2.3.3 Преобразователь солнечной энергии видимого спектра на основе гетероструктур из соединений АnВm

В технической литературе [78] рассмотрены преобразователи солнечной энергии видимого спектра, в которых первичным преобразователем солнечного излучения является р-n переход, причем для создания тянущего электрического поля используется варизонный слой. Однако солнечные преобразователи такого типа обладают невысокими рабочим напряжением и КПД.

Hазработан специальный преобразователь солнечной энергии (ПСЭ) видимого спектра на основе гетероструктур из соединений А₃В₅. Конструкция ПСЭ и его зонная диаграмма изображены на рисунке 3.4 и 3.5.

Конструктивно ПСЭ содержит общее металлическое основание 1, на кото­ром размещены две фоточувствительные структуры, разделенные слоем диэлек­трика 2. Каждая из фоточувствительных структур содержит р-n переход 3, при­чем р-n переход 3 первой (левой) фоточувствительной структуры связан с общим металлическим основанием 1 посредством n_i -области 4 менее широко­зонного слоя полупроводника и его сильно легированного n_i слоя 5. На р-обедненной области р-n перехода 3 последовательно размещены pi-область 6 менее широкозонного слоя полупроводника, р-варизонный слой 7, слой р-типа 8 широкозонного полупроводника и сильнолегированный р⁺-слой 9 широкозонно­го полупроводника. Р-n переход второй (правой) фоточувствительной структуры связан с общим металлическим основанием 1 посредством р₂-области 10 менее широкозонного слоя полупроводника и его сильнолегированного р₂ - слоя 11.

Рисунок 3.4 - Преобразователь солнечной энергии

Рисунок 3.4 – Зонная диаграмма преобразователя солнечной энергии

На n-обедненной области р-n перехода 3 последовательно размещены n₂-область 12 менее широкозонного слоя полупроводника, n-варизонный слой 13, n₃-слой 14 широкозонного полупроводника и сильнолегированный n⁺₃ -слой 15 широкозон­ного полупроводника. Первый омический контакт 16 ПСЭ, в проеме которого размещен просветляющий слой 17, сформирован на сильнолегированном р⁺-слое 9 широкозонного полупроводника. Второй омический контакт 18 ПСЭ, в проеме которого размещен просветляющий слой 17, сформирован на сильнолегирован­ном n⁺₃ -слое 15 широкозонного полупроводника. Омические контакты 16 и 18 ПСЭ имеют внешние выводы 19. Более узкозонный слой первой фоточувстви­тельной структуры с pi-областью, р-n переходом, p_i-областью и сильнолегиро­ванным п^ -слоем сформированы на общем металлическом основании, являю­щемся омическим контактом методами молекулярно-лучевой эпитаксии, газо­фазной или жидкофазной эпитаксии. В качестве материала этого слоя использу­ется полупроводник, обладающий высокой подвижностью носителей заряда, большим временем жизни носителей и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои. Оптимальным полупроводником для этого слоя явля­ется арсенид галлия (GaAs) с шириной запрещенной зоны E_g2 = 1,43 эВ.

