2.3 Преобразователи солнечной энергии на основе p-n переходов

Солнечные элементы на основе полупроводниковых p-n гомо- и гетерост­руктур обеспечивают генерацию больших электрических мощностей, большие значения КПД и имеют высокую радиационную стойкость. Из рассмотренных в разделе 1 конструктивных типов преобразователей солнечной энергии наиболее эффективными по электрофизическим свойствам являются преобразователи на основе p-n гетероструктур из соединений А_nВ_m.

2.3.1 Преобразователь ик-излучений солнечного спектра на основе етеропереходных функциональных элементов

Для использования в структуре преобразователей солнечной энергии ИК-диапазона рассмотрен специальный первичный преобразователь ИК-излучений на основе гетеропереходных функциональных элементов с варизон-ной i-областью.

Топология и структура синтезируемого фотоэлектронного преобразователя (ФЭП) формировалась на основе представленных в главе 2 результатов исследо­вания.. Типовая структура разработанного ФЭП изображена на рисунке 3.1 а, раскрывающая механизм его работы зонная диа­грамма - на рисунке 3.1, б. ФЭП состоит из р-n переход на основе широкозонного полупроводника, включающего широкозонную обедненную n-область перехода и обедненную р-область перехода, которая контактирует с варизонным и силь­нолегированным р⁺ слоем из широкозонного полупроводника, n-область преоб­разователя содержит широкозонную обедненную n-область перехода, варизонный n₁ область, узкозонную n-n⁺ область, состоящую из n₂ -слоя и сильнолегиро­ванного n₂-слоя.

1 - решетчатый омический контакт; 2 - просветляющий слой; 3 - р⁺-слой широкозонного полупроводника с варизонной областью; 4, 5 - р-n переход; 6 - варизонный п-слой; 7,8- узкозонный n-слой и его ⁺ сильнолегированная область; 9 - нижний сплошной омический контакт

Рисунок 3.1- Структура преобразователя оптических излучений на основе двойной гетероструктуры (а) и его зонная диаграмма (б)

Нижний сплошной омический контакт ФЭП сформирован на n⁺₂ -слое, а верхний решетчатый омический контакт, в проемах решетки которого размещен просвет­ляющий слой, расположен на сильнолегированном р⁺-слое.

Для обоснования выбора материала компонентов, структуры и нахождения размеров областей синтезируемого ФЭП с заданным уровнем основных парамет­ров (токовая, вольтовая фоточувствительность, обнаружительная способность), рассмотрим основные зависимости, описывающие эти параметры и физические процессы в структуре преобразователя. Как известно, интегральная токо­вая чувствительность

(3.1)

поскольку J_Ф » J_T, а интегральная вольтовая чувствительность

(3.2)

- определяется как:

(3.3)

J_Ф, U_Ф – фототок и напряжение;

J_T, U_T – темновой ток и напряжение преобразователя;

J_V – интенсивность светового тока.

Поэтому необходимым условием синтеза высококачественного ФЭП явля­ется достижение предельно возможной величины фототока. Как показано в главе 2, выражение для полной плотности фототока n-р гетеродиодного фотопреобра­зователя имеет следующий вид:

(3.4)

Здесь - плотность фототока, собираемого из необедненного р-слоя благодаря диффу­зии;

(3.5)

- плотность фототока, генерируемого в обедненном р-слое; v₁ - коэффициент поглощения в n-слое ФЭП;

(3.6)

D_n, L_n - коэффициент диффузии и диффузионная длина фотогенерируемых элек­тронов;

di - толщина необедненного n-слоя, d₀ - толщина n-слоя ФЭП;

J_vi - интенсивность светового потока с длиной волны λ₁> hC/E_gi;

E_gi - ширина запрещенной зоны р-области.

- плотность фототока за счет поглощения и диффузии в свободном n-слое базы;

(3.7)

- плотность фототока за счет поглощения в обедненном n-слое базы;

( 3. 8 )

- интенсивность светового потока с длиной волны λ₂ ≥hc/E_g2 < λ₂

E_g2-ширина запрещенной зоны базового п-слоя;

d₂ - толщина необедненного слоя базы;

, d₃ - коэффициент и толщина базового слоя ФЭП;

L_p - диффузионная длина фотогенерируемых дырок.

Анализ выражений (3.4) - (3.6) показывает, что для достижения поставлен­ной цели необходимо выбирать материалы компонентов ФЭП с максимально возможными D, L, оптимизировать толщины областей гетероструктуры, а также расширить диапазон энергий активных фотонов подающего оптического излуче­ния ΔЕ_λ Последняя задача разрешена путем создания в обедненной области варизованного слоя n_1var.

