Введение к работе
Актуальность. Развитие современной цивилизации сопровождается постоянным увеличением энергопотребления. Рост народонаселения способствует ускорению этого процесса, а сокращение запасов традиционных энергоносителей и загрязнение окружающей среды, связанное с деятельностью человека, способствует постоянному возрастанию стоимости производства энергии. По существующим прогнозам мировой спрос на энергию к 2050 году должен увеличиться более чем в два раза, и более чем в три раза к концу века. Это делает одной из важнейших задач проблему поиска достаточных запасов чистой энергии, которые бы позволили не снижать темп развития цивилизации. Одним из решений является преобразование в электричество энергии солнечного излучения. Действительно, за
один час на Землю падает примерно 4,3 х Ю Дж солнечной энергии, что примерно соответствует всей потребляемой на планете энергии в течение одного года. Вместе с тем, доля электроэнергии получаемой преобразованием солнечного излучения в настоящее время не превышает 1% от электроэнергии, потребляемой в мире. Основная причина - высокая стоимость преобразователей солнечной энергии и их сравнительно низкая эффективность. Вместе с тем, в этой области существует вполне определенный прогресс, обусловленный постоянным ростом стоимости электроэнергии. В настоящее время количество солнечных панелей ежегодно производимых в мире приближается к 10 ГВт установочной мощности, и их производство ежегодно возрастает примерно на 30%. Резко ускорить процесс внедрения солнечного электричества для использования в промышленности и в быту возможно только при значительном снижении стоимости его генерации. Так, для того, чтобы солнечная энергия стала конкурентоспособной с электроэнергией, производимой атомными станциями, ее стоимость должна снизиться не менее чем в 5 - 10 раз, и в 25-50 раз, чтобы она смогла конкурировать с электроэнергией, производимой электростанциями, работающими на ископаемом топливе. Таким образом, к основным задачам в области создания солнечных электростанций с непосредственным преобразованием солнечной энергии в электрическую энергию, является снижение стоимости фотоэлектрических модулей и создание технологии их массового производства, обеспечивающего покрытие солнечными панелями больших площадей. Одним из путей в этом направлении явилось создание тонкопленочных солнечных элементов (их относят к СЭ второго поколения). В настоящее время массовое применение нашли две основные технологии по производству фотопреобразователей второго поколения: солнечные батареи на основе гидрогенизрованного аморфного кремния a-Si:H (и его аналогов), и на основе поликристаллического CdTe (и других соединений этой группы). С точки зрения автора наиболее рациональным и быстрым решением по снижению стоимости солнечных батарей второго поколения было бы повышение эффективности солнечных батарей второго поколения в рамках уже разработанных для их производства технологий. Наиболее эффективным решением является увеличение каскадов СЭ и соответствующее увеличение эффективности преобразования солнечного излучения. При этом экономический выигрыш за счет увеличения эффективности батареи должен превысить затраты на изготовление дополнительных каскадов. В связи с
этим, основная цель работы заключалась в поиске методов увеличения эффективности солнечных элементов на основе соединений А В путем оптимизации технологии их производства, а также изготовления на их основе тандемного элемента.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Изучить особенности вакуумной конденсации полупроводниковых соединений группы А В и разработать методы оптимизации режимов получения полупроводниковых пленок на их основе.
-
Методом вакуумной конденсации получить тестовые образцы и изучить влияние условий их осаждения на состав и структуру. Изготовить или модифицировать имеющееся технологическое оборудование и измерительную аппаратуру, переориентировав ее для решения поставленных задач.
-
Исследовать основные электрофизические процессы, влияющие на эффективность солнечных батарей (электронный транспорт в поликристаллических пленках).
-
На основе анализа физических свойств халькогенидных полупроводников, выбрать наиболее перспективные материалы для изготовления тандемного солнечного элемента, рассчитать его характеристики и предложить возможную конструкцию и технологию изготовления, которая бы согласовалась с технологией, выбранной в качестве базовой.
Объекты и методы исследований. Объектами исследования являются структура и электронные процессы в тонких пленках полупроводников группы А В . Основными методами исследования являются измерения электрических и фотоэлектрических характеристик тестовых образцов, их морфологии и состава, а также измерения ВАХ барьеров между слоями различных полупроводников, построение соответствующих моделей и выполнение на их основе расчетов. Основным методом оценки достоверности расчетных результатов является их сравнение с экспериментальными и приведенными в литературе данными.