Для эффективного поглощения квантов солнечного света (фотонов) с энер­гий hv>E_g2 структурой p_i-область, р-n переход 3, n₁-область, а также эффективно­го переноса разделенных р-n переходом генерированных фотоносителей заряда ширина p_i-области и п_гобласти, как показали результаты эксперимента, должна составлять (0,5-0,9) Ld, где Ld - диффузионная длина фотогенерированных но­сителей заряда. Толщина сильнолегированного n⁺₁ -слоя выбирается из условия минимизации сопротивления n_i-области, исключения влияния границы n⁺₁ - слой - омический контакт общего металлического основания на разделенные заряды р-n перехода и должна быть выше диффузионной длины основных носителей Ld. Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина п^-слоя состав­ляет (1,1-2) Ld, причем она возрастает для полупроводников с высокой подвиж­ностью основных носителей. На р₁-области сформирован методом молекулярно-лучевой, жидкофазной или газофазной эпитаксии р-варизонный слой, представ­ляющий твердый раствор интерметаллического соединения A^m_1xA^m_21-xВⁿ. Пара­метр степени концентрации компонента в растворе X изменяется от нуля до еди­ницы, причем со стороны p₁-области он представляет материал этой области, на­пример А^m₂Вⁿ , а со стороны р-слоя 8 широкозонного полупроводника - матери­ал этого слоя, то есть соединения А^В . Например, если материалом p_i-области является GaAs с E_g2 = 1,43 эВ, а материалом р-слоя широкозонного полупровод­ника является AlAs с E_gi =2,15 эВ, то р-варизонный слой реализуется из мате­риала Ga_xAli._xAs, причем структура нижней границы слоя с параметром X = 1 представляет GaAs, а структура верхней границы слоя представляет AlAs с па­раметром X = 0. Толщина р-варизонного слоя 7 определяется скоростью измене­ния его ширины запрещенной зоны от E_gi до E_g2 при изменении X от 0 до 1 и диффузионной длиной неравновесных носителей заряда Ld. Р-варизонный слой создает градиент напряженности электрического поля, ускоряя перенос фотоге­нерированных носителей заряда. Для достижения оптимального по максимуму разделения генерированных в р-варизонном слое носителей заряда в диапазоне энергии фотонов E_gi > hv > E_g2 ширина этого слоя не должна превышать диффу­зионной длины основных избыточных носителей и составляет (0,5 - 0,9)Ld, при­чем она максимальная для полупроводников с наиболее высокой подвижностью носителей. В р-слое широкозонного полупроводника генерируются избыточные носители в диапазоне энергии фотонов hv > E_gi. Ширина этого слоя выбирается из условия полного переноса суммарного потока генерированных фотонами сол­нечного излучения носителей заряда в р⁺-сильнолегированный слой широкозон­ного полупроводника. Первый омический контакт к р⁺-слою формируется из га­зовой фазы на этом слое с проемом посредине или в виде решетчатой структуры.

Для повышения коэффициента поглощения фотонов воздействующего сол­нечного света на поверхность р⁺-слоя широкозонного полупроводника или на поверхность п⁺-слоя широкозонного полупроводника в области проема, или проемов решетчатой структуры первого омического контакта и второго омиче­ского контакта нанесен просветляющий слой (прозрачный антиотражательный материал), оптическая плотность которого выше, чем у р⁺-слоя 9 и n⁺₃ -слоя. В качестве материала просветляющего слоя обычно используются окислы кремния SiO и Si0₂, а оптимальная толщина просветляющего слоя составляет 0,08 - 0,15 мкм. Толщина первого и второго омического контактов равна 1-5 мкм, а зани­маемая ими площадь составляет соответственно 6 - 12 % от р-слоя 9 и n⁺₃ - слоя 15.

С аналогичными толщинами и по аналогичной технологии сформирована на общем металлическом основании вторая фоточувствительная структура, то есть сильнолегированный p⁺₂ -слой, р₂-область менее широкозонного слоя полупро­водника, р-n переход, n₂-область менее широкозонного полупроводника, n₂-варизонный слой, n₃-слой широкозонного полупроводника, сильнолегированный n⁺₃ -слой широкозонного полупроводника и второй омический контакт.

Слой диэлектрика наносится на общее металлическое основание после формирования на нем первой фоточувствительной структуры. Слой диэлектрика представляет оксид кремния, для формирования которого используются фотоли­тография и пиролитическое разложение тетраэтоксилана.

При воздействии квантов солнечного света на рабочую поверхность первой и второй фоточувствительных структур ПСЭ со стороны решетчатых омических контактов и фотоны с энергиями Ei < E_gl[p⁺n⁺], где E_gi[p⁺n⁺] - ширина запре­щенной зоны р -слоя и n⁺₃ -слоя, сформированных из одинакового материала, проходят просветляющий слой, р⁺-широкозонный сильнолегированный слой, п⁺-широкозонный сильнолегированный слой и достигают р-варизонный слой, п₂-варизонный слой и р-n переход, где фотоны с энергиями E_gi > Е_i > E_g2 погло­щаются в варизонных слоях, обедненных областях р-n перехода и в р₁ n₁-областях в р₂, n₂-областях менее широкозонного полупроводника и создают в по­глощающих областях избыточную концентрацию носителей заряда. Солнечные лучи с энергией E_i > E_gl в поглощающих фотоны р-слое и n-слое широкозонного полупроводника также создают избыточную концентрацию носителей заряда в этих областях. Избыточная концентрация фотогенерированных электронов и ды­рок в каждой из фоточувствительных структур определяется в соответствии с за­висимостями:

Δn = βηIτ_n; (3.8)

Δp = βηIτ_p; (3.9)

где β - квантовый выход;

η - коэффициент поглощения света;

I - интенсивность света;

τ_n, τ_р - время жизни избыточных электронов и дырок.

