Фізико-технологічні основи оптимізації плівкових сонячних елементів на основі сульфіду та телуриду кадмію

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ І РАДІАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

01.04.07 - фізика твердого тіла

УДК 621.383:537.221

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

АВТОРЕФЕРАТ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ОПТИМІЗАЦІЇ ПЛІВКОВИХ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА ОСНОВІ СУЛЬФІДУ ТА ТЕЛУРИДУ КАДМІЮ

ХРИПУНОВ ГЕННАДІЙ СЕМЕНОВИЧ

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор фізико-математичних наук, професор Бойко Борис Тимофійович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” МОН України, завідувач кафедри фізичного матеріалознавства для електроніки та геліоенергетики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Беляєва Алла Іванівна Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” МОН України, професор кафедри загальної та експериментальної фізики;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Білоус Віталій Арсентійович Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій
Національного наукового центра “Харківський фізико-технічний
інститут” НАН України, заступник директора;

доктор фізико-математичних наук, професор Клюй Микола Іванович Інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться “12” листопада 2007 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 у Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61003, м. Харків, вул. Гамарника, 2, корпус У-3, НТУ “ХПІ”, ауд. 204.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61024, м. Харків, вул. Гуданова, 13. Відгук на автореферат дисертації надсилати на адресу: 61002, м. Харків, вул. Чернишевського, 28, а/с 8812.

Автореферат розісланий “08” жовтня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 Пойда А.В

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Практичний досвід Англії, Німеччини, США та Японії переконливо показує, що, за умови державної фінансової підтримки, однією зі складових вирішення енергоекологічних проблем людства є широкомасштабне використання сонячних елементів (СЕ). В таких екологічно чистих відновлюваних джерелах енергії відбувається безпосереднє перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну енергію. Економісти свідчать, що тільки плівкові СЕ в майбутньому потенційно спроможні конкурувати з традиційними джерелами енергії, оскільки собівартість вироблюваної ними електричної енергії може бути в чотири рази нижче, ніж у розповсюджених зараз кремнієвих монокристалічних приладових структурах. Такий суттєвий економічних ефект зумовлений тим, що для ефективного фотоелектрично-активного поглинання світла достатньо плівкового базового шару товщиною усього кілька мікрометрів.

Окрім того, технологія виготовлення плівкових приладових структур характеризується меншою енергоємністю. Плівкові СЕ з базовим шаром CdTe є одними з найбільш перспективних для наземного застосування, оскільки у відповідності до ширини забороненої зони телуриду кадмію (Eg=1,46 еВ) такі приладові структури мають максимальний серед одноперехідних напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів теоретичний коефіцієнт корисної дії (ККД) - 29%. Для організації широкомасштабного промислового виробництва таких СЕ достатньо природних запасів телуру та кадмію. Комплексні хімічні дослідження доказали, що CdTe - стійка та нетоксична сполука.

Максимальний ККД кращих лабораторних зразків плівкових СЕ на основі гетеросистем CdS/CdTe становить 16,5%. В таких СЕ базові шари CdTe формуються методом осадження в замкнутому об'ємі за підвищеного тиску аргону. Цей лабораторний метод проблематично адаптувати до промислових умов, оскільки використання високих температур підкладки (~600оС) і значних швидкостей осадження ( 100 Е/с) обумовлює необхідність: застосування складних систем контролю для забезпечення необхідної однорідності на значній площині та використання спеціальних стоячих термостабільних скляних підкладок, які не містять натрію. Тому в промислових умовах для осадження базових шарів CdTe застосовують метод хімічного вакуумного випаровування, який характеризується меншими температурами осадження (~500оС), що дає можливість використовувати економічні скляні підкладки, які містять натрій. Однак при цьому ККД промислових зразків сонячних модулів не перевищує 10 %, а собівартість виробленої ними електричної енергії менша, ніж у монокристалічних кремнієвих СЕ, усього на чверть. У той же час дослідження, спрямовані на розробку СЕ на основі CdS/CdTe таким високотехнологічним та добре адаптованим до промислового виробництва методом, як термічне вакуумне випаровування, за рідким виключенням, не проводяться. Необхідно відмітити, що рівень вакуумного обладнання підприємств електронного профілю України дає можливість реалізовувати цей метод.

При створенні ефективних плівкових СЕ на основі CdS/CdTe зазвичай оптимізують кристалічну структуру та фотоелектричні властивості сполучених шарів таких приладів. Проте за останній час при використанні цього підходу прогрес у збільшенні ефективності СЕ на основі CdS/CdTe суттєво зменшився: з 1993 року по 2007 рік ККД вдалося підвищити всього на 0,7%.

З урахуванням більшої економічності та більшої радіаційної стійкості плівкові СЕ на основі CdS/CdTe є альтернативою СЕ на основі монокристалічного Si та GaAs не тільки при наземному, а і при заатмосферному використанні, за умови зменшення ваги підкладки для суттєвого збільшення приведеної потужності (відношення виробленої електричної потужності до ваги СЕ). Приведена потужність являє собою найважливішу технічну характеристику при заатмосферному використанні сонячного елемента, оскільки її величина обумовлює собівартість виводу на орбіту автономних джерел електроенергії космічних апаратів.

Одним з сучасних напрямків розвитку фотоенергетики є створення тандемних приладових структур, в яких для більш ефективного фотоелектричного перетворення сонячного випромінювання використовують кілька базових шарів з різною шириною забороненої зони. При цьому в конструкції СЕ з більшою шириною забороненої зони базового шару необхідно застосовувати прозорі тильні електроди, що дає можливість фотонам, які в ньому не поглинулися, надходити до наступного СЕ тандемної структури. Плівкові СЕ на основі CdS/CdTe в таких приладах не застосовують, оскільки до останнього часу не були розроблені прозорі тильні електроди до полікристалічних шарів CdTe р-типу електропровідності.

