WPŁYW TRAWIENIA CHEMICZNEGO NA PARAMETRY ELEKTROOPTYCZNE KRAWĘDZIOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH Joanna Kalbarczyk, Marian Teodorczyk, Elżbieta Dąbrowska, Konrad Krzyżak, Jerzy Sarnecki
kontakt srebrowy kontakt srebrowy powierzchnia oświetlana powierzchnia oświetlana Rys. 1. Od lewej: ogniwo planarne, pojedyncze ogniwo krawędziowe, bateria z ogniw krawędziowych.
CHARAKTERYSTYKA OGNIWO KRAWĘDZIOWE -oświetlana krawędź płytki (bardzo mała powierzchnia czynna), kontakty na powierzchniach bocznych ogniwa OGNIWO PLANARNE -oświetlana powierzchnia płytki, kontakty na powierzchni czynnej, krawędzie nie biorą udziału w procesie ZALETY WADY OBRÓBKA CHEMICZNA - absorpcja fotonów z zakresu podczerwieni; możliwość eksploatacji przy dużych gęstościach mocy - mały prąd z pojedynczego ogniwa, konieczność łączenia ogniw celem uzyskania większych napięć; małe rozmiary utrudniające obróbkę płytek; obniżona sprawność w zakresie krótkofalowym spowodowana rekombinacją na czynnej powierzchni ogniwa wymagana specyficzna obróbka chemiczna powierzchni oświetlanej w celu eliminacji zjawisk rekombinacyjnych - teksturyzacja krawędzi, trawienie musi być nieinwazyjne - krawędzie mogą ulegać przewężaniu - stosunkowo łatwa obróbka chemiczna -nagrzewanie się ogniw - konieczność odprowadzania ciepła; zaburzenia pracy ogniw spowodowane nawet drobnymi zabrudzeniami na powierzchni; upływności krawędziowe, trudności z lutowaniem kontaktów, część powierzchni zajęta przez kontakty; obniżona sprawność przetwarzania fotonów o energii bliskiej krawędzi absorpcji spowodowana odległością absorpcji większą niż długość drogi dyfuzyjnej nośników mniejszościowych - teksturyzacja powierzchni czynnej, nakładanie warswty pasywacyjnej i antyrefleksyjnej, konieczność odizolowania krawędzi poprzez ich trawienie lub pasywację
Prace badawcze obejmowały trzy etapy: I optymalizacja warunków trawienia w roztworach kwasowych II optymalizacja warunków trawienia w roztworach zasadowych III połączenie obu procesów trawienia Do badań użyte zostały krzemowe epitaksjalne krawędziowe ogniwa słoneczne w postaci pasków o szerokości 3 mm, długościach 30 70 mm i grubości krawędzi 100 μm wyciętych z płytek o średnicy 100 mm. Ogniwa miały naniesione kontakty elektryczne w postaci napylonych metodą sputteringu warstw Al/Ni/Au.
TRAWIENIE KWASOWE -WYNIKI Wykres 1. Zależność sprawności w funkcji składu roztworu trawiącego dla poszczególnych czasów trawienia ogniw.
Widać wyraźnie, że najlepsze wyniki uzyskane zostały dla trawienia trzyminutowego w roztworze HF:HNO 3 1:2. a) b) Rys. 2. Struktura krawędzi ogniwa: a) przed trawieniem; b) po trzyminutowym trawieniu w roztworze HF:HNO 3 1:2.
TRAWIENIE ZASADOWE -WYNIKI Wykres 2. Zależność natężenia prądu od napięcia (charakterystyka jasna) przykładowego ogniwa: - po trawieniu zasadowym (30% KOH 60 0 C, 10 min) i nałożeniu kontaktu Ag (niebieska krzywa); - po wtopieniu kontaktu Ag ( czerwona linia). Wykres 3. Zależność natężenia prądu od napięcia (charakterystyka jasna) przykładowego ogniwa: - po trawieniu zasadowym (30% KOH 70 0 C, 10 min) i nałożeniu kontaktu Ag (niebieska krzywa); - po wtopieniu kontaktu Ag (czerwona krzywa).