Фотогенерирован-ные в р-слое, р-варизонном слое, pi-области и ni-области дырки разделяются р-п переходом и движутся под действием электрического поля р-n перехода и электрического поля р-варизонного слоя к омическому контакту 16, а фотогене-рированные электроны в указанных слоях и областях движутся под действием электрического поля р-варизонного слоя и р-n перехода к общему металлическо­му основанию, где и рекомбинируют. Омический контакт 16 находится под по­ложительным потенциалом вследствие притока к нему дырок. Фотогенерирован-ные в п₃-слое, п₂-варизонном слое, п₂-области, обедненных областях р-n перехо­да, р₂-области электроны и дырки разделяются р-n переходом, причем электро­ны под действием электрического поля р-n перехода и электрического поля п₂-варизонного слоя устремляются к сильнолегированному n⁺₃ -слою и омическому контакту 18, а дырки в указанных слоях и областях движутся под действием электрического поля варизонного слоя и р-n перехода к общему металлическому основанию, где и рекомбинируют. Омический контакт 18 находится под отрица­тельным потенциалом вследствие притока к нему электронов. Первая и вторая фоточувствительные структуры через общее металлическое основание соедине­ны последовательно, поэтому фототок в них будет одинаков.

Вследствие разделения зарядов через р-n переход 3 течет ток

(3.10)

и возникает фотоэдс в каждой фоточувствительной структуре ПСЭ, максималь­ное значение которой при холостом ходе

(3.11)

где I_ф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенно­сти; I_s - ток насыщения р-n перехода; U_a - приложенное к р-n переходу собст­венное напряжение. Напряжение на разомкнутых омических выводах ПСЭ Ua_∑ = 2Е₀ = 2U_am, то есть равно удвоенному значению напряжения, создаваемого на каждой из фоточувствительных структур как соединенных последовательно.

В общем случае при заданной интенсивности световой поток, обусловлен­ный избыточными носителями с концентрациями An и Ар определяется выраже­нием

I_ф = e(Δnμ_n + Δpμ_p)E_a (3.12)

Поскольку фоточувствительными структурами преобразователя солнечной энер­гии активно поглощается широкий спектр фотонов с энергиями от E_g1 и выше и до энергий E_g2, то избыточные концентрации An и Ар в предложенном устройст­ве значительно выше, чем у известных аналогов, где активно поглощаются лишь фотоны с энергией, равной ширине запрещенной зоны р-n перехода.

При замыкании на нагрузку внешней цепи преобразователь солнечной энер­гии отдает в нее мощность

(3.13)

а ее максимальное значение P_am = Uam∙W При условии равенства значений то­ков в созданном ПСЭ и аналогах (практически I_а(3) > I_а(п)) соотношение их выход­ных мощностей определяется соотношением напряжений, то есть

(3.14)

где Р_а[3], I_а[3], U_а[3], Р_а[п], I_а[п], U_а[п] - мощности, токи и напряжения синтезированно­го ПСЭ соответственно.

Создано экспериментальное устройство - преобразователь солнечной энер­гии с двумя фоточувствительными структурами с р-n переходом на основе арсе-нида галлия. В первой фоточувствительной структуре п⁺ сильнолегированный слой выполнен толщиной 2,3 мкм из GaAs, легированный Те с концентрацией N_D ≈ 5∙1О¹⁹ см^-3, n₁ область выполнена также из GaAs, легированного Те с концен­трацией N_D = 5∙10¹⁶ см^-3 и толщиной 0,4 мкм; суммарная толщина обедненных областей р-n перехода из GaAs W₀ составляет 0,65 мкм; р₁ - область выполнена из GaAs, легированного Cd с концентрацией N_A = 5ТО¹⁶ см"³. Р-варизонный слой 7 выполнен структурой Ga_xAl_1-xAs, причем параметр X изменяется от 0 до 1. Ширина запрещенной зоны AlAs E_gi =2,15 эВ, а ширина запрещенной зоны GaAs E_g2 = 1,43 эВ. Варизонный р-слой легирован Cd с концентрацией N_A ≈5∙10¹⁶ см^-3 , обладает толщиной 0,65 мкм. Р-слой широкозонного полупроводника выполнен из AlAs, легирован Cd с концентрацией N_A = 10¹⁶ см^-3 и обладает толщиной 0,5 мкм. Сильнолегированный р⁺-слой выполнен из AlAs, легирован-ного Cd с концентрацией N_A = 3∙10¹⁹ см^-3, шириной 0,5 мкм.