Отже, необхідність проведення даного дисертаційного дослідження, присвяченого розробці фізико-технологічних основ оптимізації плівкових СЕ на основі CdS/CdTe, зумовлена тим, що існуючі підходи до розробки таких приладових структур, по-перше, вже не забезпечують подальшого підвищення ККД і гальмують створення економічних промислових технологій для їх широкомасштабного виробництва, а по-друге, не дають можливості реалізовувати перспективні для розвитку наземної та космічної фотоенергетики конструкції сонячних елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертацію виконано на кафедрі фізичного матеріалознавства для електроніки та геліоенергетики Національ-ного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства науки і освіти України. Основні результати було одержано в ході виконання плано-вих держбюджетних тем, міжнародних проектів та чотирьох особистих грантів, наданих дисертанту Швейцарським технологічним інститутом (м. Цюріх) для стажу-вання в лабораторії тонких плівок цього закладу в 1998, 2002, 2003, 2006 роках:

1. “Розробити сонячні модулі на основі плівкових та гібридних ФЕП з ККД до 10% для використання в ролі відновлюваних джерел енергії” (1994-1996 р., номер держреєстрації 0195У0014005);

2. “Фізичні основи одержання металевих та напівпровідникових плівкових матеріалів для електроніки та геліоенергетики” (1997-1999 р., номер держреєстрації 0197У001907);

3. “Highly Efficient Thin Film Solar Cells Based on Chalcogenide Semiconductors” (1995-1997, Contract INTAS - 94-3998);

4. “Thin Film Solar Cells of Compound Semiconductors” (1997-1998, Contract 7IP050129 of Swiss National Science Foundation);

5. “Preparation of Calcopyrite Thin Films and Solar Cells by Actived Deposition Method” (1995-1997, Contract INTAS - 96-0206);

6. “Фізичні основи стабілізації оптичних і фотоелектричних властивостей та ефективності роботи фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії на основі багатошарових композицій з напівпровідникових, діелектричних та металевих плівок” (2000-2002 р., номер держреєстрації 0100U001669);

7. “Розробка фізичних основ технологій, які збільшують ефективність, надійність і економічність фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії” (2003-2005 р., номер держреєстрації 0103U001540).

В перелічених вище науково-дослідних роботах автор дисертації брав участь як виконавець або як відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - розробка фізико-технологічних основ оптимізації плівкових сонячних елементів на основі сульфіду та телуриду кадмію, яка спрямована на підвищення їх ефективності, довговічності та технологічності, створення нових типів таких приладових структур, адаптованих до промислового виробництва та придатних для широкомасштабного використання в наземних та заатмосферних умовах.

Для досягнення сформульованої мети необхідно було вирішити комплекс задач фундаментального та прикладного характеру:

1. Розробити комплексний підхід, який дасть можливість ідентифікувати домінуючі фізичні механізми, що визначають ефективність плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe.

2. Встановити фізичні фактори, які необхідно враховувати при формуванні прозорих електродів високоефективних плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe різної конфігурації.

3. Визначити фізичні закономірності впливу технологічних параметрів виготовлення базового та сполучених шарів приладової структури на ефективність фотоелектричного перетворення у плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe.

4. Розробити гнучкі сонячні елементи на основі CdS/CdTe з високою приведеною потужністю.

5. Створити новий тип плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe з прозорим тильним електродом, який має двосторонню фоточутливість та може бути використаним у тандемних фотоелектричних перетворювачах.

Об'єктом дослідження є плівкові сонячні елементи на основі сульфіду та телуриду кадмію.

Предметом дослідження є фізичні закономірності впливу технологічних параметрів виготовлення і конструкції плівкових сонячних елементів на основі сульфіду та телуриду кадмію на їх функціональні характеристики.

Методи дослідження. Формування плівок ITO, ZnO:Al, ZnO проведено методом магнетронного розпилення, для осадження плівок CdS, CdTe, CdCl2, Cu, Au було використано метод термічного вакуумного випаровування. Структуру та фазовий склад зразків досліджували методами рентгендифрактометрії і електронної мікроскопії. Елементний склад та розподіл домішок у плівках досліджували за допомогою рентгенівського детектора растрового електронного мікроскопа та методом вторинної іонної мас-спектрометрії, відповідно. Оптичні властивості плівок досліджували методами двоканальної оптичної спектроскопії. Фотоелектричні властивості СЕ досліджували методом темнової вольт-фарадної характеристики (ВФХ), світлової та темнової вольт-амперної характеристики (ВАХ), а також шляхом визначення спектральних залежностей коефіцієнта квантової ефективності. Теоретичний аналіз фотоелектричних процесів у СЕ проводився шляхом моделювання впливу світлових діодних характеристик на ККД.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлено, що еволюція вихідної кристалічної та енергетичної структури фронтальних електродів, яка відбувається в процесі формування плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe тильної конфігурації, спроможна лімітувати ККД таких приладових структур.

2. Вперше визначено, що у плівкових сонячних елементах на основі CdS/CdTe тильної конфігурації збільшення ефективності розподілу нерівноважних носіїв заряду, яке зі зростанням товщини шару сульфіду кадмію обумовлено зниженням шунтування приладової структури гетеропереходом n-ITO/pCdTe і зміщенням гетеропереходу nCdSxTe1-x-pCdTe від міжфазної границі CdS-CdTe в глибину шару телуриду кадмію, супроводжується зниженням густини потоку фотонів, які надходять до базового шару.

3. Експериментально показано, що традиційне зниження товщини базового шару телуриду кадмію у відповідності до глибини поглинання світла не призводить до збільшення ККД плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe. Це зумовлено частковим шунтуванням гетеропереходу nCdSxTe1-x-pCdTe у результаті дифузії домішки з тильного контакту, а за відсутності дифузії - збільшенням негативного впливу рекомбінації на тильній поверхні на діодні характеристики цього сепаруючого бар'єру.

4. Встановлено, що перетворення метастабільної гексагональної модифікації телуриду кадмію, яка раніше не виявлялася через вихідну текстурованість цього базового шару, у стабільну кубічну модифікацію являє собою структурний механізм, який при проведенні “хлоридної” обробки обумовлює зростання ККД у плівкових сонячних елементах на основі CdS/CdTe, одержаних вакуумним випаровуванням.

5. Визначено, що основною технологічною новацією при виготовленні гнучких сонячних елементів на основі CdS/CdTe, яка забезпечує формування приладових структур з високою приведеною потужністю, є попередній відпал на повітрі фронтальних електродів ITO (оксиди індію та олова) в режимах, відповідних умовам проведення “хлоридної” обробки.

