2
СОДЕРЖАНИЕ
стр
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 5
ГЛАВА I. ОСНОВЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МЕТОДА
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ АЮаАз СТРУКТУР (Обзор литературы)................ 11
1.1. Физические основы метода фотоэлектрического преобразования солнечного излучения................ 11
1.2. Основные методы выращивания эпитаксиальных
структур.............................................. 26
1.3. Задачи диссертационной работьг ..................... 29
ГЛАВА И. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ
СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ АМЗа-Аз 31
2.1. Жидкофазная эпитаксия и ее низкотемпературная модификация............................................... 31
2.2. Технологическая установка для проведения жидкофазной эпитаксии................................................. 34
2.3. Особенности кристаллизации и легирования СаАз/АЮаАя
слоев при низких температурах......................... 39
2.4. Влияние технологических параметров на характеристики
солнечных элементов ................................. 43
2.4.1. Влияние уровня легирования п и р-слоев и глубины
залегания р-п перехода на величину диффузионных длин неосновных носителей заряда, плотности тока и коэффициента собирания неосновных носителей заряда............................................ 44
3
2.4.2. Влияние широкозонного окна и просветляющего покрытия на фоточувствительность солнечного элемента................................................. 51
2.5. Постэпитаксиальная обработка гетероструктур............... 54
2.6. Методы измерения толщины, состава и уровня легирования СаАБ/АЮаАз гетероструктур..................................... 55
2.6.1. Метод комбинационного рассеяния света.............. 55
2.6.2. Метод эллипсометрии................................ 57
2.6.3. Измерение спектральных характеристик............... 59
ГЛАВА III. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В СИСТЕМЕ АЫЗа-Аз...................................... 61
3.1. АЮаАяАЗаАз солнечные элементы для преобразования неконцеитрированного (1 солнце) солнечного излучения 61
3.1.1. Двухстадийная жидкофазная эпитаксия................ 62
3.1.2. Результаты исследования толщины, состава и уровня легирования ОаАя/АЮаАя слоев с помощью метода комбинационного рассеяния света........................... 65
3.1.3. Основные характеристики полученных солнечных элементов................................................. 67
3.2. Высокоэффективные солнечные элементы в системе АГва-Аз для преобразования концентрированного космического
солнечного излучения...................................... 69
3.2.1 Методика получения гетероструктур................... 69
3.2.2. Исследование параметров гетероструктур с помощью метода комбинационного рассеяния.......................... 73
3.2.3. Характеристики полученных солнечных элементов 73
3.2.4. Исследование радиационная стойкости................ 76
4
3.3. Солнечные элементы в системе А1-Са-Аэ для преобразоваїшя «наземного» солнечного излучения сверхвысокой концентрации.................................................... 81
3.3.1. Технология получения гетероструктур................. 81
3.3.2. Контроль параметров полученных гетероструктур 83
3.3.3. Оптимизация конструкции солнечных элементов, преобразующих солнечное излучение сверхвысокой концентрации................................................ 86
3.3.4. Характеристики солнечных элементов.................. 92
3.4. Двухпереходные солнечные элементы на основе ОаАя/АЮаАя гетероструктур.................................................. 96
3.4.1. Применение низкотемпературной жидкофазной эпитаксии для получения двухпереходных
монолитных каскадных гетероструктур................... 96
3.4.2. Исследование характеристик «нижнего» элемента каскада...................................................... 10
3.4.3. Исследование характеристик «верхнего» элемента каскада..................................................... 103
3.4.4. Исследование характеристик туннельного элемента
107
каскада...............................................
3.4.5. Монолитный двухпереходный солнечный
элемент............................................... 107
3.4.6. ОаАв/АЮаАБ солнечный элемент в составе механически стыкованного двухпереходного каскадного элемента........................................ 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................... 117
ЛИТЕРАТУРА.......................................................... 123
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке технологии создания высокоэффективных солнечных преобразователей на основе гетероструктур с ультратонкими слоями в системе АЮа-Аэ методом низкотемпературной жидкофазной эпитаксии и их исследованию.
В связи с истощением природных ресурсов, таких как различные виды горючего топлива, используемых для получения электроэнергии, и неизбежным химическим загрязнением окружающей среды и потеплением климата, сопровождающим производство электроэнергии с использованием всех видов горючего топлива, перед человечеством остро встает вопрос поиска новых, альтернативных источников энергии. Таким доступным и практически неистощимым возобновляемым естественным источником энергии является Солнце. Поэтому не загрязняющий окружающую среду фотоэлектрический метод является одним из наиболее перспективных альтернативных методов получения элекгрической энергии. Кроме того, вследствие активного развития спутниковых коммуникаций, все острее возникает потребность в высокоэффективных радиационно-стойких преобразователях солнечной энергии в электрическую для космического применения. Со времени запуска космического аппарата «Спутник-3», на котором впервые были установлены солнечные батареи, фотоэлектрический метод остается основным методом получения электроэнергии на космических аппаратах и находит все большее применение на Земле. Эффективность широко используемых солнечных элементов на основе кремния составляют 15-16% при прямом облучении в условиях околоземного космоса. В наземных условиях КПД кремниевых элементов составляет около 20%.