Najlepsze wyniki uzyskane zostały dla dziesięciominutowego trawienia w 30% roztworze KOH w temperaturze 60-70 0 C. Maksymalne uzyskane napięcie układu otwartego wynosiło 0,49 V, przy prądzie zwarcia około 0,8 ma. Uzyskany w tym przypadku współczynnik wypełnienia wynosił 0,65. a) b) Rys. 3. Struktura krawędzi ogniwa: a) przed trawieniem; b) po dziesięciominutowym procesie trawienia zasadowego w 30% roztworze KOH, w temperaturze 60 0 C.
TRAWIENIE DWUETAPOWE (KWASOWO-ZASADOWE) -WYNIKI Kolejnym etapem było połączenie obu procesów: trawienia w warunkach kwaśnych i alkalicznych. Ogniwa zostały wytrawione w roztworze HF:HNO 3 1:2 w czasie 180 sekund, a następnie dokonano trawienia alkalicznego w warunkach dających najlepsze efekty w poprawie parametrów elektrooptycznych: a) w 20% roztworze KOH, w temperaturze 80 0 C, w ciągu 10 minut; b) w 30% roztworze KOH, w temperaturze 60 0 C, w ciągu 10 minut a) b) Rys. 4. Struktura krawędzi ogniwa po trzyminutowym trawieniu w roztworze HF: HNO 3 1:2 oraz: a) po dziesięciominutowym trawieniu w 20% roztworze KOH, w temperaturze 80 0 C; b) po dziesięciominutowym procesie trawienia zasadowego w 30% roztworze KOH, w temperaturze 60 0 C. Trawienie mieszane daje wyraźną poprawę zarówno napięcia, jak i prądu ogniwa, tym samym poprawia się także współczynnik wypełnienia. Maksymalne osiągnięte w tym przypadku parametry: 0,44 V (napięcie układu otwartego) i 0,7 ma (prąd zwarcia). Osiągnięty dla tych parametrów współczynnik wypełnienia wynosi 0,64.
a) b) Wykres 4. Zależność natężenia prądu od napięcia ogniwa trawionego przez 10 minut w 30% roztworze KOH, a następnie odtleniona w roztworze HF:H 2 O 1:1 w czasie 1 minuty: a) charakterystyka jasna; b) charakterystyka ciemna Pomiar wykonany w Laboratorium Fotowoltaicznym IMIM PAN w Kozach
MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWAŃ APLIKACYJNYCH - poprawa parametrów elektrooptycznych ogniw ze względu na duży udział prądów krawędziowych -możliwość zastosowania ogniw krawędziowych w połączeniu z koncentratorami fluorescencyjnymi
TRAWIENIE KWASOWE: Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych WNIOSKI - najlepsze wyniki dla trawienia w roztworze HF:HNO 3 1:2 w czasie 3 minut - poprawa parametrów ogniw wraz ze wzrostem stosunku HF:HNO 3 - zbyt duże rozwinięcie powierzchni podczas zbyt długiego trawienia powoduje spadek sprawności TRAWIENIE ZASADOWE: -znacząca poprawa parametrów elektrooptycznych ogniw - najlepsze wyniki dla trawienia w 30% roztworze KOH w temperaturze 60-70 0 C - wzrost temperatury powoduje wzrost szybkości trawienia; szybsze trawienie powoduje przewężanie krawędzi ogniw TRAWIENIE MIESZANE (KWASOWO-ZASADOWE): -duża ingerencja chemiczna w powierzchnię płytki spowodowała liczne przewężenia krawędzi oraz problemy z pomiarem - trawienie mieszane daje lepsze efekty niż trawienie kwasowe, ale nie poprawia parametrów ogniw tak korzystnie, jak trawienie zasadowe
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