6. Створено новий тип плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe, який має двосторонню фоточутливість та може бути використаним у тандемних фотоелектричних перетворювачах. При прикладанні прямого зсуву у таких приладових структурах виявлено ефект зміни полярності фотоструму, зумовлений наявністю потенціального бар'єру n-ITO-p+CdTe.

7. Уперше експериментально доведено, що використання нанорозмірних прошарків міді призводить до покращення ефективності фотоелектричного перетворення у двосторонньо фоточутливих сонячних елементах на основі CdS/CdTe без зниження деградаційної стійкості таких приладових структур.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Виготовлені лабораторні зразки плівкових СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au тильної конфігурації на скляних підкладках з ККД 11,2%. При створенні таких СЕ гетеросистема CdS/CdTe формується шляхом термічного випаровування у промисловому вакуумі (10-4 Па), що доводить можливість створення промислової технології означених приладових структур, адаптованої до рівня підприємств електронного профілю України, та такої, що вигідно відрізняється від існуючих світових аналогів своєю економічністю.

2. Виготовлені лабораторні зразки гнучких СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au тильної конфігурації з рекордним значенням приведеної електричної потужності - 2,5 кВт/кг, яке на порядок перевищує цей параметр для кращих існуючих аналогів монокристалічних СЕ на основі арсеніду галію. Це свідчить про перспективність розробки на основі створених гнучких приладових структур нового покоління автономних джерел електроенергії для космічних апаратів.

3. Вперше виготовлені плівкові СЕ SnOх:F(ITO)/ZnO/CdS/CdTe/Cu/ITO з прозорим тильним електродом і ККД при фронтальному напрямку освітлення - 10,7% на скляних підкладках та 10,4% на поліімідних плівках. При використанні в конструкції таких приладових структур надтонких базових шарів CdTe (1 мкм), ці СЕ мають достатньо високе значення середнього коефіцієнту пропускання у спектральному діапазоні [850-1100] нм - 55,2%, що доводить перспективність розробки на їх основі плівкових тандемних фотоелектричних перетворювачів.

4. Практичні результати роботи захищені міжнародним патентом на винахід (спосіб виготовлення плівкових СЕ на основі CdS/CdTe з двосторонньою фоточутливістю). На Ізюмському казенному приладобудівному заводі впроваджено технологію одержання прозорих електродів без нагрівання підкладки. В Українській оптичній компанії “Єврооптика” для створення світлофільтрів запроваджено технологію одержання прозорих плівок сульфіду кадмію. В науково-дослідному технологічному інституті Національного космічного агентства України (м. Харків) впроваджені конструктивно-технологічні рішення гнучких сонячних елементів на основі сульфіду і телуриду кадмію. Це підтверджено актами у Додатках А, Б, В до дисертації.

Особистий внесок здобувача полягає в ініціюванні проведення всієї серії досліджень, що стосуються проблем створення різних типів плівкових СЕ на основі CdS/CdTe. В дисертації представлені результати, які одержано автором одноосібно і опубліковано у [14, 16, 18-22, 24, 26], а також під його науковим керівництвом і за його визначальної участі [1, 3, 4, 7, 8, 15, 17, 23, 25, 30-32, 34-38]. В цих роботах автору належить постановка задачі дослідження, вибір методів її розв'язання, виготовлення лабораторних зразків СЕ, дослідження вихідних параметрів СЕ, визначення фізичних механізмів, які обумовлюють ефективність фотоелектричного перетворення у плівкових СЕ на основі CdS/CdTe, участь у проведенні досліджень оптичних, електричних та фотоелектричних властивостей сполучених шарів СЕ, написання статей, тез та доповідей. В роботах [5, 13, 27, 28, 32] автору належить вибір методів розв'язання задачі та її практична реалізація. В роботах [6, 10-12, 29] автор розробляв та проводив експериментальну апробацію комплексного підходу до аналізу ефективності СЕ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені та обговорені на 24 конференціях і семінарах: II Международной научно-технической конференции “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”, Харьков, 1994; Международной школе-конференции по информационным технологиям, Харьков, 1997; Third International school-conference “Physical problems in material science of semiconductors”, Chernivtsi, 1999; Третьем международном симпозиуме “Вакуумные технологии и оборудование”, Харьков, 1999; Міжнародній науковій конференції “Фізика тонких плівок. Формування, структура та фізичні властивості”, Харків, 1999; Международ-ной научно-технической конференции “Информационные технологии: наука, техни-ка, технология, образование, здоровье”, Харьков, 2000; Международной научно-технической конференции “Информационные технологии: наука, техника, техноло-гия, образование, здоровье”, Харьков, 2001; YIII Міжнародній конференції з фізики и технології тонких плівок, Івано-Франківськ, 2001; 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich, 2001; 1-ій Українській науковій конференції з фізики напівпровідників, Одеса, 2002; IX Міжнародній конференції з фізики та технології тонких плівок, Івано-Франківськ, 2003; 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Osaka, 2003; 2-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників, Чернівці-Вижниця, 2004; 14th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Bangkok, 2004: V Международной конференции “Нелиней-ные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении”, Воронеж, 2004; 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, 2004; Х Міжнародній конференції з фізики та технології тонких плівок, Івано-Франківськ, 2005; Всеукраїнському з'їзді “Фізика в Україні”, Одеса, 2005; International Conference “ICANS 21. Science and Technology”, Lisbon, 2005; YII Міжнародній конференції “Фізичні явища у твердих тілах”, Харків, 2005; Spring meeting “E-MRS IUMRS ICEM”, Nice, 2006; Symposium 4 “Photovoltaic, Solar Energy and Thin Film”, Cancun, 2006; 21st EUPVSE Conference, Dresden, 2006; ХІ Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок та наносистем, Івано-Франківськ, 2007.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 38 роботах, з яких 32 (9 - без співавторів) є статтями у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 1 робота є міжнародним патентом на винахід, 5 робіт є тезами доповідей на наукових конференціях, які мають пріоритетний характер.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, восьми розділів, висновків, списку використаних джерел (350 джерел) і 4 додатків. Вона містить 316 сторінок, 81 рисунок, 45 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету і задачі дисертаційної роботи, предмет, об'єкт та методи дослідження, викладено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У розділі 1 “Конструктивно-технологічні підходи до збільшення ефективності плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe” представлено аналіз літератури з проблем створення ефективних СЕ. Проаналізовано вагомий внесок у розвиток фізичних уявлень про особливості кристалічної та енергетичної структури CdTe вчених Інституту фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України (М.К. Шейнкман, В.М. Комащенко із співр.), Інституту загальної фізики РАН (А.Н. Георгобіані із співр.), Чернівецького національного університету (І.М. Раренко із співр.). Визначено, що на Україні перші ефективні плівкові СЕ оригінальної конструкції на основі гетеропереходу pCu1.8S-nCdTe більше 15 років тому було розроблено в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України (В.М. Комащенко та С.Ю. Павелець зі співр.). При цьому було запропоновано фізичну модель оптимізації плівкового СЕ, яка передбачала наближення вихідної кристалічної та енергетичної структури полікристалічних плівок CdTe до монокристалічних, шляхом застосування базових шарів зі стовпчастою структурою. При цьому були розвинуті фізико-технологічні основи легування шарів CdTe донорною домішкою у процесі росту у квазізамкненому об'ємі. Пізніше закордонними дослідниками більшої ефективності та стійкості до деградації експериментально було досягнуто у плівкових СЕ на основі pCdTe/nCdS. Тому, починаючи з 1972 року, було проведено багато експериментальних робіт, спрямованих на створення ефективних плівкових СЕ на основі CdS/CdTe. Однак такі роботи, в основному, мали технологічний характер і були орієнтовані на емпіричне встановлення оптимальних режимів виготовлення таких СЕ. При цьому проблема створення економічної промислової вакуумної технології СЕ на основі CdS/CdTe, за рідким виключенням, була поза увагою науковців.