Максимальная эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую может быть достигнута на фотопреобразователях, созданных
6
на основе гетероструктур в системе А1-Са-АБ. Арсенид галлия является привлекательным материалом для создания преобразователей солнечного излучения, так как ширина его запрещенной зоны попадает в интервал, обеспечивающий наиболее высокую эффективность преобразования солнечного излучения. Кроме того, за счет более широкой запрещенной зоны солнечные элементы на основе ваАэ имеют лучшую температурную и радиационную стабильность, чем на основе 81. Несмотря на большую стоимость гетероструктурных солнечных элементах по сравнению с кремниевыми, солнечные батареи, созданные на основе гетероструктур, обеспечивают существенный экономический эффект. Уменьшение площади солнечной батареи, компенсирующее высокую удельную (на единицу площади) стоимость арсенид-галлиевых элементов, возможно вследствие большей эффективности преобразования солнечной энергии при сохранении мощности, необходимой для функционирования космического аппарата. Кроме того, за счет уменьшения габаритов солнечных батарей на основе гетероструктур, снижаются расходы на доставку батарей в космос и поддержания космического аппарата на орбите. Солнечные батареи на основе гетероструктур имеют больший ресурс работы за счет лучшей температурной и радиационной стабильности. С учетом всех перечисленных факторов возможно снижение стоимости электроэнергии, получаемой батареями на основе ваАБ по сравнению с кремниевыми на примерно на 50%.
Важным преимуществом гетеро фотопреобразователей является их способность эффективно преобразовывать сильно концентрированное (до 1000-2000 крат) солнечное излучение, что открывает перспективы существенного (пропорционально степени концентрирования) снижения площади и стоимости солнечных элементов и, вследствие этого, снижение стоимости полученной электроэнергии.
7
В солнечных преобразователях на основе гетероструктур наблюдается увеличение фоточувствительности в коротковолновой области при уменьшении толщины широкозонного «окна» до нескольких сот ангстрем, что, в свою очередь, ведет к увеличению эффективности преобразования солнечного излучения.
Одним из путей увеличения эффективности преобразования солнечной энергии является создание монолитных каскадных солнечных элементов, в которых необходимо присутствие туннельного перехода для минимизации потерь, а, следовательно, необходимо формирование сверхтонких (5-10 нм) слоев. Поэтому актуальность работы определяется необходимостью создания высокоэффективных однопереходных и каскадных фото преобразователей концентрированного солнечного излучения, открывающих широкие возможности увеличения эффективности солнечных элементов и снижения стоимости вырабатываемой электроэнергии.
В связи с необходимостью получения ультратонких слоев были разработаны такие методы, как МОС-гидридная (МОСГЭ) и молекулярнолучевая эпитаксии, которые в настоящее время широко используются для получения гетероструктур с ультратонкими слоями. Поскольку жидкофазная эпитаксия с температурой кристаллизации выше 700°С не позволяет выращивать сверхтонкие слои, то интерес к этому методу несколько уменьшился. Однако, учитывая все преимущества метода жидкофазной эпитаксии, такие как высокое кристаллографическое совершенство выращиваемых слоев, простота аппаратуры и нетоксичность компонентов, была предпринята попытка получить сверхтонкие слои в системе А1-Оа-Аз путем снижения температуры кристаллизации при проведении эпитаксии из жидкой фазы.
Целью данной работы являлась разработка и применение низкотемпературной модификации жидкофазной эпитаксии для получения гетероструктур с ультратонкими слоями в системе АЮа-АБ и создание на их
8
основе высокоэффективных солнечных преобразователей как для наземного, так и для космического применения.
Научная новизна и практическая ценность работы заключаются в следующем:
- Исследованы зависимости скорости роста и толщины твердого раствора AIGaAs от времени кристаллизации при предельно низких температурах роста (ниже 600°С) и зависимости концентрации свободных носителей заряда от содержания легирующей примеси в жидкой фазе, что позволило разработать технологию воспроизводимого выращивания слоев GaAs и AIGaAs заданной толщины, уровня легирования и состава при температуре кристаллизации ниже 600°С.
- Созданы GaAs/AlGaAs гетероструктуры с ультратонкими слоями широкозонного «окна» (d<0,l мкм), что позволило повысить фоточувствительность в коротковолновой области спектра и, следовательно, эффективность преобразования солнечной энергии.
