Введение к работе
Актуальность. Прямое преобразование солнечной энергии в
электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) выгодно отличается от других способов преобразования. Это справедливо как с точки зрения неисчерпаемости солнечной энергии, так и с экологической. Для создания высокоэффективных СЭ необходимо разработать новые технологические способы получения СЭ с высокой воспроизводительностью, а также совмещения в одном приборе широкой области спектральной чувствительности с низким внутренним сопротивлением. Кроме этого необходимо уменьшить тепловые потери возникающие при поглощении коротковолновых квантов излучения. Одним из путей уменьшения указанных потерь является каскадирование различных солнечных элементов, выполненных на основе различных полупроводниковых материалов. Однако из-за заметного различия в ширинах запрещенных зон известных полупроводников каскад солнечных элементов выполненный на их основе необеспечивает существенного уменьшения вышеупомянутых потерь. Поэтому имеется необходимость в разработке единокриста-ллического каскадного фотопреобразователя (ФП) с мальм различием в энергетических зазорах между элементами каскада. Это требует применения сложных технологических приемов позволяющих формировать необходимые слои из непрерывного ряда твердых растворов с возможностью регулируемо изменять ширину запрещенной зоны в наперед заданных пределах. Этим требованиям отвечают GaAs и твердые растворы AIGaAs на его основе. GaAs является самым оптимальным по ширене запрещенной зоны полупроводникнвым материалом для изготовления высокоэффективных солнечных элементов. Подтверждением этого можеть служить то, что самые высокие КПД преобразования были получены у солнечных элементов на основе гетеросистеш GaAs - AIGaAs. Однако, достигнутые результаты не являются предельными и есть возможность дальнейшего усовершенствования конструкций СЭ и технологических методов изготовления структур ФП, что требует проведения дальнейших исследовательских работ в этом направлении.
Другая область преобразования солнечного излучения связана с использованием высоковольтных ФП. Высоковольтные ФП состоящие фактически из гальванически связанных отдельных элементов, но
на основе единого материала характеризуются высоким значением удельного выходного напряжения снимаемого с единицы площади, что делает их удобными для практического применения в различных областях науки и техники. Существующие разработки высоковольтных ФП неудовлетворяют возросшим требованиям современной науки и техники, прежде всего, значениями темновых токов, неспособностью работать при низких уровнях освещенности, а также при повышенных температурах. Поэтому на данном этапе стоит задача разработки высоковольтных ФП отвечающие вышеуказанным требованиям. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют ФП на основе GaAs и AlGaAs. Основным фактором в решении указанной задачи является возможность использования изолирующей подложки из GaAs, которая играет роль не только как изолятор между отдельными элементами, но и как основа всей структуры ВФП создаваемой на этой подложке. Кроме того, GaAs и AlGaAs являясь широкозонными материалами обеспечивают устойчивую работу при высоких уровнях температур и радиации. Из всего вышесказанного становится очевидной актуальность выбранной темы диссертационной работы.
Цель и задачи работы являются разработка научно-технологических основ получения новых высокоэффективных каскадных СЭ и высоковольтных ФП на базе многослойных структур в системе GaAs-AlGaAs. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработка новой конструкции ФП с внутрикристаллическим соединением элементов в каскад;
определение условий формирования многослойных структур с гетеропереходами и варизонными слоями в едином технологическом процессе;
определение технологических условий формирования рабочих переходов отдельных элементов составляющих каскад;
- исследование квантовой эффективности элемента с вари-
зонным верхним слоем из AlGaAs;
исследование возможности достижения максимальной эффективности преобразования каскадного ФП с учетом разделения спектрального состава солнечного излучения на энергетические полосы поглощаемые в отдельных элементах каскада;
разработка высоковольтного фотопреобразователя с верхним
варизонным слоем и вертикальными переходами;
разработка и исследование высоковольтных ФП с вертикальным и горизонтальным совмещением рабочих р-п переходов;
комплексные исследования электрических, фотоэлектрических и спектральных характеристик разработанных приборов.
Научная новизна;
-Показаны научно-обоснованные физические принципы работы многослойных полуповодниковых структур, позволяющх создать эффективные фотопреобразователи различного назначения на основе гетеросистемы GaAs - AlGaAs;
Впервые на основе оригинальной конструкции были разработаны и исследованы монолитные каскадные ФП с варизонным верхним слоем из AlGaAs;
Экспериментально показана возможность оптимального регулирования разделения спектра солнечного излучения между элементами каскада для увеличения доли преобразуемой энергии более широкозонными элементами и таким образом уменьшения шунтирующего влияния элемента с наименьшим Uxx;
Исследована роль варизонного слоя в каскадных ФП в увеличении коротковолновой чувствительности и показаны преимущества таких элементов при работе в космическом пространстве;
Впервые экспериментально установлена независимость КПД преобразования фотопреобразователей с варизонным верхним слоем и вертикальными р-n переходами от спектрального состава солнечного излучения; і
- Впервые разработана оригинальная конструкция высоковольтного ФП с вертикальным и горизонтальным расположением рабочих р-n переходов;
- Впервые предложен технологический способ улучшающий ко
ротковолновую чувствительность ФП с варизонным верхним слоем и
вертикальными р-n переходами.