Аналіз літератури показав, що при розробці сучасних ефективних плівкових СЕ на основі CdTe/CdS легування базового шару здійснюється не у процесі осадження, а при проведенні “хлоридної” термообробки за рахунок еволюції електрично активних точкових дефектів. При цьому, внаслідок існування в системі CdCl2-CdTe низькотемпературної евтектики, відбувається перекристалізація базового шару, що знижує вимоги стосовно високої вихідної якості кристалічної структури CdTe, яка раніше досягалася шляхом осадження базових шарів у квазізамкненому об'ємі в умовах, близьких до термодінамічно рівноважних. Встановлено, що у базових шарах сучасних ефективних плівкових СЕ не спостерігається стовпчастої структури, а експериментально досягнута ефективність монокристалічних СЕ на основі телуриду кадмію (=11,7%) нижче, ніж у плівкових приладових структур (=16,5%).

Визначено, що суттєвою проблемою при створенні ефективних плівкових СЕ на основі CdS/CdTe залишається формування фронтальних прозорих електродів на основі легованих плівкових шарів оксидів металів, фізико-технологічні режими одержання яких були б адаптовані до технологічного процесу створення СЕ. До останнього часу фізична роль сульфіду кадмію в конструкції СЕ на основі CdS/CdTe є предметом наукових дискусій. Режими “хлоридної” обробки, яку широко застосовують для суттєвого підвищення ККД плівкових СЕ на основі CdS/CdTe, визначені емпірично та мають значний розкид. Незважаючи на велику кількість досліджень, створення стабільних тильних електродів до плівок CdTe р-типу електропровідності залишається актуальною проблемою. Наприкінці першого розділу зроблено висновок про необхідність еволюції існуючої фізичної моделі оптимізації плівкового СЕ на основі CdS/CdTe та сформульовані основні експериментальні проблеми, які необхідно вирішити для підвищення ККД та деградаційної стійкості таких приладових структур в умовах інтенсивної дифузійної, міжфазної взаємодії сполучених шарів та розвинутої зернограничної поверхні базового шару телуриду кадмію.

Розділ 2 “Розробка комплексного підходу до оптимізації технологічних параметрів виготовлення плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe” присвячений методичному забезпеченню теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних у роботі. Викладено технологічні операції виготовлення плівкових СЕ на основі CdS/CdTe. Формування гетеросистем (ГС) CdS/CdTe відбувалося методом термічного вакуумного випаровування. СЕ виготовлялися в тильній (рис.1, а) або фронтальній конфігураціях (рис.1, б). Освітлення СЕ тильної конфігурації відбувається зі сторони підкладки, фронтальної - з протилежної сторони. Після формування ГС CdS/CdTe СЕ тильної конфігурації проводилася “хлоридна” обробка. Для цього на поверхню CdTe методом термічного вакуумного випаровування осаджувався шар CdCl2 та проводився відпал на повітрі за температури 430оС протягом 25 хвилин. При виготовленні СЕ фронтальної конфігурації застосовувалися інші схеми проведення “хлоридної” обробки. Так, шар CdCl2 осаджувався після, або до формування шару CdS, або після осадження частини шару CdTe. Після “хлоридної” обробки ГС та травлення поверхні базового шару у розчині брому в метанолі формувалися контакти. Для цього плівки ZnO:Al, ITO осаджували методами магнетронного розпилення, плівки Cu, Au - методом вакуумного випаровування з наступним відпалом контакту Cu/Au на повітрі за температури 200оС.

Було проведено розробку комплексного підходу, який дозволяє ідентифікувати фізичні механізми, що обумовлюють ефективність СЕ. Відповідно до еквівалентної схеми СЕ, кількісними характеристиками, які визначають ККД, є світлові діодні характеристики: густина діодного струму насичення Jо, коефіцієнт ідеальності діода А, густина фотоструму Jф, послідовний електроопір Rп і електроопір Rш, що шунтує, які розраховуються на одиницю площі СЕ. Зв'язок ККД СЕ зі світловими діодними характеристиками в неявному виді описується теоретичною світловою вольт-амперною характеристикою:

Jн = -Jф+Jо{exp[е(Uн-JнRп)/(Акт)]-1}+(Uн - JRп)/Rш,

де Jн - густина струму навантаження; е - заряд електрона; k - стала Больцмана; Т - температура сонячного елемента; Uн - напруга навантаження.