Рассмотрим конкретные физико-топологические и геометрические парамет­ры представленной на рисунке 3.1 типовой структуры синтезированного ФЭП. N₂-область ФЭП формируется из полупроводника, обладающего высоким μ_п, μ_р, τ_n, τ_р, в котором можно создавать сильно легированные слои. Эта область с це­лью расширения ΔЕ_λ выполняется из узкозонного по сравнению с материалом р-n перехода полупроводника. Обычно это Ge, Si или GaAs. Соотношение ширины запрещенной зоны р-n перехода E_gi и п₂-области E_g2 составляет интервал 1,5... 3,5. В п₂-области методом диффузии или ионной имплантации сформирован сильнолегированный п⁺₂ - слой с низким удельным сопротивлением (p_v~ 0,1...0,3 Ом∙см), что исключает потери электроэнергии на сопротивлении п-области. Толщина п⁺₂-слоя определяется с учетом исключения влияния границы n⁺₂-слой -омический контакт на разделенные заряды р-n перехода и составляет (1,1-2) Ld, причем она возрастает для полупроводников с высокой подвижностью основных носителей. На п₂-слое сформирован методом газофазной эпитаксии варизонный п_гслой, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения A^m_1xA^m_{2 1-x}Bⁿ. Параметр степени концентрации компонента в растворе X изменя­ется от нуля до единицы, причем со стороны n-области он представляет материал этой области (A^m₁Bⁿ), а со стороны р-n перехода - это идентичный р-n переходу материал, т.е. соединение A^m₂Bⁿ. Материалом р-n перехода является AlAs с E_gi = 2,153 В, материалом узкозонной n и n⁺- области GaAs с E_g2 = 1,43 эВ, а варизон­ный n₁-слой сформирован из материала Ga_xAl_1-xAs, причем структура нижней границы слоя с параметром х = 1 представляет GaAs, а структура верхней грани­цы слоя AlAs с X = 0. Толщина варизонного n-слоя определяется скоростью из­менения ширины его запрещенной зоны (от E_gi до E_g) и диффузионной длиной основных неравновесных носителей заряда Ld. Для достижения оптимального разделения генерированных в n_]var и п₂-слоях зарядов суммарная толщины этих слоев не должна превышать диффузионной длины Ld и составляет (0.8... 1) Ld, причем она максимальна для полупроводников с высокой подвижностью носите­лей. Соотношение толщины n_1var и n₂-слоя составляет интервал от 1,5 : 1 до 3 : 1, который возрастает с ростом μ_Эф. Методом газофазной эпитаксии на ni-варизонном слое сформирован р-n переход из широкозонного материала, соот­ветствующего верхней границе n_lvar, т.е. из AlAs. Ширина р-n перехода d = (0,8...0,9) Wo, где Wo - суммарная толщина его р- и n-областей, выбрана из усло­вия, чтобы обедненная область перехода проникла внутрь P_var и n_lvar слоев, ис­ключая появление локального потенциального барьера в валентной зоне и зоне проводимости структуры P_var-p-n переход - n_lvar.

Размещенный на обедненной р-области перехода р-слой включает р-варизонный слой, р⁺-слой и представляет сильнолегированный широкозонный полупроводник, ширина запрещенной зоны которого E_g3 должна быть выше E_gb а его постоянная решетки - мало отличимой от постоянной решетки материала р-п перехода. Для р-n перехода из AlAs с E_gJ = 2,15 эВ р-варизонный слой выполнен из ZnSe с E_gz = 2,67 эВ, причем несоответствие этих материалов по решеткам меньше 2 %. Толщина р⁺ слоя определяется из условия минимизации сопротив­ления р-области ФЭП, исключения процессов эффективной поверхностной ре­комбинации фотогенерируемых носителей и составляет (1,5 - ,0) Ld, возрастая с повышением подвижности носителей, а толщина р-варизонного слоя составляет (0,7 - 0,9) Ld. Нижний сплошной омический контакт к п⁺₂-слою сформирован из газовой фазы толщиной 1...2 мкм и представляет базовый жесткий электрод. Верхний омический контакт к р⁺-слою выполнен решетчатой структурой, свет через проемы которой воздействует на р-обедненную область перехода.

Для снижения коэффициента отражения J_v на поверхности р⁺-слоя в области проемов решетчатой структуры верхнего омического контакта размещен про­светляющий слой, оптическая плотность которого выше, чем у р⁺-слоя. Это окислы кремния SiO и Si0₂ толщиной 0,08...0,05 мкм, занимаемая им площадь составляет 8%...12% от всей площади р-области ФЭП. Сформированная прибор­ная структура преобразователя помещается в металлический корпус с проемом, изнутри защищенный слоем изоляции (А1₂Оз, SiO). ФВП имеет внешние выводы на корпус от катода и анода.

Процесс получения ФЭП включал операции формирования пленочных полупроводниковых структур, нанесения металлических и диэлектрических слоев методами электронно-лучевого испарения и ионно-плазменного распыления.