Основные защищаемые положения:
I. При параллельном соединении составляющих каскад элементов необходимо создание условий позволяющих снижение внутренних сопротивлений широкоэонных частей каскада с тем, чтобы получить максимальное значение и общего каскада. Другими словами необ-
- б -
ходимо создать условия большого освещения широкозонных элементов, чем узкозонных, с тем, чтобы обеспечить минимальное воздействие элемента с наименьшим значением ижх на общее U^ целого каскада. Это достигается подбором ширины запрещенных зон слоев элементов каскада с учетом реального спектра солнечного излучения;
-
Последний верхний элемент каскада желательно выполнить из варизонного слоя, Е которого увеличивается к освещаемой поверхности. Формирование последнего слоя варизонным за счет благоприятного действия квазиэлектрического поля кристаллической решетки на генерируемые носители позволит резко уменьшить поверхностную рекомбинацию, увеличить Ld неосновных носителей генерирующих в поверхностном слое и заметно поднять коротковолновую чувствительность и в итоге увеличить КПД в целом каскадного элемента;
-
Вертикальные, по отношению к освещаемой поверхности, расположение рабочих р-n переходов из-за выхода на поверхность заметно увеличивает коротковолновую чувствительность прибора. Вертикальное расположение р-n перехода в варизонном слое обеспечивает постоянство квантовой эффективности, практически, для всех длин волн в солнечном спектре имеющих энергию большую чем Ед самой узкозонной части варизонного слоя. Благодаря этому обеспечивается независимость КПД преобразования фотоэлемента от спектрального состава солнечного излучения. Увеличение полезной площади вертикально расположенных р-n переходов и соответственно рост фототока достигается за счет плотности линий р-п переходов на единицу освещаемой поверхности;
-
Рост коротковолновой чувствительности при одновременном сохранении высокой эффективности в длинноволновой области за счет наличия горизонтального р-n перехода у основания варизонного слоя делают такие ФП перспективными для использования их для широкого применения в космическом пространстве, высокогорных местностях и т.д. Совмещение вертикальных и горизонтальных рабочих р-n переходов в единой структуре ФП возможно при наличии гальванически разделяющих полосках на полуизолирующей подложке;
-
Для достижения малой плотности поверхностных дефектов при формировании р-n перехода методом диффузии процесс терми-
ческой диффузии цинка осуществляется через буфферный GaAs слой. Такая технология формирования вертикальных р-n переходов в варизонном слое обеспечивает квантовую эффективность достигающей до 0,3 при длинах волн падающего света А. и 350 + 400 нм.
Практическая ценность. Все разработанные фотоэлементы как
каскадные солнечные элеменеты, так и высоковольтные фотопреобразователи имеют большое значение как источники энергии для ряда потребителей находящихся вдали от традиционных источников питания. Каскадные солнечные элементы благодаря перспективности достижения предельных эффективностей преобразования могут существенно уменьшить стоимость вырабатываемой электрической энергии и тем самым обеспечить широкое внедрение таких приборов в народное хозяйство. Варизонный верхный слой в каскадном солнечном элементе позволит заметно поднять коротковолновую чувствительность и в связи с этим открывает большие возможности использования таких фотопреобразователей, в частности в регионах расположенных высоко над уровнем моря. Высоковольтные фотопреобразователи с вертикальными р-n переходами позволяют получать достаточно высокие плотности удельного выходного напряжения достигающего более 100 Вольт с единицы площади - 1см2. Поэтому открываются большие возможности миниатюризации независимых источников питания для микроэлектронных приборов. С другой стороны фотопреобразователи с варизонным верхним слоем и вертикальными р-n переходами показывают независимость КПД преобразования от спектрального состава солнечного излучения. Поэтому такие фотопреобразователи показывают одинаковую эффективность в течении всего светового дня. Кроме того разработанные фотопреобразователи на основе GaAs - AlGaAs благодаря большей ширины запрещенной зоны по сравнению с S1 обладают более высоким температурным пределом эффективной работы, что позволяет более широкое использование таких приборов в различных условиях эксплуатации.
Полученные научные результаты по настоящей работе могут быть основой для дальнейших исследований по разработке высокоэффективных фотопреобразователей на основе GaAs - AlGaAs. Разработанное решение внутрикристаллического соединения элементов в каскад позволит в недалеком будущем создать фотопреобразсва-
тели с эффективностью близкой к предельным значениям.
Результаты работы могут быть использованы на предприятиях электронной промышленности (ПО "Фотон", НПО "Зенит" и т.д.) и в ряде отраслей народного хозяйства (Мин.Связи, Мин.Энерго, Гос.Ком.Природы и т.д.), а также в Иордании в решении вопросов энергообеспечения бытовых нувд и сельхоз производств.
Публикации я доклады. Материалы диссертационной работы
опубликованы в 7-ми научных работах и доложены:
в Международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков" - Ташкент, 1995.
в научно практической конференции посвященной 600 летию Мирзо Улугбека. г.Гулистан, 1994 г.
в международном симпозиуме по сложным полупроводникам, г.Санкт-Петербург, 1996 г.
на семинарах лабораторий полупроводникового направления Физико-технического института АН РУз.
Структура и объем диссертации. Работа по своей структуре
состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет I5Q страниц, из них 100 страниц машинопись ного текста, 2 таблицы и 40 рисунков, на 38 страницах, и список литературы из 105 наименований на 12 страницах.