Аналіз виразу (1) показує, що зі збільшенням Jф, Rш та зі зменшенням Jо, А, Rп ефективність СЕ зростає. В роботі шляхом апроксимації за допомогою ПЕОМ одержаних експериментально значень Iн і Uн, теоретичною залежністю (1) визначали світлові діодні характеристики СЕ та вихідні параметри (густину струму короткого замикання Jкз, напругу холостого ходу Uхх, фактор заповнення світлової ВАХ - FF) та розраховували ККД СЕ.

Для ідентифікації світлових діодних характеристик, які зумовлюють зміну ефективності СЕ за зміни технології їх виготовлення, згідно з (1), проводили чисельне моделювання. Для цього для кожного набору світлових діодних характеристик проводили розрахунок теоретичної світлової ВАХ, за якою потім визначали прогнозований ККД СЕ. При кожному кроці моделювання змінювалася лише одна світлова діодна характеристика. Таке моделювання дозволяє при варіюванні технологічних режимів визначити кількісний вплив експериментально спостереженої зміни кожної з діодних характеристик на зміну ККД приладової структури. Це суттєво звужує напрямок подальших експериментальних досліджень з визначення фізичних механізмів впливу технологічних параметрів виготовлення на ККД СЕ.

Вимірювальну частину установки для визначення світлових та темнових ВАХ було реалізовано на 4145А Semiconductor analyzer (Hewlett Packard). Керування вимірюваннями ВАХ здійснювалося ПЕОМ. Коефіцієнт квантової ефективності Q() СЕ визначали шляхом вимірювання спектральної залежності фотоструму. Вимірювальна система передбачала можливість у процесі проведення вимірювань фотоструму подавати на СЕ, що досліджували, постійну напругу. Модуляція світлового потоку з частотою 230 Гц дозволяла при проведенні вимірювань компенсувати постійну складову фотоструму і визначати полярність перемінної складової. Керування вимірюваннями й обробка електричного сигналу здійснювалися за допомогою ПЕОМ. Вимірювання темнових ВФХ СЕ проводили високочастотним LCR-метром (HP4275A, Hewlett Packard) шляхом одночасної подачі на зразок постійної напруги в інтервалі (-2В; +2В) і синусоїдального сигналу з частотою 100 кГц і амплітудою 10 мВ. Апаратура, яку використовували для проведення вимірювань, належала Швейцарському технологічному інституту та пройшла міжнародну сертифікацію.

Пошаровий елементний аналіз досліджуваних зразків проводили за допомогою рентгенівського детектора растрового електронного мікроскопа Philips CM30. Для дослідження розподілу домішок за глибиною застосовували метод вторинної іонної мас спектроскопії. Для цього було використано систему CAMECA - IMS3F.

У розділі 3 “Оптимізація технології виготовлення фронтальних прозорих електродів для плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe” викладено результати досліджень з оптимізації технологічних параметрів магнетронного розпилення найбільш економічних, за собівартістю мішені, плівкових прозорих електродів ZnO:Al для створення ефективних СЕ на основі CdS/CdTe фронтальної конфігурації. При оптимізації необхідно було визначити режими магнетронного осадження, які б не тільки забезпечували необхідні електричні та оптичні властивості фронтальних електродів (поверхневий електроопір R?? 12 Ом/? і середній коефіцієнт пропускання в діапазоні [400-800] нм - T400-800 ? 86%), а й у процесі осадження плівки ZnO:Al мінімізували негативну міжфазну та дифузійну взаємодію у сформованій раніше приладовій багатошаровій системі. Для цього треба було одержувати плівкові електроди без нагрівання підкладки. Експериментально було визначено, що для оптимізації властивостей шарів ZnO:Al, одержаних методом високочастотного магнетронного розпилення без нагрівання підкладки, необхідно використовувати мінімально можливі тиски аргону, за яких ще стійко працює магнетрон. Встановлено, що оптимальна питома потужність магнетрона визначається співвідношенням позитивного теплового впливу плазми на кристалічну структуру плівок ZnO:Al за рахунок підвищення температури фронту кристалізації і негативного впливу на структурну досконалість цих шарів підвищення швидкості осадження за збільшення потужності магнетрона. Визначено, що кількість кисню в аргоні являє собою критичний технологічний параметр, що є нетрадиційним для нереактивного магнетронного розпилення і зумовлено тим, що одним з факторів, завдяки якому можна інтенсифікувати процес окислення, є збільшення концентрації кисню в зоні реакції. Разом з наближенням магнетрона до підкладки це обумовлює зменшення концентрації вакансій кисню в плівках ZnО:Al, що є необхідною умовою для підвищення коефіцієнта пропускання цих шарів. Проте надлишок кисню у легованих шарах оксиду цинку суттєво знижує концентрацію основних носіїв заряду (n) за рахунок окислення легованої домішки. Експериментально показано, що плівки ZnО:Al з високими оптичними та електричними параметрами - R?=6 Ом/? і T400-800 = 88% без спеціального нагрівання підкладки можуть бути одержані методом високочастотного нереактивного магнетронного розпилення мішені, яка складається з 98 мас.% ZnО і 2 мас.% Al2O3 за питомої електричної потужності магнетрона 1,3 Вт/м2 і парціального тиску аргону 0,4 Па, якщо протягом першої хвилини розпилення в камеру додатково подавати кисень на рівні 0,1% щодо парціального тиску аргону.

Були проведені дослідження, спрямовані на створення фронтальних прозорих електродів ZnO:Al для СЕ тильної конфігурації на основі CdS/CdTe. При розробці електродів необхідно було визначити такі технологічні умови магнетронного розпилення, які б забезпечували оптимальні оптичні та електричні властивості плівок ZnO:Al у складі приладової структури після наступних високотемпературних осаджень сполучених шарів та термообробки виготовленого СЕ. Було встановлено, що після відпалу на повітрі за температури 430оС протягом 25 хвилин, який моделює вплив на властивості плівок ZnО:Al обов'язкової при виготовленні ефективних СЕ на основі CdS/CdTe “хлоридної” обробки, концентрація основних носіїв заряду (n) у шарах зменшується на кілька порядків, що викликає відповідне збільшення R?. Це, поза залежністю від температури осадження плівок ZnО:Al, унеможливлює використання таких фронтальних електродів у конструкції ефективних СЕ тильної конфігурації на основі CdS/CdTe.

