Спосіб отримання епітаксійної структури сонячного елемента

Реферат: Спосіб отримання епітаксійної структури сонячного елемента на основі GalnP/GaAs з двома р-n переходами із газової фази містить, як елементи третьої і п'ятої груп, триметилгалій (TMGa), триметилалюміній (ТМАl, арсин (АН3) та фосфін (РН3), а як донорні та акцепторні домішки силан (SiH4) та діетилцинк (DEZn). Формування твердого розчину pAl xGa1-xAs, легованого цинком із наростаючою шириною забороненої зони до напрямку світлового потоку здійснюють при подачі в реактор триметилалюмінію та фіксованій витраті триметилгалію. UA 73341 U (12) UA 73341 U UA 73341 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології напівпровідникових матеріалів, зокрема, до отримання епітаксійних структур для фотоелектричних перетворювачів, і може бути використана в електронній техніці при виготовленні сонячних батарей. Відомо, що фотоелектричний перетворювач (ФЕП) на основі напівпровідникової структури з одним p-n переходом може перетворювати в електричну енергію тільки певний енергетичний діапазон сонячного спектру, енергія фотонів якого є рівною, або ж більшою від ширини забороненої зони активної області напівпровідникового матеріалу. Фотони з меншою енергією поглинаються активною областю напівпровідникової структури без фотогенерації носіїв заряду. Збільшення коефіцієнта корисної дії (к.к.д) ФЕП можна досягнути, якщо розширити спектральний діапазон сонячного світла, що спричиняє фотогенерацію носіїв заряду в області p-n переходу. Для цього необхідно розмістити один над одним два або більше p-n переходів із напівпровідникових матеріалів з різною шириною забороненої зони (Eg). Щоб кожен із p-n переходів здійснював ефективне перетворення сонячного світла певної ділянки спектру, необхідно, аби ширина забороненої зони напівпровідника верхнього p-n переходу була більша від ширини забороненої зони напівпровідника нижнього p-n переходу. Крім того, для зменшення омічних втрат кожен із робочих p-n переходів з'єднується тунельним діодом, що суттєво ускладнює технологію виготовлення таких структур. Істотним недоліком такого типу епітаксійних структур є необхідність в підборі матеріалів, з яких виготовляються тунельні діоди. Оскільки, максимальний струм тунелювання падає із збільшенням ширини забороненої зони матеріалу, з якого виготовлений тунельний діод, то для сонячних елементів, що працюють при високих ступенях концентрації, необхідно зменшувати ширини забороненої зони матеріалу тунельного діода, а це погіршує узгодження між верхніми p-n переходами каскадного фотоелектричного перетворювача. Способом, що може вирішити проблему збільшення частотної смуги сонячного світла, яка поглинається із фотогенерацією носіїв, при обмеженні кількості робочих p-n переходів, є виготовлення епітаксійних шарів у вигляді твердих розчинів із наростаючою шириною забороненої зони до напрямку світлового потоку. Відомий спосіб виготовлення каскадних епітаксійних структур з коефіцієнтом корисної дії понад 30 % при AM 1,5 які здатні працювати при неконцентрованих та концентрованих світлових потоках (Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики//ФТП. т.38, вып.8, 2004. с.937-948). Згідно вищевказаного способу, високоефективні епітаксійні структури для сонячних елементів виготовляються шляхом МОС-гідридної епітаксії при послідовному формуванні в монолітній епітаксійній структурі фотокомірок, здатних поглинати сонячне світло розширеного спектрального діапазону, на відміну від сонячних елементів з однією фотокоміркою. Теоретично, збільшення кількості фотокомірок, розрахованих на роботу в різних спектральних діапазонах, дозволяє підвищувати коефіцієнт корисної дії. Хоча, додавання кожного наступного каскаду вже не приводить до істотного зростання коефіцієнта корисної дії. Так, в наземних умовах (AM 1.5), згідно теоретичних розрахунків, при додаванні до трикаскадного сонячного елемента ще однієї комірки к.к.д збільшується на 5 %, а додавання ще одного каскаду лише на 2 %. Додавання кожного наступного каскаду вимагає вирішення складних проблем по узгодженні параметрів ґратки наступних фотокомірок, а також введення тунельних переходів, що значно ускладнює епітаксійну структуру та технологію її виготовлення. Отже, відомий спосіб підвищення к.