Созданный ФЭП является преобразователем с р-n переходом на основе арсенида галлия. N-область ФЭП представляет слой п⁺ из GaAc толщиной 2,8 мкм, легированный Те с концентрацией 3-10 см^-3, n₂-слой выполнен также из GaAs с концентраций примеси Те N_D ≈ 2∙10¹⁶ см^-3 толщиной 0,3 мкм, варизонный слой n_1var выполнен из соединения Ga_xAl_1-xAs, легирован Те с концентрацией Nd≈10¹⁶ см^-3 и толщиной 0,5...0,6 мкм. Ширина его запрещенной зоны изменяется от 1,43 эВ до 2,15 эВ. Р-n переход из AlAs включает n-область, легированную Те с концентрацией N_D ≈ 10¹⁷ см^-3 и легированную Cd р-область с концентрацией N_A . Суммарная толщина р-n перехода 0,65 мкм, что составляет 0,9W₀. Р-область ФЭП содержит варизонный слой P_var, выполненный на основе соединения Cd_xZn_1-xSe, причем параметр X изменяется от 0 до 0,3, а ширина запрещенной зоны изменяется от 2,15 эВ до 2,67 эВ. Варизонный р-слой легирован Сu с концентрацией N_A ≈10¹⁶ см^-3 , обладает толщиной 0,6 мкм, р –сильнолегированный слой выполнен из селенида цинка, легированного Си с концентрацией N_A ≈ 5∙10¹⁸ см^-3. Его толщина составляет 2,3 мкм. Нижний сплошной омический контакт реализован Te-Al-Ni общей толщиной 2 мкм, а верхний омический контакт мкм сформирован структурой Cu-Al-Ni.

Занимаемая верхним контактом площадь на р⁺-слое составляет 12 %, рабо­чая площадь р⁺-слоя S = 0,3∙0,3 см.

При воздействии квантов света, либо фотонов от источников тепловых из­лучений на рабочую поверхность ФЭП со стороны решетчатого контакта, как следует из зонной диаграммы рисунке 3.4.6 фотоны с энергиями Ei = hv < E_g3 [р⁺], где E_g3 [р⁺] - ширина запрещенной зоны р⁺-слоя, проходят просветляющий слой, р⁺-широкозонный сильно легированный слой и достигают Р_уаг-слой и р-n переход. Фотоны с hv = E_g3 > Е; > E_gl поглощаются в р-варизонном слое и в р-n обеднен­ных областях перехода, а фотоны с hv = E_gi > Ej > E_g2 поглощаются в слое ni_var и в n₂-слое узкозонного полупроводника, создавая в поглощающих фотоны областях ФЭП избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимо­стями An = βαJvτ_n; Ар = βαJvτ_p, причем результирующий активно поглощаемый фотонный поток

(3.9)

Здесь β, α - квантовый выход носителей и коэффициент поглощения света;

т_п, т_р - время жизни фотовозбуждаемых носителей,

Vmin = Eg₂/n

Vmax = Eg₃/h

h – постоянная Планка.

При заданной плотности фотонов J_v фототок J_ф, = e(Δnm_n + Δpm_p)E.

Поскольку структурой ФЭП активно поглощается широкий спектр фотонов с энергиями от E_g3, E_gi до E_g2, то результирующий ток ФЭП, а следовательно Si и Su будут значительно выше, чем у известных аналогов. Для сформированного ФЭП указанных размеров экспериментально получены основные характери­стики: вольтовая J_a = f(U_a)/J_v = const, спектральная J_a= f(A,)/0, U_a= const и энерге­тическая J_a = f(J_v)/U_a = const.

Семейство ВАХ, как следует из графика рисунке 4.2 а, аналогично выходной характеристике триодной структуры, однако управляющим сигналом ФЭП в ре­жиме фотопреобразователя является J_v. В режиме фотогенератора выходное на­пряжение при холостом ходе превышает 1 вольт. Представленная на рисунке 3.2 б спектральная характеристика показывает, что созданный ФЭП обладает высокой токовой чувствительностью в широком спектральном диапазоне от 0,3 до 2,7 мкм. Энергетическая характеристика ФЭП (рисунок 3.2,в) обладает доста­точно высокой линейностью в широком интервале интенсивности оптических излучений, что отражает возможность использования ФЭП как преобразователя оптического сигнала в электрический.

а - ВАХ; б - спектральная характеристика ФЭП; в - энергетическая характеристика

Рисунок 4.2 – Характеристики ФЭП.

Сформированный на основе гетеродиодной многослойной структуры типо­вой образец ФЭП обладает следующими электрофизическими параметрами: то­ковая чувствительность Si ~ 3,5 - 5,0 мА/вт, диапазон спектральной чувствительности Δλ = 0,4 - 3,0 мкм, порог чувствительности Ф_п= 5-10^-8 лм Гц^-1/2, темновое сопротивление R_T ≈ 5-10 -10 Ом, постоянная времени τ = -10^-5 с, рабочее напря­жение U_a= 5...20 В.

Разработанный преобразователь ИК-излучений может использоваться как важнейший функциональный узел в автономных источниках электрической энергии.