Для створення прозорих електродів для СЕ тильної конфігурації були проведені дослідження другого придатного для цього плівкового шару - ITO. Було визначено, що у плівках ITO поза залежністю від режимів формування, як і у плівках ZnO:Al, після відпалу на повітрі за температури 430оС протягом 25 хвилин спостерігається зростання R?, що зумовлено зменшенням n. Останнє пов'язано з відходом олова з вузлів кристалічної підґратки індію на зернограничну поверхню у процесі окислювання. Проте, на відміну від плівок ZnO:Al, завдяки більшій енергії утворення оксидів олова в порівнянні з оксидами алюмінію, зменшення концентрації основних носіїв заряду у відпалених шарах ITO не носить такого катастрофічного характеру по відношенню до оптимального значення R?. Були визначені технологічні параметри високочастотного нереактивного магнетронного розпилення, що забезпечують оптимальні оптичні й електричні властивості плівок ITO не тільки у вихідному стані на скляних підкладках, а і у складі приладової структури СЕ на основі CdS/CdTe тильної конфігурації. Після відповідних технології створення СЕ на основі CdS/CdTe відпалів у вакуумі і на повітрі плівки ITO, які були отримані на скляних підкладках за питомої електричної потужності магнетрона 1,5 Вт/м2, парціального тиску аргону 0,8 Па, концентрації кисню у складі аргон-кисневої суміші 3 об.%, температури осадження 450оС, мають необхідні для створення ефективних CЕ властивості: R =12 Ом/? іT400-800 = 90,5%. Для створення гнучких СЕ методом нереактивного високочастотного магнетронного розпилення на тонких поліімідних плівках фірми Upilex були отримані прозорі й електропровідні шари ITO. Плівки ITO, осаджені у визначених оптимальних режимах магнетронного розпилення, мають R? = 4,6 Ом/?. Середній коефіцієнт пропускання системи плівка ITO - поліімідна плівка в спектральному діапазоні [500-900] нм, що відповідає області фоточутливості ГС CdS/CdTe, складає T500-900=68,8%. Після відпалу на повітрі за температури 430оС протягом 25 хвилин R? зростає до 11,1 Ом/?, T500-900 збільшується до 72%.

У розділ 4 “Дослідження фізичних закономірностей, які визначають ефективність плівкових сонячних елементів на основі CdS/CdTe тильної конфігурації” представлені результати досліджень фізичних механізмів впливу сполучених шарів на ККД. При вивченні фізичних механізмів впливу шару сульфіду кадмію визначалися ефективність (), вихідні параметри і світлові діодні характеристики СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au тильної конфігурації (таблиця 1), які осаджувалися на скляних підкладках і мали різну товщину шару CdS (dCdS). Товщини шарів CdTe (dCdTe) і CdCl2 (dCdCl2) складали 4 мкм і 0,35 мкм, відповідно.

Таблиця 1 - Вплив шару CdS на ККД, вихідні параметри і світлові діодні характеристики СЕ

Моделювання показало, що визначальний вплив на зростання за збільшення dCdS до 0,1 мкм спричиняє зниження Jо і збільшення Rш. Дійсно, промоделювати спостережену експериментально зміну ефективності СЕ за рахунок експериментально спостереженої зміни тільки однієї з вказаних світових діодних характеристик не вдається (рис.2, а і б). Так, якщо розраховані з експериментальної ВАХ СЕ, в конструкції якого шар сульфіду кадмію був відсутній, світлові діодні характеристики Rп, Rш, A, Jф зафіксувати, а зменшувати Jо від 9,310-5 А/см2 до 4,710-6 А/см2 (зразки 1, 2 у табл. 1), то теоретична ефективність приладової структури збільшується тільки до =4,2% (рис.2, а). Якщо зафіксувати Rп, Jо, A, Jф, а змінювати Rш від 57 Омсм2 до 178 Омсм2 (зразки 1, 2 у табл. 1), то теоретична ефективність збільшується тільки до =3,2% (рис.2, б). При цьому кількісний вплив зміни інших світлових діодних характеристик на зафіксовану експериментально зміну ККД за вказаного вище зростання dCdS на порядок нижчий.

Рис.2. Моделювання впливу зміни світових діодних характеристик на зміну
ККД СЕ: 1, 2, 3, 4, 5 - зразки СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au (таблиця 1):

- теоретичний ККД; ^- експериментальний ККД

Зростання ККД СЕ на основі CdS/CdTe за збільшення dCdS від 0,1 мкм до 0,4 мкм обумовлене зниженням Jо (рис.2, в). Так, якщо розраховані з експериментальної світлової ВАХ СЕ, в конструкції якого товщина шару сульфіду кадмію складає 0,2 мкм, світлові діодні характеристики Rп, Rш, A, Jф зафіксувати, а зменшувати Jо від 4,110-7 А/см2 до 5,710-8 А/см2 (зразки 3, 4 у табл. 1), то теоретична ефективність збільшується до 10%, що практично відповідає експериментально спостереженому значенню ККД (рис.2, в). При цьому кількісний вплив зміни інших світлових діодних характеристик на зміну на порядок нижчий.

Дослідження тонких плівок CdS методом трансмісійної електронної мікроскопії показали, що в цих шарах спостерігаються наскрізні мікропори розмі-ром (20-60) нм. Це призводить до шунтування бар'єра, який сепарує нерівноважні носії заряду, гетеропереходом (ГП) n-ITO/pCdTe. Відповідно до проведених досліджень, ГП n-ITO/pCdTe має низькі світлові діодні характеристики (табл. 1, зразок 1). Це пов'язано з тим, що невідповідність кристалічних ґраток ITO і CdTe складає 20% (для СdS і CdTe - лише 9,7%). Таким чином, зростання Rш за збільшення dCdS обумовлене зменшенням концентрації наскрізних пор у плівках CdS.

