INVESTIGATION OF THE BEHAVIOR OF SILICON SOLAR CELLS UNDER LOW-TEMPERATURE CONDITIONS

Аннотация

This study presents impedance spectroscopic analysis of silicon and perovskite solar cells in the frequency range of 100 Hz to 5 MHz and temperatures between 128 K and 299 K. A custom-designed micro-cryogenic cell operating from 16 K and suitable for various sample types was utilized. Temperature dependencies of both active and reactive resistances were obtained, along with Nyquist plots. The results demonstrate the influence of temperature on the electrophysical properties, confirming the relevance of this method for material analysis in renewable energy applications. Keywords: photovoltaics, semiconductors, solar cells, impedance spectroscopy, low-temperature measurements, Nyquist plots. Аннотация: В работе проведено импедансное спектроскопическое исследование кремниевых и перовскитных солнечных элементов в диапазоне частот 100 Гц – 5 МГц и температур 128–299 К. Использована разработанная микрокриогенная ячейка, работающая от 16 К, пригодная для разных типов образцов. Получены температурные зависимости активного и реактивного сопротивлений, а также кривые Найквиста. Результаты показывают влияние температуры на электрофизические свойства, что подтверждает актуальность метода для анализа материалов в возобновляемой энергетике. Ключевые слова: фотовольтаика, полупроводники, солнечные элементы, импеданс-спектроскопия, низкотемпературные измерения, кривые Найквиста. Параметры окружающей атмосферы могут существенно влиять на точность электрофизических измерений образцов, особенно при низких температурах. В таких условиях часто возникает проблема конденсации паров или газов на поверхности образца, что может искажать измерения или снижать качество сигнала. Чтобы обеспечить надёжные результаты при низкотемпературных измерениях, необходимо стабилизировать как 157 International scientific journal “Interpretation and researches” Volume 1 issue 12 (58) | ISSN: 2181-4163 | Impact Factor: 8.2 температуру самого образца, так и окружающей среды. Для этого обычно применяются криостаты или специальные системы охлаждения. При этом важно, чтобы измерительное оборудование было адаптировано под форму и размеры конкретного образца. Одним из актуальных направлений является разработка универсальных измерительных установок, которые позволяют проводить разные виды исследований с одного устройства. Это помогает получить более полную картину процессов, происходящих в солнечных элементах, особенно на их интерфейсах. Импедансная спектроскопия в таких задачах является надёжным методом, позволяющим анализировать процессы переноса заряда и другие важные характеристики полупроводниковых материалов. В данной статье представлены результаты измерений импедансных характеристик гетеропереходных кремниевых и органогаллоидных перовскитных солнечных элементов с использованием метода импедансной спектроскопии и низкотемпературной измерительной ячейки, предназначенной для исследования электрических свойств материалов. 1. Разработка измерительной установки Предлагаемая измерительная ячейка разработана на основе микрокриогенной машины модели ST15 Cryostat от компании Cryomech. Основными элементами низкотемпературной измерительной ячейки являются основание, нижний электрический контакт и верхние электрические контакты. Для улучшения процесса охлаждения и обеспечения чистоты вокруг образца предусмотрена разряженная среда, создаваемая с помощью измерительной ячейки. Общий вид низкотемпературной измерительной установки приведён на рисунке 1. Основание (позиция 9) закреплено на верхнем фланце микрокриогенной машины. Оно изготовлено из меди для обеспечения высокой теплопроводности и имеет следующие размеры: диаметр — 45 мм, высота — 7 мм. Для установки основания на микрокриогенную машину предусмотрена проекция высотой 2 мм и диаметром 25 мм. С помощью металлических винтов основание крепится к охлаждающей поверхности микрокриогенной системы. В нижней части основания имеется углубление для установки температурного сенсора. Геометрические параметры основания соответствуют размерам верхней части фланца микрокриогенной машины, работающей по циклу Гиффорда–Мак-Магона. Для удобного размещения исследуемых образцов поверхность основания должна быть ровной. Нижний электрический контакт изготовлен из проводящего материала с золотым покрытием и обладает гибкостью и упругостью для обеспечения надёжного электрического контакта с 158 International scientific journal “Interpretation and researches” Volume 1 issue 12 (58) | ISSN: 2181-4163 | Impact Factor: 8.2 поверхностью образца без повреждений. Вдоль оси корпуса предусмотрено отверстие для прохождения коаксиального измерительного кабеля. 1 – корпус микрокриогенной машины;2 – крышка ячейки;3 – электрические контакты;4 – держатели контактов;5 – смотровое окно;6 – коаксиальный кабель;7 – исследуемый образец;8 – изолятор из слюды;9 – основание (подложка);10 – держатель нижнего контакта. Рисунок 1 – Схема низкотемпературной измерительной ячейки 2. Применение низкотемпературной микрокриогенной ячейки для исследования характерис