В базовом солнечном элементе с переходом Шоттки (барьером Шоттки) интерфейс между металлом и полупроводником обеспечивает изгиб зон, необходимый для разделения зарядов. [1] Традиционные солнечные элементы состоят из слоев полупроводников p-типа и n-типа , расположенных вместе, образуя источник встроенного напряжения ( p-n-переход ). [2] Из-за различных уровней энергии между уровнем Ферми металла и зоной проводимости полупроводника создается резкая разность потенциалов вместо плавного перехода зон, наблюдаемого через p-n-переход в стандартном солнечном элементе, и это барьер высоты Шоттки . [3] Несмотря на уязвимость к более высоким скоростям термоионной эмиссии , производство солнечных элементов с барьером Шоттки оказывается экономически эффективным и масштабируемым в промышленном масштабе. [4]
Однако исследования показали, что тонкие изолирующие слои между металлом и полупроводниками улучшают производительность солнечных элементов, вызывая интерес к солнечным элементам с переходом Шоттки металл-изолятор-полупроводник. Тонкий изолирующий слой, такой как диоксид кремния , может снизить скорость рекомбинации пар электронов и дырок и темнового тока , позволяя неосновным носителям туннелировать через этот слой. [5]
Переход Шоттки — это попытка повысить эффективность солнечных элементов путем введения уровня энергии примеси в запрещенную зону. Эта примесь может поглощать больше фотонов с более низкой энергией, что повышает эффективность преобразования энергии элемента. [6] Этот тип солнечного элемента обеспечивает улучшенное улавливание света и более быстрый транспорт носителей по сравнению с более традиционными фотоэлектрическими элементами. [7]
Солнечные элементы на основе перехода Шоттки могут быть изготовлены с использованием различных типов материалов.
Одним из материалов является селенид кадмия . [8] Как полупроводник с прямой запрещенной зоной , CdSe имеет множество применений в современных технологиях. Предыдущие эксперименты с использованием CdSe в солнечных элементах привели к эффективности преобразования энергии приблизительно 0,72%. [8] Лян Ли и др. предлагают использовать одиночные наноленты селенида кадмия на электродах. Этот метод использует электронно-лучевую литографию , или EBL, которая обеспечивает более эффективный метод синтеза для разработки солнечных элементов с переходом Шоттки. Хотя этот материал пока не обеспечивает большой эффективности преобразования энергии, появление более простых методов изготовления показывает многообещающие результаты в наноэлектронных приложениях. [8] Проводятся дальнейшие исследования для повышения эффективности элементов селенида кадмия.
При создании объемных гетеропереходных солнечных элементов оксид никеля (II) p-типа является эффективным анодным слоем. Его функция как широкозонного полупроводника помогает сглаживать поверхность анода и помогает максимальному потоку фотонов достигать активного слоя. В этом случае также измерялась толщина NiO, и увеличение толщины снижает эффективность элемента. В этих элементах оксид никеля заменяет поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат, или PEDOT:PSS , что приводит к резкому повышению производительности при сохранении стабильности элемента. По сравнению с элементом из селенида кадмия, элементы из диоксида никеля обеспечивают эффективность преобразования энергии до 5,2% [9] .
При правильных условиях элемент на основе арсенида галлия может обеспечивать эффективность около 22%. Это считается МИС, или металл-изолятор-полупроводник , и требует тонкого оксидного слоя для предотвращения подавления фототока. [10] Шэн С. Ли и др. впервые показали, что эффективная высота барьера, равная энергии запрещенной зоны, может быть реализована, если толщина и плотность легирующей примеси p-слоя, а также плотность легирующей примеси в n-подложке выбраны правильно. [10]