Пошаровий елементний аналіз поперечного відколу ГС СdS/CdTe свідчить про дифузію сірки в шар CdTe після проведення “хлоридної” обробки за температури 430оС протягом 25 хвилин. Відповідно до діаграми стану системи CdS-CdTe за реалізованих температур відпалу дифузія сірки приводити до формування у базово-му шарі поблизу границі CdS-CdTe прошарків твердих розчинів CdSхTe1-х (х<0,07), кристалічна структура яких відповідає кубічній фазі CdTe. Прошарки твердих розчинів CdSхTe1-х мають n-тип електропровідності, їх ширина забороненої зони залежить від елементного складу і за концентрації сірки, що спостерігається, може зменшуватися до 1,42 еВ. Зафіксований експериментально відповідний зсув краю смуги поглинання CdTe після “хлоридної” обробки свідчить про появу варизонних прошарків. Утворення твердих розчинів CdSхTe1-х знижує різницю між періодами кристалічної ґратки контактуючих шарів гетеросистеми, а також зміщує від дефектної міжфазної границі CdS-CdTe у глибину базового шару CdTe бар'єр nCdSхTe1-х-pCdTe, який розділяє генеровані під дією світла нерівноважні носії заряду. Це зменшує негативний вплив на фотоелектричне перетворення поверхневої рекомбінації і знижує рекомбінацію в області просторового заряду гетеропереходу nCdSхTe1-х-pCdTe, що разом призводить до експериментально спостереженого зменшення Jо за збільшення товщини шару CdS. Існування в виготовлених СЕ ГП nCdSхTe1-х-pCdTe підтверджується результатами дослідження висоти сепаруючого бар'єру, яка визначалася шляхом аналітичної обробки виміряних при різних температурах темнових ВАХ. Встановлено, що висота сепаруючого бар'єру плівкових СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au, яка складає 1,42 еВ і відповідає ширині забороненої зони CdSхTe1-х, суттєво більша за теоретичне значення характерне для ГП nCdS-pCdTe, (1,02 еВ). Моделювання показало, що зменшення за збільшення dCdS понад 0,4 мкм (зразки 4, 5 у табл. 1) обумовлено зниженням Jф.

Результати експериментальних досліджень свідчать про закономірне зниження коефіцієнта пропускання шарів CdS за зростання їх товщини, що обмежує кількість фотонів, які потрапляють до шару CdTe, і призводить до зниження Jф.

Були досліджені фізичні закономірності впливу товщини шару CdTe на ефективність СЕ на основі CdS/CdTe. Шляхом варіювання dCdTe експериментальних зразків СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au, за постійних dCdS = 0,4 мкм і dCdCl2 = 0,35 мкм, було встановлено, що максимальна ефективність спостерігається при dCdTe = 4 мкм. При цьому визначено, що вже при dCdTe = 1 мкм в базовому шарі CdTe поглинається більше 80% падаючого сонячного випромінювання, спектральний склад якого відповідає діапазону фоточутливості СЕ. Однак вже за зменшення dCdTe до 3 мкм істотно знижується. Моделювання показує, що це обумовлено зменшенням Rш і зростанням Jo. Відповідно до результатів пошарового елементного аналізу, зміна цих світлових діодних характеристик пов'язана з дифузією міді та золота з тильного контакту Cu/Au в область ГП nCdSхTе1-x-pCdTe. За збільшення dCdTe від 4 мкм знижується за рахунок зменшення Rш і росту Rп, що обумовлено зниженням позитивного впливу “хлоридної” обробки на ККД СЕ.

В роботі були досліджені фізичні механізми впливу “хлоридної” обробки на КПД СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au. Було визначено, що при проведенні “хлоридної” обробки максимальний ККД спостерігається при dCdCl2 = 0,35 мкм. Було встановлено, що за товщини dCdCl2 до 0,06 мкм зростання обумовлено зниженням Jo і Rп. При фокусуванні за Бреггом-Брентано на дифрактограмі базових шарів CdTe до “хлоридної” обробки виявляються тільки два дифракційних максимуми, які можна ідентифікувати як відбиття від площин (111) і (333) кубічної фази, текстурованої в напрямку [111]. Однак ці дифракційні максимуми можна також ідентифікувати як відбиття від площин (002) і (006) метастабільної гексагональної фази, текстурованої в напрямку [0001]. Для однозначного визначення фазового складу базових шарів CdTe були проведені “косі” зйомки, при яких методом /2 сканування проводилася реєстрація відбитків від площин обох фаз, які не паралельні поверхні підкладки. При спробі ввести в положення, що відбиває, площину (105)h гексагональної фази разом з нею були виявлені дифракційні максимуми площин (331)c і (422)c кубічної фази (рис.3, а). Таким чином, у вихідному стані базові шари є двофазними. Двофазність і висока концентрація дефектів упакування є характерни-ми для CdTe внаслідок незначного ( 1%) розходження в енергії утворення кубічної і гексагональної фаз.

Зростання dCdCl2 до 0,06 мкм приводить до формування після “хлоридної” обробки однофазної плівки CdTe стабільної кубічної модифікації (рис.3, б). Крім цього спостерігається зменшення ширини дифракційних максимумів (311)c та (422)c, що свідчить не тільки про зростання розмірів області когерентного розсіювання і зменшення мікродеформації у базовому шарі, а й вказує на зниження концентрації дефектів упакування, оскільки для ГЦК кристалів ці кристалографічні плоскості чутливі до таких структурних дефектів.

Визначене експериментально зменшення Rп після “хлоридної” обробки відбувається в результаті протікання добре дослідженої різними авторами хімічної реакції: CdCl2(газ) + O2(газ) + CdTe(тверде тіло) TeCl2(газ) + 2CdO(тверде тіло), яка призводить до генерації у базовому шарі дрібних акцепторних комплексів ClTe-VCd.

Моделювання показало, що зростання за подальшого збільшення dCdCl2 до 0,35 мкм викликане зниженням Jo. Це обумовлено зафіксованим експериментально збільшенням розмірів зерен та зменшенням макродеформацій у базовому шарі. Про останнє свідчить зафіксоване експериментально наближення періоду кристалічної ґратки плівок CdTe до теоретичного значення, що зумовлено зниженням орієнтуючого впливу на процес росту CdTe дрібнокристалічного текстурованого шару CdS гексагональної модифікації. При “хлоридній” обробці рекристалізація CdTe проходить без ліквації за рахунок наявності в системі CdCl2-CdTe низькотем-пературної евтектики та починається з протилежної, відносно плівки CdS, зерногра-ничної поверхні базового шару. Формування плівки CdTe за таких термодинамічно рівноважних умов приводить до оптимізації її кристалічної структури.

