Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
чения атомарно-чистой границы раздела. С помощью этого получают низкие скорости поверхностной рекомбинации, наблюдаемые на металлургической меж-фазной границе.
Температура, °С
Добавляя небольшое количество Zn в расплав, содержащий А1 и Ga, можно создать мелкозалегающий слой p-типа в подложке GaAs одновременно с выращиванием слоя AlGaAs. В соответствии с другим способом слой р-GaAs выращивают из расплава Ga, легированного германием, непосредственно перед осаждением AlGaAs. Интуитивно кажется, что эпитаксиальные слои должны иметь более высокое структурное совершенство и большие времена жизни неосновных носителей заряда.
Для улучшения характеристик полупроводниковых устройств существует несколько вариантов жидкофазного выращивания. Осаждение осуществляют в условиях недостаточного насыщения, насыщения и пересыщения расплавов; в последнем случае, как правило, эпитаксиальные слои характеризуют малой диффузионной длиной L неосновных носителей заряда [Woodall, Hovel, 1977]. ’’Выщелачивание” или геттерирование примесей из нижележащих слоев р- или л-типа в подложке с целью повышения значения L осуществляют путем отжига подложки в расплаве Ga—А1 до эпитаксиального наращивания [Woodall, Hovel, 1975]. С помощью метода рекристаллизации с тыльным подтравливанием [Woodall, Hovel, 1977] в одном технологическом цикле осуществляют геттерирование и выращивание слоя AlxGa!_xAs переменного состава. Преимущества при использовании подобных слоев обсуждаются далее в 5.2.6.
Другой наиболее часто применяемый способ — это химическое осаждение из паровой фазы (или более узко — эпитаксия из паровой фазы) путем синтеза газообразных соединений, содержащих Ga и As. При реакции GaCl3 и арсина (AsH3) на подложке, нагретой до 600—800° С, скорость осаждения GaAs может превышать 10 мкм/ч [Johnston, Callahan, 1976]. Осаждение GaAs происходит также в результате пиролитической реакции органометаллических соединений галлия (например, триметил-галлия) с AsH3 на подложке, нагреваемой с помощью СВЧ-излучателей [Dapkus е. а., 1978; Dupuis е. а., 1977]. Особое достоинство последнего метода для предполагаемого массового производства — отсутствие нагрева стенок реактора и осаждение материала только на нагретых подложках. Оба процесса используют в качестве газа-носителя водород при атмосферном давлении.
Времена жизни неосновных носителей заряда в слоях, выращенных методами жидкофазной эпитаксии и химического осаждения из паровой фазы, близки. Оба метода применимы также для получения кристаллических пленок GaAs на аморфных подложках.
199
Ввиду большого различия давлений насыщенных паров элементов Ga и As (при 400°С отношение давлений 1011) при обычном вакуумном испарении GaAs невозможно добиться стехиометрического состава слоев. Однако высокосовершенные слои выращивают методом молекулярнопучковой эпитаксии [Casey, Panish, 1978b],
5.2.3. Наиболее распространенная структура солнечного элемента на основе GaAs и ее предварительная оптимизация
За исключением одного единственного раннего сообщения о солнечном элементе на основе р- л-гомоперехода в GaAs с tjs = 4% [Jenny е. а., 1956], интенсивные исследования солнечных элементов на основе GaAs начались значительно позже, чем в случае Si. В одной из ранних публикаций сообщалось о солнечном элементе на основе р - и-перехода в GaAs; имевшем при AMI rjs = 11%,= 17 мА/см2 и большое значение Voc [Gobat е. а., 1962]. В 1970 г. впервые стало известно о создании гетеро-переходной структуры р-AlGaAs-л-GaAs, имевшей в условиях освещения АМО КПД 10-11% и сильно расширенную спектральную чувствительность в коротковолновой области по сравнению с р- л-гомопереходом [Alferov е.а., 1971].
Большой скачок в повышении КПД произошел в 1972 г. с появлением солнечного элемента с гетерофазной границей раздела; впервые это удалось Вудалу и Ховелу: их элементы со структурой р-Al0j7Ga0i3 As -р-GaAs-л-GaAs, изготовленные методом жидкофазной эпитаксии, имели i?s = 15,3 и 19,1% при АМ1 и АМ2 соответственно [Woodall, Hovel, 1972]. В результате диффузии Zn при осаждении слоя AlGaAs в пластине л-GaAs формировался промежуточный слой GaAs р-типа проводимости. Вскоре был сделан аргументированный вывод, что солнечные элементы на его основе, имеющие большой КПД, перспективны для применения в системах, использующих концентрированные солнечные потоки, в которых высокая стоимость самого элемента составляет лишь малую долю стоимости всей концентраторной системы.
В 1978 г. появился солнечный элемент на основе гомопереходов п* -Р-Р* в GaAs со структурой, напоминающей типичный кремниевый солнечный элемент с изотипным переходом у тыльного контакта [Fan, Bozber, 1978]. Слои р- и л+-типов получали методом химического осаждения из паровой фазы, причем утончение л+-слоя до требуемого размера (0,045 мкм) выполнялось анодированием. Слой анодного оксида после завершения стравливания л+-слоя оставляли на поверхности элемента, и он служил в качестве просветляющего покрытия. Коэффициент полезного действия этого элемента при АМ1 составлял 20% без использования концентрированных потоков. Все же элементы с гетероструктурами имеют пока более высокий КПД: 24,7% при АМ1 и степени концентрации 180 в случае гетероструктуры с переменным составом слоя AlGaAs [Sahai е. а., 1978]; 21% при AM 1,4 (без применения концентрированных потоков) [James, Moon, 1975] и 21,9% при АМ1 (без концентрации солнечного излучения [Woodall, Hovel, 1977 ].
