Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Свойства тонких пленок GaAs, CdTe, InP, Zn3P2, CdSe, Cu2Se и CuInSe2 рассмотрены в гл. 3. В данной главе речь пойдет о фотоэлектрических характеристиках тонкопленочных солнечных элементов на основе этих материалов.
336
Глава 7
7.2. Арсенид галлия
Среди различных типов массивных солнечных элементов на основе GaAs наиболее подробно изучены элементы с гомогенным р— я-переходом. Для их изготовления обычно применяют полированные монокристаллические пластины материалов с проводимостью я-типа и концентрацией легирующей примеси около 1017 см-3; р—я-переход формируют посредством введения диффузионным методом в поверхностный слой толщиной
— 1 мкм акцепторных примесей (??п или Cd) [1]. Кроме того, изготовляют элементы с мелкозалегающим переходом (расположенным на расстоянии 0,25... 0,5 мкм от поверхности), которые в наземных условиях обладают наиболее высоким КПД (—12%) [1]. Измерения спектральной чувствительности солнечных элементов с гомогенным переходом показывают, что потери фототока связаны главным образом с небольшой диффузионной длиной неосновных носителей заряда как в я-, так и р-слоях GaAs, а также с высокой скоростью их рекомбинации на поверхности р-слоя.
На основе арсенида галлия недавно разработаны элементы новых типов: с гетероструктурой Gai-xAUAs — р-GaAs —
я-GaAs [2] и гетеропереходом р-Gai_xAlxAs — я-GaAs [3], КПД которых составляет соответственно 15 % (в условиях АМО) и 19% (в условиях АМ1). Солнечные элементы со структурой p-GaAlAs — р-GaAs — я-GaAs — п+-GaAs, предназначенные для преобразования концентрированного излучения, имеют КПД 23 % при коэффициенте концентрации, равном 9,9, и температуре 30 °С [4]. При наличии слоя Gai-sAl^As образуется отражающий потенциальный барьер для электронов, генерируемых в р-GaAs, благодаря чему снижаются их потери вследствие поверхностной рекомбинации; кроме того, этот слой служит прозрачным низкоомным контактом к GaAs; уменьшающим последовательное сопротивление элемента.
На основе GaAs также изготовлены солнечные элементы с барьером Шоттки и структурой металл — диэлектрик—полупроводник. Согласно данным Стирна и Йе 1[5], КПД монокри-сталлических элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник на основе Аи и GaAs составляет 15%.
После перечисления наиболее важных сведений о характеристиках и основных результатах разработок солнечных элементов на основе монокристаллического арсенида галлия перейдем к рассмотрению тонкопленочных элементов.
7.2.1 Процесс изготовления
Тонкие пленки GaAs получают методом химического осаждения из паровой фазы [6—14], в том числе из паров металлорганических соединений [11 —14], и на их основе создают элементы
Новые типы солнечных элементов
337
с гомогенным переходом [6], гетероструктурой и гетеропереходом [11], барьером Шоттки [7, 9, 12—14], а также структурой металл — диэлектрик — полупроводник [7, 10]. В качестве подложек применяют легированные цинком монокристаллы р+-GaAs, поверхность которых ориентирована относительно направления <100> [6], и легированные кремнием монокристаллы GaAs с аналогичной ориентацией поверхности [11]; кроме того, используют подложки из графита (без каких-либо покрытий
[8] и со слоем вольфрама [7, 9, 10]) и молибдена [12—14]. Монокристаллические подложки имеют высокую стоимость и служат исключительно для исследовательских целей.
Тонкопленочные элементы на основе GaAs со структурой металл — оксид — полупроводник, как правило состоящие из слоев Au — оксид — я-Ga As — n+-GaAs — W — графит, изготовляют следующим образом [7]. Пленку GaAs осаждают на покрытую слоем вольфрама графитовую подложку химическим методом из паров Ga, НС1 и AsH3 с применением водорода в качестве газа-носителя. Температура подложки составляет
750... 775 °С, а температура источника осаждаемого вещества (Ga)—800... 900 °С. Скорости потоков HCI, AsH3 и Н2 равны соответственно 45 мл/мин, 90 мл/мин и 1 л/мин. В образующемся слое я-GaAs толщиной —20 мкм значения концентрации носителей заряда заключены в пределах 5 • 1016... 1017 см-3. При введении в химически активную смесь газообразного сероводорода H2S получают легированный серой слой n+-GaAs толщиной 3...5 мкм с концентрацией носителей 2-1018... ...5-1016 см-3, который обеспечивает низкое (~ Ю~3Ом) контактное сопротивление между элементом и подложкой. Термообработка образца в атмосфере кислорода или смеси кислорода с аргоном продолжительностью 0,5... 1 ч при температуре 200 °С, осуществляемая непосредственно после осаждения пленки GaAs, приводит к формированию на ее поверхности слоя оксида, выращивание которого продолжают затем в кислороде, насыщенном водяным паром, при температуре 30 °С в течение
8... 12 ч [8].
Для улучшения характеристик элементов перед окислением пленки GaAs на ее поверхность осаждают слой GaAsi_xPx переменного состава толщиной 1 мкм в процессе химической реакции между Ga, HCI, AsH3 и РН3 [7]. Затем методом вакуумного испарения при давлении менее 10~4 Па наносят пленку золота толщиной 6... 10 нм и посредством испарения (через металлическую маску) серебра создают контактную сетку. С помощью гидролиза тетраизопропилтитаната в атмосфере аргона при температуре 80... 100 °С создают слой ТЮ2 толщиной