Встановлено, що при dCdCl2 > 0,35 мкм зменшення ККД відбувається в результаті збільшення Jo і Rп. Зростання dCdCl2 призводить до збільшення глибини зернограничної поверхні базового шару, на якій досягається критична для початку його рекристалізації концентрація хлору. Це обумовлює збільшення впливу шару CdS на процеси рекристалізації шару CdTe та зниження адгезії на міжфазній границі CdS/CdTe і, в результаті, - зростання Jo. Визначене експериментально збільшення Rп за зростання dCdCl2 більше 0,35 мкм обумовлене еволюцією точкових дефектів: за надлишку атомів хлору у базових шарах телуриду кадмію замість дрібних акцепторних рівнів ClTe - VCd формуються ізоелектронні рівні 2ClTe-VCd.

У розділі 5 “Розробка гнучких сонячних елементів на основі CdS/CdTe фронтальної конфігурації” представлені результати досліджень гнучких СЕ CdTe/CdS/ZnO:Al, які формувалися на молібденовій фользі товщиною 30 мкм з прошарком ITO для підвищення адгезії базового шару. Як прозорі електроди в конструкції таких СЕ використовували плівки ZnO:Al, отримані методом нереактивного високочастотного магнетронного розпилення без нагрівання підкладки. Низька температура сублімації шару CdCl2 не дає можливості при формуванні СЕ на основі CdTe/CdS фронтальної конфігурації використовувати схему проведення “хлоридної” обробки, таку ж, як і для ефективних СЕ тильної конфігурації. Тому при одержанні СЕ CdTe/CdS/ZnO:Al фронтальної конфігурації були апробовані інші схеми проведення “хлоридної” обробки. Проте найбільша ефективність досліджених приладових структур складала лише 2,4%, що обумовлено неможливістю одночасного досягнення оптимальних значень Rп (? 2 Омсм2) разом з оптимальними значеннями Jо (? 10-8А/см2) та Rш ( ? 1000 Омсм2). Це пов'язано з тим, що для плівкових СЕ фронтальної конфігурації міжфазна взаємодія CdTe-CdCl2 або проходить поблизу гетерограниці CdTe/CdS, що призводить до зростання Jo та збільшення Rш, або частина шару CdTe залишається без позитивного впливу “хлоридної” обробки, що призводить до росту Rп. Таким чином, альтернативи оптимальній схемі “хлоридної” обробки, яка застосовується для плівкових СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au тильної конфігурації, для СЕ CdTe/CdS/ZnO:Al фронтальної конфігурації не існує.

Були виготовлені СЕ на основі CdTe/CdS фронтальної конфігурації, для яких за рахунок їх конструктивного рішення вдається провести “хлоридну” обробку за схемою, характерною для СЕ тильної конфігурації. Для запровадженої конструкції СЕ фронтальної конфігурації на першому етапі на скляній підкладці з прошарком NaCl формувалися СЕ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au тильної конфігурації, для яких “хлоридна” обробка здійснювалася за традиційною схемою. Потім на поверхні верхнього електрода формувалася поліімідна плівка, після чого шляхом розчинення прошарку NaCl у воді приладова структура відокремлювалася від скляної підкладки і набувала гнучкої фронтальної конфігурації.

Визначено, що для таких СЕ без попереднього відпалу фронтальних електродів ITO на повітрі за температури 430оС протягом 25 хвилин не можна сформувати ефективних приладових структур. Моделювання свідчить про те, що попередній відпал шарів ITO призводить до зростання ефективності СЕ за рахунок збільшення Rш і зменшення Jo. Пошаровий елементний аналіз показав, що використання в конструкції СЕ відпалених шарів ITO знижує концентрацію натрію в ГС CdS/CdTe у порівнянні з ГС, які були осаджені на невідпалені шари ITO. У базових шарах CdTe натрій, який дифундує з прошарку NaCl і займає позицію кадмію (NaCd), являє собою акцептор, донорно-акцепторна пара NaCd-ClTe - глибокий рекомбінаційний центр. Поява таких дефектів відбувається після проведення “хлоридної” обробки, як наслідок описаної вище хімічної реакції хлориду та телуриду кадмію. Наявність NaCd в області гетеропереходу знижує Rш, утворення NaCd-ClTe приводить до збільшення Jo. При попередньому відпалені на повітрі фронтальних електродів на зернограничній поверхні плівок ITO відбувається формування сполучень олова з киснем, що блокує шляхи швидкої дифузії натрію в приладову гетеросистему.

При проведенні “хлоридної” обробки СЕ NaCl/ITO/CdS/CdTe/Cu/Au зростання dCdCl2 до 0,07 мкм призводить до збільшення , що рівною мірою обумовлено зниженням Rп, зростанням Rш і зменшенням Jо. Якісно аналогічні фізичні закономірності були зафіксовані нами при дослідженні СЕ тильної конфігурації на скляних підкладках без прошарку NaCl.

Подальше збільшення dCdCl2 приводить до зниження ККД СЕ фронтальної конфігурації, що обумовлено зниженням Rш. Для СЕ тильної конфігурації також спостерігався подібний механізм зниження , однак він діяв у комплексі зі зростанням Jо і Rп. При цьому оптимальні значення dCdCl2, які забезпечують максимальний ККД приладових структур, для СЕ фронтальної конфігурації в кілька разів нижче. Експериментально було визначено, що навіть за такої незначної dCdCl2 спостерігається перекристалізація базового шару CdTe, яка приводить до істотного збільшення розмірів зерен.

Відповідно до проведених досліджень, для СЕ тильної конфігурації надлишкова товщина CdCl2 приводить до росту макродеформацій у шарах CdTe, що виявляється експериментально у збільшенні періоду їх кристалічної ґратки. Експериментально встановлено, що у вихідному стані рівень макродеформацій у базових шарах СЕ фронтальної конфігурації вище, ніж у приладових структур тильної конфігурації, внаслідок більшої, в порівнянні зі склом, різниці у коефіцієнтах термічного розширення хлориду натрію та базової гетеросистеми. Тому зниження ККД внаслідок збільшення макродеформацій у базовому шарі для СЕ фронтальної конфігурації виявляється за меншої dCdCl2. Зростання макродеформації у базовому шарі знижує ККД СЕ за рахунок погіршення адгезії, зменшення рухливості неосновних носіїв заряду, уведення додаткових дислокацій та нестабільності електрофізичних властивостей плівок.