, M.A. Solar cell efficiency tables (version 49) [Text] / M.A. Green [et al.] // Prog. Photovolt: Res. Appl. – 2016. – Vol. 25. – P. 3–13

2. Shockley, W. Detailed balance limit of efficiency of p-n-junction solar cells [Text] / W. Shockley, H.J. Queisser // Appl. Phys. – 1961. – Vol. 32. – P. 510.

3. Алферов, Ж.И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики [Текст] / Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев // ФТП. – 2004. – Т. 38 – Вып. 8. – С. 937–948.

4. Battaglia, C. High-efficiency crystalline silicon solar cells: Status and perspectives [Text] / C. Battaglia, A. Cuevas, S. De Wolf // Energy and Environmental Science. – 2016. – Vol. 9. – P. 1552–1576.

5. Aberle, A. G. Advanced loss analysis method for silicon wafer solar cells [Text] / A.G. Aberle [et al.] // Energy Procedia. – 2011. – Vol. 8. – P. 244–249.

6. Nishijima, Y. Anti-reflective surfaces: Cascading nano/microstructuring [Text] / Nishijima Y. [et al.] // APL Photonics. – 2016. – Vol. 1 – P. 076104.

7. Hao-Chih, Y. Efficient black silicon solar cell with a density-graded nanoporous surface: Optical properties, performance limitations, and design rules [Text] / Y. Hao-Chih [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2009. – Vol. 95. – P. 123501.

8. Yamada, N. Characterization of antireflection moth-eye film on crystalline silicon photovoltaic module [Text] / N. Yamada [et al.] // Opt. Express. – 2011. – Vol. 19. – P. A118–A125.

9. Korotcenkov, G. Porous Silicon: from Formation to Applications: Optoelectronics, Microelectron ics, and Energy Technology Applications Vol. 3 [Text] / G. Korotcenkov. – CRC Press., 2016.

10. Brongersma, M.L. Light management for photovoltaics using high-index nanostructures [Text] / M.L. Brongersma, Y. Cui, S. Fan // Nature materials. – 2014. – Vol. 13. – P. 451–460.

11. Roodenko, K. Anisotropy in HydrogenPassivated and Organically Modified Nanoporous Silicon Surfaces Studied by Polarization Dependent IR Spectroscopy [Text] / K. Roodenko [et al.] // Langmuir. – 2009. – Vol. 25. – P. 1445–1452.

12. Zhao, Y. Engineering Porous Silicon Photonic Structures towards Fast and Reliable Optical Biosensing [Text] / Y. Zhao. – Vanderbilt University, 2017.

13. Gianneta, V. High-Performance Crystalline Si Solar Cell on n-Type Si With a Thin Emitter by AlInduced Crystallization and Doping [Text] / V. Gianneta, A. Travlos, A. G. Nassiopoulou // IEEE Journal of Photovoltaics. – 2016. – Vol. 6. – No 5. – P. 1109–1114.

14. Djurisic, A.B. Stability issues of the next generation solar cells [Text] / A.B. Djurisic [et al.] // Physica Status Solidi. Rapid Research Letters. – 2016. – Vol. 10. – P. 281–299.

15. Zhiqin, Y. High-performance black multicrystalline silicon solar cells by a highly simplified metal-catalyzed chemical etching method [Text] / Y. Zhiqin [et al.] // IEEE Journal of Photovoltaics – 2016. – Vol. 6. – P. 888–893.

16. Jang, H.S. Combinational Approach of Electrochemical Etching and Metal-Assisted Chemical Etching for p-Type Silicon Wire Formation [Text] / H.S. Jang [et al.] // Electrochemical and Solid-State Letters. – 2011. – Vol. 14. – P. D5–D9.

17. Arenas, M.C. Nanocrystalline porous silicon: structural, optical, electrical and photovoltaic properties [Text] / M.C. Arenas [et al.]. Chapter from the book “Crystalline Silicon–Properties and Uses”. – P. 251–274.

18. Gao, P. Efficient light trapping in low aspectratio honeycomb nanobowl surface texturing for crystalline silicon solar cell applications [Text] / P. Gao [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 103. – P. 253105.

19. Mokrushin, A. Positron annihilation and infrared spectroscopy studiesof porous silicon [Text] / A. Mokrushin [et al.] // Physica Status Solidi (a). – 2003. – Vol. 197. – No 1. – P. 212–216.

20. Стаpков, В.В. Пористый кремний: свойства и актуальные применения [Текст] / В.В. Стаpков, Д.В. Иpжак, М.Ю. Барабаненков // Перспективные материалы – 2008. – Vol. 1. – P. 102–108.

21. Starkov, V. V. Formation of Local Insulating Regions by Stain Mask Etching [Text] / V.V. Starkov [et al.] // Russian Microelectronics. – 2001. – Vol. 30. – No 2. – P. 88–93.

22. Starkov, V.V. Dielectric porous layer formation in Si and Si/Ge by local stain etching [Text] / V.V. Starkov [et al.] // Phys.Stat.Sol.(a). – 2000. – Vol. 182. – P. 93–96.

23. Vyatkin, A. Random and ordered macropore formation in p-type silicon [Text] / A. Vyatkin [et al.] // J. Electrochem. Soc. – 2002. – Vol. 149. – P. G70 – G76.

24. Шатковскис, Э. Аномальное увеличение коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики в коротковолновой области солнечного спектра у кремниевого фотоэлемента, содержащего структуру из пористого кремния [Текст] / Э. Шатковскис [et al.] // Письма в ЖТФ. – 2013. – Т. 39. – Вып. 21. – P. 23–29.

25. Starkov, V.V. Graphene-like films deposition in the porous structure of silicon electrodes [Text] / V.V. Starkov [et al.] // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2017. – Vol. 53. – No 1. – P. 85–87.