Во второй фоточувствительной структуре сильнолегированный р⁺ -слой выполнен из GaAs, легированного Cd с концентрацией N_A = 5∙10¹⁹ см^-3 и толщиной 2,3 мкм; слой р₂ также выполнен из GaAs, легированного Cd с концентрацией N_A = 5∙1О¹⁶ см^-3 и толщиной 0,4 мкм. Суммарная толщина обедненных областей Wo р-п перехода из GaAs находится в пределах 0,65 мкм, а п₂-область выполнена из GaAs, легированного Те с концентрацией N_D =10¹⁶ см^-3 и толщиной 0,4 мкм. N₂-варизонный слой выполнен структурой Ga_xA_1-xAs с 0 < X < 1. Варизонный п₂-слой легирован Те с концентрацией донорной примеси N_D = 5∙1О¹⁶ см, он обла­дает толщиной 0,65 мкм; п₃-слой из широкозонного полупроводника выполнен на основе AlAs, легированного Те с концентрацией примеси N_D = 10¹⁶ см и обла­дают толщиной 0,5 мкм. Сильнолегированный п^ -слой выполнен из AlAs, легированного Те с концентрация N_D = 5∙10¹⁶ см^-3 , шириной 0,5 мкм. Общее металли­ческое основание 1, являющееся омическим контактом, выполнено из алюми­ния толщиной 0,3 мм, причем оно со стороны п⁺ -слоя легировано Те, а со сто­роны р₂ -слоя легировано Cd. Слой диэлектрика 2 сформирован из Si0₂ толщи­ной 3 мкм. Омический контакт 16 создан структурой Cd-Al-Ni общей толщиной 1,8 мкм, а омический контакт 18 выполнен структурой Te-Al-Ni общей тол­щиной 1, 8 мкм.

Для сформированного ПСЭ указанных топологических и геометрических размеров экспериментально получены его базовые характеристики: вольт-амперная I_a = f( U_a)/ I_v = const, спектральная I_a = f (λ)/Ф, U_a = const и I_a = f(Ф)/ U_a = const.

Семейство ВАХ с ростом интенсивности солнечного излучения смещается в область высоких зна­чений выходного тока. В фотогенераторном режиме выходное напряжение ПСЭ при холостом ходе превышает 2,5 В. Cинтезированный ПСЭ обладает высокой токо­вой чувствительностью в широком диапазоне длин волн видимого спектра сол­нечного излучения от 0,3 до 0,75 мкм. Энергетическая характеристика ПСЭ обладает достаточно высокой линейностью в широком интервале интенсивности солнечного потока, что отражает возможность его использования при высокой интенсивности потока солнечного излучения.

Экспериментальный преобразователь солнечной энергии, выполненный структурой GaAs-Ga_xAl_1-xAs-AlAs при интенсивности солнечного излучения с энергий Р_вх = 65 мВт/см обладает следующими параметрами: U_am = 2,6 В; I_amax = 20 мА/см³; выходная мощность Р_ат = 40-50 мВт/см²; Т_доп > 150 °С. Для прототипа эти параметры составляют: U_am = 0,78 В; I_am= 12 мА/см²; Р_ат = 6 мВт/см²;

На базе синтезированного ПСЭ может быть создана экономичная солнечная батарея требуемых размеров и мощностей, которая найдет применение в качест­ве возобновляемого источника электрической энергии.

Вывод:

Рассмотренный преобразователь ИК-излучений солнечного спектра на основе гетеропереходных функциональных элементов из соединений A_nB_m, обладает следующими электрофизическими свойствами: пороговая чувствительность Si ~ 3,5 - 5 мА/Вт, диапазон спектральной чувствительности Δλ = 0,4 - 3,0 мкм, тем-новое сопротивление R_T ~ 5∙10⁶... 10⁷ Ом, рабочие напряжение U_a = 5... 20 В.

Синтезирован полупроводниковый преобразователь фононных излучений лучистой энергии на основе многослойной фотодиодной матрицы с системой ее охлаждения. Гранитная длина волны преобразователя А~12 мкм; ток фотоотклика при Т = 50 °С 1ф ~ (3-5) ∙ 10^-4 А.

Преобразователь солнечной энергии видимого спектра на основе гетероструктур из соединений A_nB_m. Размещение на общем металлическом осно­вании двух фоточувствительных структур с обратным расположением р- и n-областей позволил увеличить генерируемую фото-ЭДС до 2,6 В, а выходную мощность до 50 мВт/см .