Научная новизна:
-
Для выбора режимов нанесения гомогенных соединений группы А В предложено использовать диаграммы конденсации, устанавливающие связь между критической температурой конденсации и плотностью потока частиц, падающих на подложку.
-
Впервые экспериментально определены диаграммы конденсации для полупроводниковых соединений ZnTe, ZnSe и уточнены соответствующие диаграммы для CdTe, Cd, Se, Те.
-
Разработан новый метод оценки высоты межкристаллитных барьеров в поликристаллических пленках А В по величине энергии тепловой активации электропроводности.
-
Проанализирована и предложена для применения не использовавшаяся ранее конструкция солнечного элемента на основе активного слоя CdTe w-типа, отличающаяся от общепринятой тем, что в ней мелкий рп-переход индуцируется за счет поверхностных состояний на границе раздела ITO/w-CdTe
Практическая ценность:
-
Предложено осаждение различных полупроводниковых пленок активных слоев тан-демного элемента получать в однотипных графитовых камерах, что позволит унифицировать технологическую линию для их производства.
-
Предложено получать полупроводниковые пленки в установленных с помощью диаграмм конденсации режимах путем испарения не соединения, а его компонентом с последующим синтезом на подложке. Предложенный метод позволяет контролировать не только толщину пленки, изменяя время процесса, но так же её состав путем изменения плотности потока компонентов.
-
Предложен и апробирован метод экспресс-контроля качества полупроводниковых пленок, базирующийся на измерения крутизны края фундаментального поглощения.
-
Предложено в тандемной структуре ФЭП использовать СЭ, созданный путем образования перехода Sn02/«-CdTe за счет соответствующей термической обработки пленки CdTe.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Диаграммы конденсации соединений группы А В , позволяющие получать гомогенные по составу пленки.
-
Модель электропроводности тонких поликристаллических пленок полупроводников группы А В , основанная на перколяции по межкристаллитным барьерам.
-
Способ определения высоты межкристаллитных барьеров в поликристаллических полупроводниковых пленках.
-
Метод экспресс-контроля качества полупроводниковых пленок по измерению крутизны края фундаментального поглощения.
-
Новая тандемная структура ФЭП с использованием СЭ, созданного путем образования перехода Sn02/«-CdTe за счет соответствующей термической обработки пленки CdTe.
Реализация результатов.
Разработанные в работе программы были использованы автором при создании лабораторной работы по расчету параметров солнечного элемента в рамках курса "Численный анализ электронных схем и автоматизация схемотехнического моделирования", читаемого в НИУ МЭИ бакалаврам по направлению 210100 (550700).
Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного тонкопленочным солнечным батареям в курсе "Полупроводниковые нетрадиционные источники энергии", читаемого в НИУ МЭИ специалистам по направлению 210100 (550700).
Апробация работы. Результаты диссертации изложены в 13 работах, которые приведены в списке работ автора, опубликованных по теме диссертации, а также докладывались и обсуждались на перечисленных ниже конференциях и семинарах:
-
Международные научно-методические семинары "Флуктуационные и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах" МНТОРЭС им. А.С. Попова в 2009, 2011, 2012, 2013 гг.
-
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Зеленоград 28-30 апреля 2010. "Микроэлектроника и информатика 2010". Министерство образования и науки РФ, Московский государственный институт электронной техники (ТУ).
-
XVII и XIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Секция "Полупроводниковая электроника", Москва, МЭИ, 2011 и 2013 г.
-
VIII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». Научно-образовательный центр нанотехнологий РАН, Санкт-Петербург, 2012.
Личный вклад автора. Автору принадлежат идеи по постановке основных экспериментов и их реализация, включающая конструирование и создание технологических камер, измерительных установок, получение и подготовку образцов к измерениям, сами измерения. Автору принадлежат так же основные идеи, положенные в основу предложенных в работе конструкций и технологии солнечных элементов, а также по созданию моделей электронного транспорта в поликристаллических слоях, метода оптического контроля качества полупроводниковых пленок по крутизне края поглощения. Им непосредственно составлены программы и выполнены численные расчеты по влиянию параметров материала на энергетические диаграммы гетеропереходов, а так же по автоматизации измерений и обработке их результатов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка опубликованных работ автора и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 141 страницу, включая 76 рисунков, 3 таблицы, 3 приложения. Список цитируемой литературы включает 103 наименования.
