Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
5.2.6. Арсенид-галлиевые солнечные элементы с переменной шириной зоны и барьерами Шоттки
Целесообразность создания переменной ширины запрещенной зоны путем варьирования состава обусловлена следующими различными, но взаимосвязанными причинами.
Во-первых, переменный состав слоя — естественное обобщение концепции широкозонного окна-фильтра, направленное на оптимизацию прохождения и поглощения света в слое, на тыльной стороне которого сформирован р - п - переход.
Во-вторых, переменный состав и обусловленные им электрические поля большой напряженности вблизи лицевой поверхности способствуют отражению носителей от нее и снижению потерь, связанных с поверхностной рекомбинацией.
В-третьих, наличие электрических полей высокой напряженности в генерационном объеме существенно повышает эффективное значение диффузионной длины неосновных носителей:
Leff — Ln о (<5 q Ln 0/(k Т)).
Эти идеи обсуждали уже давно, но воплотить их в жизнь стало возможным пить с появлением идеальной для этих целей системы AlGaAs — GaAs. Например, еще в 1975 г., по-видимому, Тайц впервые предложил идею снижения поверхностной рекомбинации за счет создания электрического поля в слое переменного состава. Им же объяснен эффект возникновения ЭДС в освещенном полупроводнике с переменной шириной запрещенной зоны.
Эта теория была затем распространена на случай, когда ие только ширина запрещенной зоны, ио и подвижности, времена жизни, концентрации носителей и их эффективные массы зависели от положения в полупроводнике [Marfaing, Chevallier, 1971]. При сравнении расчетных и экспериментальных результатов для структур Hg*Cdj^Te обнаружили почти полную их идентичность. При высоких уровнях освещенностей в зтих структурах наблюдали небольшую ЭДС (не более 1,5 мВ).
208
Был проведен детальный (и достаточно критический) анализ с помощью ЭВМ солнечного элемента на основе структуры л-AlGaAs—p-GaAs с переменным составом [Hutchby, Fudurich, 1976]. При анализе использовали экспериментальные значения параметров материалов и учитывали все известные механизмы энергетических потерь, в том числе и в просветляющих покрытиях. Расчеты показали, что для получения максимального КПД = 17,7% при АМО состав слоя AlxGaj_x As толщиной 1 мкм должен изменяться таким образом, чтобы х менялся от 0,35 до 0. Переменный состав способствует повышению радиационной стойкости, несмотря на деградацию L„ и S.
Методом изотермической рекристаллизации с подтравливанием были выращены слои толщиной от 0,2 до 0,4 мкм p-AlxGa,_xAs с изменением состава от х — 0,9 до *=0 по глубине. Помещенный над подложкой л - GaAs раствор Ga - А1 - Zn был слегка недонасыщен. Поэтому на начальной стадии происходило небольшое подтравливание поверхности подложки, а затем начинался рост переменного по составу слоя AlGaAs из-за концентрационных градиентов, установленных в расплаве на стадии травления подложки. В результате диффузии Zn в процессе выращивания формировался слой р-GaAs: Zn толщиной 0,8—2 мкм. Солнечные элементы при АМ1 имели КПД 21,8% = 18,4% в условиях освещения АМО
под имитатором) и повышенную чувствительность в коротковолновой части спектра.
При профилировании состава с помощью Оже-электронной спектроскопии в слоях AlGaAs толщиной 0,2 мкм, изготовленных тем же способом, было установлено, что переменный состав соответствует расчетным профилям, полученным в предположении диффузии алюминия через концентрационный градиент в расплаве вблизи ростовой границы [Kordos е. а., 1979]. Исследования показали, что толщину слоя переменного состава (а также глубину травления поверхностного слоя подложки можно варьировать в диапазоне от 0,15 до 0,25 мкм изменением степени не-досьпцения расплава. Этим способом получены солнечные элементы со значительной улучшенной спектральной чувствительностью в диапазоне больших энергий фотонов [Kordos, Pearson, 1981].
Среди солнечных элементов с барьером Шоттки стоит упомянуть интересную структуру Au-n-AlGaAs-n-GaAs [Shen, Pearson, 1979].Теоретически в этом случае (рис. 5.12) значение Jsc должно быть таким же большим, как в обычном элементе со структурой Аи — и-GaAs, a Voc — значительно превышать напряжение холостого хода обычного элемента. В эксперименте было получено увеличение Voc от 0,53 до 0,70 с ростом мольной доли х А1 от 0 до 0,5.
Разница ДEg между шириной запрещенных зон GaAs и Al^Ga^^As (ДEg =* 0,4 эВ при х = 0,3) препятствует движению дырок к Аи (рис. 5.12,а), и поэтому слой AlGaAs должен быть настолько тонким, чтобы и AlGaAs, и GaAs были обеднены вблизи гетероперехода, а сама его граница попадала в область сильного электрического поля. Из рис. 5.13 видно, как сильно зависит спектральная чувствительность элемента от толщины слоя AlGaAs. Семейство подобных кривых наблюдается при изменении обратного смещения VR в элементах с более трл-
209
Обедненная
Рис. 5.12. Энергетическая зонная диаграмма солнечного элемента на основе структуры Au - л-GaAlAs - п-GaAs с барьером Шоттки:
а - толщина слоя AlGaAs превышает ширину обедненной области; б - толщина слоя AlGaAs меньше ширины области обеднения
