Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
5.2. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ
СТРУКТУР AlGaAs-GaAs С ГЕТЕРОФАЗНОЙ ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА
Ширина запрещенной зоны GaAs (1,43 зВ) близка к значению, оптимальному для целей фотоэлектрического преобразования солнечной энергии; в условиях солнечного освещения АМ1 теоретический предел КПД составляет 26—29%. Высокая подвижность носителей заряда в GaAs, позволяющая изготовлять из него высокочастотные устройства, более оптимальная, чем в Si, ширина запрещенной эоны й простота изготовления тройных соединений с малым несоответствием параметров решеток выдвигают GaAs на роль основного конкурента Si среди наиболее изученных полупроводниковых материалов.
Арсенид галлия — прямозонный полупроводник с большим коэффициентом оптического поглощения; при спектральном составе падающего солнечного излучения, соответствующего условиям АМ1, на глубине около 2 мкм поглощается 97% всех фотонов. Почти полное совпадение параметров кристаллических решеток и отсутствие рекомбинационных центров на межфазной границе в изотипном переходе AlGaAs-GaAs были успешно использованы для устранения потерь, связанных с рекомбинацией носителей на лицевой поверхности в солнечных элементах с гетерофазной границей раздела, и получения в 1983 г. наивысшего КПД среди всех известных типов солнечных элементов.
Высокая стоимость исходного материала и технологии изготовления солнечных элементов обусловили строгую ориентацию производства солнечных элементов на основе GaAs для концентраторных систем и космического использования.
5.2.1. Свойства материалов GaAs и AlGaAs
Несмотря на большое содержание Ga в земной коре (18-10_4%;. для сравнения — содержание Си в земной коре 64 • 10~ 4 %), промышленный выпуск чистого галлия невысок по современным меркам. Стоимость небольшой партии высокочистого галлия в 1980 г. достигала около* 3000 долл. за 1 кг. Однако присутствие Ga в газообразных продуктах сгорания угля позволяет с некоторой гарантией надеяться на появление нового значительного источника Ga после создания соответствующих средств регенерации. Хотя мышьяк также широко распространен в земной коре и легко добываем, химическая технология очистки и дороговизна выпуска малых партий чистого материала в настоящее время таковы, что стоимость полупроводниково-чистого мышьяка также высока (500 долл. за 1 кг).
Арсенид галлия сильно поглощает в видимой области спектра и относится к кубической сингонии со структурным типом цинковой обманки.
Ф 1
Свойства GaAs и AlAs при 300 К
GaAs AlAs
Структура......................................Цинковая Цинковая
обманка обманка
Температура плавления, 0С...................... 1238 1740
Плотность, г/см3...............................5,316 3,73
Коэффициент теплового расширения, 10~6 °С-1 .. 5,9 5,2
Постоянная решетки, нм......................... 0,565 0,566
Электронные свойства
и.- (297 К), 106 см-3 ......................... 1,8
Nc, 1017 см-3*2...................'............4,27
Nv, 1018 см-3*2................................ 8,19
X, эВ.......................................... 4,07 ж 3,5
Eg: прямые переходы, эВ........................ 1,424*3 3,018
г L
непрямые переходы* эВ.....................\Е * 1,708 2,3
•К=
Л&оо
_ 1,900 2,168
А"п(Л^ = Ю17см"3),см2/(В.с)...................... 4000 280
(iV4 = 1017 см“3),см2/(В.с)..................250
Тп: типичное значение, с......................... 10-9
максимальное значение, с..................... 6 • 10" 8
Тр. типичное значение, с......................... 3 • 10-9
максимальное значение........................8-10-9
Ln: типичное значение, мкм.......................4-8
максимальное значение, мкм...................23
Lp: типичное значение, мкм.......................4
максимальное значение, мкм................... 5-6
*1 Значительно более подробные сведения об основных электронных свойствах сплавов и переходов на основе GaAs и AlGaAs можно найти в книге Кейси и Паииша [Casey, Panish, 1978а].
*2 Casey, Panish, 1978а.
*3 ЕЛТ) = 1,519 - 5,405-10-4 7^(204 + Т) [Thurmond С. D.,// J. Eletrochem. Soc., 19Т5, vol. 122].
Хотя времена жизни неравновесных носителей заряда в GaAs крайне малы (около 1СГ9 с), — свойство,присущее прямозонным материалам,—
195
(акцептор) (донор
Рис. 5.2. Зависимость -концентрации свободных носителей заряда в слоях Al^Gaj_^As от содержания А1 в случае четырех типов атомов легирующей примеси. Количество легирующей молярной примеси в расплаве во всех случаях одинаково и равно 0,5%. Слои выращены на подложках GaAs с ориентацией (100) при температурах от 810 до 840°С
0 0,2 0,4 0,8 0,8 х
большая подвижность носителей заряда обеспечивает диффузионные длины (6— 8 мкм в случае слоев GaAs, легированных германием и выращенных методом жидкостной эпитаксии), вполне приемлемые для достижения высокого квантового выхода. Поскольку соединение AlGaAs при большом содержании А1 гигроскопично, солнечный элемент необходимо защищать ох влаги.
Выращивание кристаллов GaAs обычно осуществляют методом Бриджмена, хотя применим также и метод Чохральского. Во избежание взрыва необходимо крайне осторожно проводить синтез элементов. Ввиду большого различия давлений насыщенных паров (Pqа ~ 30 Па при 1240°С и Ра я = 10s Па при 615°С) для сохранения стехиометрии следует в процессе выращивания поддерживать повышенное давление As.
