Введение к работе
Актуальность работы определяется необходимостью создания высокоэффективных однопереходных и каскадных фотопреобразователей концентрированного солнечного излучения, открывающих широкие возможности увеличения эффективности солнечных элементов и снижения стоимости вырабатываемой электроэнергии, для чего необходимо совершенствование методов эпитаксиалыгого выращивания гетероструктур с ультратонкими слоями в системе Al-Ga-As.
Арсенид галлия является наиболее привлекательным материалом для создания высокоэффективных солнечных элементов, так как его ширина запрещенной зоны близка к оптимальной для получения максимальных КПД. Кроме того, в связи с хорошей температурной стабильностью солнечных элементов на основе GaAs, особенно привлекательной является их способность эффективно работать в условиях высоких и сверхвысоких (свыше 1000 солнц) концентраций солнечного излучения. Преобразование концентрированного солнечного излучения является наиболее выгодным с экономической точки зрения, так как при этом стоимость получаемой электроэнергии снижается пропорционально степени концетрирования К*. При высоких степенях концентрации и массовом производстве GaAs/AlGaAs солнечных элементов это компенсирует достаточно высокую стоимость самих элементов. А благодаря высокой радиационной стойкости солнечные элементы на основе Al-Ga-As нашли широкое применение в космических условиях. При этом элементы на основе системы Al-Ga-As используются в составе монолитных и механически стыкованных каскадных фотопреобразователях для дальнейшего повышения эффективности преобразования солнечного излучения.
Для создания высокоэффективных солнечных элементов необходимо вырастить гетероструктуру с оптимальными значениями толщины и легирования эпитаксиальных слоев. Как известно, максимальная фоточувствительность солнечных элементов на основе системы Al-Ga-As обеспечивается при толщине слоя широкозонного "окна", не превышающей нескольких нанометров. Кроме того, при создании монолитных каскадных элементов необходимо создание туннельного диода, разделяющего "верхний" и "нижний" элементы каскада. С этой точки зрения разработка воспроизводимого управляемого процесса выращивания уяьтратонких слоев с высоким кристаллографическим совершенством методом жидкофазной эпитаксии является весьма актуальным.
В последнее время доминирующими методами при создании полупроводниковых структур с ультратонкими слоями являются методы газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОСГФЭ) и молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В солнечной энергетике наиболее распространенным является метод МОСГФЭ. Однако метод жидкофазной эпитаксии не утратил своих позищш, а учитывая уменьшение растворимости мышьяка в жидкой фазе при снижении температуры кристаллизации, весьма актуальным является исследование возможностей выращивания ультратонких слоев в системе Al-Ga-As при снижении температуры кристаллизации ниже 620 "С. Решение этой задачи позволяет рассматривать нетоксичный и более простой в аппаратурном оформлении метод жидкофазной эпитаксии как вполне конкурентоспособный при создании современных преобразователей солнечного излучения.
Основной целью работы являлась разработка и применение низкотемпературной модификации жидкофазной эпитаксии для получения гетероструктур с ультратонкими слоями в системе Al-Ga-As и создание на их
основе высокоэффективных солнечных преобразователей как для наземного, так и для космического применения.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
Исследованы особенности роста слоев GaAs и AlGaAs при низких температурах кристаллизации.
Исследованы закономерности легирования слоев GaAs и AlGaAs акцепторами при низких температурах кристаллизации.
Разработаны технологические режимы выращивания AlGaAs/GaAs гетероструктур с заданными толщиной и уровнем легирования слоев для создания солнечных элементов разных типов.
Изучено влияние параметров выращенных гетероструктур на характеристики солнечных элементов.
Разработаны и созданы однопереходиые солнечные элементы, преобразующие концентрированное (Кс<1000) и сильноконцентрированное (Кс>1000) солнечное излучение с максимальным КПД.
Разработаны и созданы монолитные и механически стыкованные двухпереходиые каскадные солнечные элементы.
Исследованы параметры полученных солнечных элементов.
Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующем:
- Исследованы зависимости скорости роста и толщины твердого раствора AlGaAs от времени кристаллизации при предельно низких температурах роста (ниже 620С) и зависимости концентрации свободных носителей заряда от содержания легирующей примеси в жидкой фазе, что позволило разработать технологию воспроюводимого выращивания слоев GaAs и AlGaAs заданной
толщины, уровня легирования и состава при температуре кристаллизации ниже 620С.
- Созданы GaAs/AlGaAs гетероструктуры с ультратонкими слоями
широкозошюго «окна» (а<0,1 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 % (AMI,5D) при 1680 солнцах.
- Впервые в мире получены методом жидкофазной эпитаксии монолитные
двухпереходные GaAs/AlGaAs солнечные элементы с КПД 20,3 % (АМО, 5
солнн).
- Разработаны и созданы GaAs/AlGaAs однопереходные солнечные
элементы, прозрачные в ИК области, что позволило впервые в отечественной
практике получить механически стыкованные каскадные GaAs/GaSb элементы
для преобразования концентрированного солнечного излучения с КПД=29,8
% (AM1,5D, 93 солнца).
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
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.
-
При низких температурах кристаллизации изменение содержания Mg в расплаве с 0,01 до 0,2 ат. % обеспечивает легирование слоев GaAs в диапазоне
1018 - 3-Ю19 см-3, а слоев AlGaAs - в диапазоне 3-Ю17 -1018 см"3.
3. Разработанная технология низкотемпературной жидкофазной эпитакеш
гетеороструктур в системе Al-Ga-As в сочетании с оптимизацией параметров
гетероструктуры позволяют достичь рекордно высоких плотностей фототока
35,6 мА/см2.
4. На основе разработанных гетероструктур с высокими значениями
диффузионных длин созданы фотопреобразователи с близкими к предельным
значениями КПД=24,7% для космического солнца (ЛМО, 100 солнц) и 27,6%
для солнечного из.ігучения вблизи земной поверхности (AM1.5D; 255 солнц) и
хорошей радиационной стабильностью.
5. Высокоэффективные GaAs/AlGaAs однопереходные 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% (AM1,5D; 93 солнца).
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на на 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (Hawaii, 1994); 12th European PV Conference (Amsterdam, 1994), 4th European Space Power Conference (Poitiers, France 1995); 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (Nice, France 1995); IV International Conf. on Advanced Materials, Cancun, Mexico, 1995, 25th IEEE Photovaltaic Specialists Conference (Washington, USA 1996); 23rd International Confcrene on the Physics of Semiconductor (Berlin, Germany, 1996); 23 International Symposium on Compound Semiconductors (St. Petersburg, Russia 1996); 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exibition (Barselona, Spain 1997); 6th Photovoltaic Specialists Conference (Anaheim, 1997), 2nd World Conference and
Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion (Vienna, Austria 1998); 5th European Space Power Conference (EPSC-98) (Tarragona, Spain 1998); International Conference "Physics at the Turn of the 21st Century (St. Petersburg, Russia, 1998); International PVSEC-11, Sapporo, Japan, 1999.
Публикации: Основное содержание работы изложено в 21 печатной работе, список которых приведен в конце автореферата.
Объем работы: диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 133 страницы, в том числе 82 страницы основного машинописного текста, 63 рисунка на 45 страницах, 6 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 101 наименование.