- На основе выращенных гетероструктур были получены однопереходные солнечные преобразователи с близкими к предельным КПД=24,7% для космического солнца (АМО, 100 солнц) и 27,6% для солнечного излучения вблизи земной поверхности (AM1,5D, 255 солнц).
- Получены солнечные элементы для преобразования солнечного излучения сверхвысокой концентрации (вплоть до 5800 солнц) с максимальной эффективностью 24,8 % (AM1,5D) при 1680 солнцах.
- Впервые в мире получены методом жидкофазной эпитаксии монолитные двухпереходные GaAs/AlGaAs солнечные элементы с КПД 20,3 % (АМО, 5 солнц).
- Разработаны и созданы GaAs/AlGaAs однопереходные солнечные элементы, прозрачные в ИК области, что позволило впервые в отечественной практике получить механически стыкованные каскадные
9
ваАз/СаБЬ элементы для преобразования концентрированного солнечного излучения с КПД=29,8 .% (АМ1,50, 93 солнца).
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. В первой главе описываются физические основы метода фотоэлектрического преобразования энергии, обосновывается выбор системы АЮа-Ая для создания солнечных преобразователей с максимальным КПД, а также рассматриваются процессы молекулярнолучевой и МОС-гидридной эпитаксии как методы, альтернативные жидкофазной эпитаксии, приводятся их основные достоинства и недостатки.
Во второй главе проведено исследование особенностей роста АЮа-Аь субмикронных слоев, скоростей роста, толщины и уровня легирования кристаллизуемых слоев при низких температурах, дано описание методик измерения параметров выращенных структур.
В третьей главе приведены технологии получения и результаты исследования различных типов гетероструктур с ультратонкими слоями. Приведены основные характеристики высокоэффективных солнечных преобразователей, созданных на основе полученных гетеросгруктур.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Снижение температуры кристаллизации эпитаксиальных слоев ниже 620°С позволяет воспроизводимо выращивать гетероструктуры с ультратонкими (1-10 нм) слоями при скорости роста 0,1-1,0 нм/с.
2. При низких температурах кристаллизации изменение содержания Мё в расплаве с 0,01 до 0,2 ат. % обеспечивает легирование слоев ваАв в диапазоне 1018 - 3-1019см'3, а слоев АЮяАб - в диапазоне 3*1017 - 10,8см*3.
3. Разработанная технология низкотемпературной жидкофазной эпитаксии гетеороструктур в системе А1-Оа-Аз в сочетании с оптимизацией параметров гетероструктуры позволяют достичь рекордно высоких
л
плотностей фототока 35,6 мА/см .
10
4. На основе разработанных гетероструктур с высокими значениями диффузионных длин созданы фотопреобразователи с близкими к предельным значениями КПД=24,7% для космического солнца (АМО, 100 солнц) и 27,6% для солнечного излучения вблизи земной поверхности (AMI ,5D; 255 солнц) и хорошей радиационной стабильностью.
5. Высокоэффективные GaAs/AlGaAs одно переходные солнечные элементы, прозрачные в ИК области, созданные с помощью разработанной низкотемпературной модификации метода жидкофазной эпитаксии, позволяют создать механически стыкованные двухпереходные каскадные солнечные элементы с КПД преобразования солнечного излучения вплоть до 29,8% (AM 1,5D; 93 солнца).
и
ГЛАВА I. ОСНОВЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ АЮаАБ СТРУКТУР (Обзор литературы).
1.1. Физические основы метода фотоэлектрического преобразования
солнечного излучения.
Преобразование солнечной энергии в электрическую, осуществляемое солнечными элементами, основано на фотоэлектрическом эффекте. В 1954 году Чапен, Фуллер и Пирсон создали первый солнечный элемент на основе кремния и впервые наблюдали в нем фотовольтаический эффект [1]. В том же году был разработан солнечный элемент на основе сульфида кадмия [2]. Подробная теория фотоэлектрического эффекта описана в работах [3-5] и дополнена в работе [6] с учетом поверхностной рекомбинации. Данный эффект возникает в полупроводниковых гетероструктурах с р-п переходом при освещении его поверхности. Энергия кванта света должна быть достаточна для образования пары электрон-дырка, то есть превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. При освещении светом, например, р-области полупроводника неосновные носители заряда (электроны), генерируемые светом в этой области, диффундируют к р-п переходу, увлекаются электрическим полем р-п-перехода и уходят в п-область. Дырки в р-области не могут преодолеть потенциальный барьер, созданный р-п переходом. Происходит разделение носителей заряда. При этом р-область заряжается положительно, а п-область - отрицательно, в результате чего возникает фото-э.д.с., приложенная в пропускном направлении. Это понижает потенциальный барьер, и через р-п переход в пропускном направлении начинает течь ток, созданный потоком электронов из п-области и потоком дырок из р-области. В результате поток электронов
- Київ+380960830922