к.д каскадних епітаксійних структур простим додаванням нових каскадів не є оптимальним. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є спосіб отримання епітаксійної структури сонячного елемента (В.М.Лантратов, Н.А.Калюжный, С.А.Минтаиров, Н.Х.Тимошина, М.З. Шварц, В.М. Андреев. Высокоэффективные двухпереходные GalnP/GaAs солнечные элементы, полученые методом МОС-гидридной эпитаксии.//ФТП. т.41, вып.6, 2007. с.751-755), згідно якого, епітаксійну структуру для монолітного сонячного елемента на основі GalnP/GaAs з двома p-n переходами отримують із газової фази, яка як елементи третьої і п’ятої груп містить триметилгалій (TMGa), триметилалюміній (ТМАl арсин (АН3) та фосфін (РН3), а як донорні та акцепторні домішки - силан (SiH4) та діетилцинк (DEZn). Недоліком відомого способу є те, що він дозволяє формувати епітаксійну структуру з двома різкими p-n переходами, кожен із яких може поглинати тільки ту частину сонячного спектру, енергія фотонів якого є рівною, або ж більшою від ширини забороненої зони активної області. Таким чином, фотони з меншою енергією не поглинаються активною областю напівпровідникової структури, а ті, що мають енергію значно більшу - генерують високоенергетичні електрони, які свою кінетичну енергію в основному витрачають на нагрів кристалічної ґратки. 1 UA 73341 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спосіб отримання епітаксійної структури сонячного елемента, який забезпечував би підвищення коефіцієнта корисної дії сонячних елементів за рахунок отримання активного фотогенеруючого шару в складі двоперехідної епітаксійної структури у вигляді твердого розчину із наростаючою шириною забороненої зони до напрямку світлового потоку. Задачу вирішують тим, що у відомому способі отримання епітаксійної структури сонячного елемента на основі GalnP/GaAs з двома p-n переходами із газової фази, яка як елементи третьої і п'ятої груп містить триметилгалій (TMGa), триметилалюміній (ТМА1), арсин (АН 3) та фосфін (РН3), а як донорні та акцепторні домішки - силан (SiH4) та діетилцинк (DEZn), згідно корисної моделі формування твердого розчину pAl xGa1-xAs, легованого цинком із наростаючою шириною забороненої зони до напрямку світлового потоку здійснюють при подачі в реактор -7 триметилалюмінію в кількості, яку визначають згідно емпіричного виразу N TMAl = -9,4-10 -7 -7 2 -4 +2,9·10 ·х + 1,1-10 ·х та фіксованій витраті триметилгалію (TMGa) N TMGa = 1,32·10 моль/хв, де х- величина концентрації у газовому середовищі триметилалюмінію. Запропонований спосіб пояснюється на кресленнях, де на фіг. 1 наведений експериментально одержаний розподіл концентрації AlAs по товщині шарів AlxGa1-xAs (х=0÷0.32), кристалізованих МОС-гідридною епітаксією, при зміні кількості -7 -7 триметилалюмінію в газовій фазі згідно емпіричного виразу NTMAl = -9,4·10 +2,9-10 ·t + 1,1-10 7 2 -4 ·t та фіксованій витраті триметилгалію (TMGa) N TMGa, =1,32·10 моль/хв. за температури епітаксії 770 °C; на фіг. 2 показані вольт-амперні характеристики партії (5 шт) сонячних елементів, виготовлених на основі двоперехідних епітаксійних структур з активним фотогенеруючим шаром першої фотокомірки у вигляді твердого розчину із наростаючою шириною забороненої зони до напрямку світлового потоку. На основі експериментальних досліджень встановлений вид аналітичного виразу, згідно якого можна розрахувати розподілену в часі кількість парів триметилалюмінію, що подається в зону реакції впродовж нарощування шару твердого розчину AlxGa1-xAs (x=0÷0.32). -7 -7 -7 2 NTMAl = -9,4·10 +2,9-10 ·t+1,1·10 ·t , де NTMAl - кількість парів триметилалюмінію в газовій фазі реактора; t - час нарощування шару твердого розчину AlxGa1-xAs (x=0÷0.32). Саме при такій часовій залежності газового потоку триметилалюмінію в газовій фазі реактора можна забезпечити оптимальну крутизну наростання вмісту AlAs при якій забезпечуються найбільш ефективні умови фотогенерації носіїв по всій товщині шару твердого розчину AlxGa1-xAs (x=0÷0.32). Вміст AlAs не повинен перевищувати величину х