7.2.1 Процес виготовлення

Тонкі плівки GaAs отримуються методом хімічного осадження з парової фази [6-14], в тому числі з парів металоорганічних сполук [11 -14], і на їх основі створюють елементи з гомогенним переходом [6], гетероструктурою і гетеропереходом [11], бар'єром Шотткі [7, 9, 12-14], а також структурою метал - діелектрик - напівпровідник [7, 10]. В якості підкладок застосовують леговані цинком монокристали p⁺-GaAs, поверхня яких орієнтована d напрямку <100> [6], і леговані кремнієм монокристали GaAs з аналогічною орієнтацією поверхні [111]; крім того, використовують підкладки з графіту (без будь-яких покриттів [8] і з шаром вольфраму [7, 9, 10]) і молібдену [12-14]. Монокристалічні підкладки мають високу вартість і служать виключно для дослідницьких цілей.

Тонкоплівкові елементи на основі GaAs зі структурою метал - оксид - напівпровідник, як правило складаються з шарів Аu - оксид - n-GaАs - n⁺-GaAs -W - графіт, виготовляють таким чином [7]. Плівку GaAs осаджують на покриту шаром вольфраму графітову підкладку хімічним методом з парів Gа, НС1 і АsН₃ із застосуванням водню в якості газoносія. Температура підкладки становить 750 ... 775 °С, а температура джерела осаждуваної речовини (Ga) - 800 ... 900 °С. Швидкості потоків НС1, АsН₃ і Н₂ рівні відповідно 45 мл/хв, 90 мл/хв і 1 л/хв. В утвореному шарі n-GaАs товщиною 20 мкм значення концентрації носіїв заряду коливаються в межах 5 • 10¹⁶ ... 10¹⁷ см^-3. При введенні в хімічно активну суміш газоподібного сірководню Н₂S отримують легований сіркою шар n⁺-GaAs товщиною 3 ... 5 мкм з концентрацією носіїв 2 • 10¹⁸ ... 5•10¹⁶ см^-3, який забезпечує низький (10^-3 Ом) контактний опір між елементом і підкладкою. Термообробка зразка в атмосфері кисню або суміші кисню з аргоном тривалістю 0,5 ... 1 год при температурі 200 ° С, здійснeна безпосередньо після осадження плівки GaAs, призводить до формування на її поверхні шару оксиду, вирощування якого продовжують потім в кисні, насиченому водяною парою, при температурі 30 °С протягом 8 ... 12 год [8].

Для поліпшення характеристик елементів перед окисленням плівки GaAs на її поверхню осаджують шар GaAs_1-xP_x змінного складу товщиною 1 мкм в процесі хімічної реакції між Ga, НС1, АsН₃ і РН₃ [7]. Потім методом вакуумного випаровування при тиску менше 10^-4 Па наносять плівку золота товщиною 6 ... 10 нм і за допомогою випаровування (через металеву маску) срібла створюють контактну сітку. За допомогою гідролізу тетраізопропілтітаната в атмосфері аргону при температурі 80 ... 100 °С створюють шар ТiO₂ товщиною 60 ... 70 нм, який служить покриттям елемента [8].

7.2.2 Фотоелектричні характеристики

Згідно з даними Бозлера і Фена [6], сонячні елементи (забезпечені прояснюючим покриттям) з гомогенним переходом на основі арсеніду галію, що вирощується на монокристалічних підкладках методом хімічного осадження з парової фази, в умовах AMI (інтенсивність випромінювання - 100 мВт/см²) мають ККД 15,3% при V_ОС = 0,91 В, і I_sc = 10,3 мА і FF = 0,82. Нещодавно Фен та ін. [6] повідомили про те, що при використанні технологічного процесу CLEFT ККД тонкоплівкових сонячних елементів на основі GaAs підвищується до 17%. У сонячних елементів з гетероструктур GaAlAs - p-GaAs - n-GaAs (без просвітлюючого покриття), створених на кристалічних підкладках з легованого кремнієм арсеніду галію методом хімічного осадження з пари металоорганічних сполук, в умовах АМ0 при інтенсивності світла 128 мВт/см² отримані наступні характеристики : V_ОС = 0,99 В, I_sc = 24,5 мА/см², FF = 0,74 i η = 12,8% [11].

ККД тонкоплівкових елементів з бар'єром Шотткі площею 8 см² на основі арсеніду галію, що вирощується на покритих шаром вольфраму графітових підкладках методом хімічного осадження з парової фази, становить близько 3% [9], причому в умовах AMI V_оc = 0,456 В, І_sc = 10, 4 мА/см² і FF = 0,59. Слід зазначити, що параметри конструкцій цих елементів не оптимізовані. Вернон та ін. [13] виготовили сонячні елементи з бар'єром Шотткі на молібденових підкладках методом хімічного осадження GaAs з парів металоорганічних сполук і в умовах AM1 отримали ККД 4,3%, V_оc =0,39 В, І_sc=19 мА/см² і FF = 0,58. Елементи аналогічного типу з пасивувованими (за допомогою анодування) межами зерен володіють кращими характеристиками: при відсутності просвітлюючого покриття в умовах AM1 їх ККД становить 5,45% при V_оc = 0,49 В, І_sc = 20,6 мА/см² і FF = 0, 54 [14].

Чу і ін. [7, 10] виготовили сонячні елементи зі структурою метал - оксид - напівпровідник (площею 9 см²) за допомогою нанесення на графітову підкладку з покриттям з вольфраму методом хімічного осадження з парової фази шарів п-GaAs - п⁺-GaAs, ККД яких в умовах AM1 досягає 4,4%. Елементи, не забезпечені просвітлюючим покриттям, мають V_оc = 0,45 ... 0,52 В, І_sc = 11 ... 13,4 мА/см² і FF = 0,55 ... 0,68. При осадженні на поверхню шар п-GaAs тонкої плівки GaAs_1-xP_х їх напруга холостого ходу підвищується до 0,63 В, а ККД - до 5% (при густині струму короткого замикання 13,3 мА/см²). Вважають, що при нанесенні просвітлюючого покриття ККД елементів збільшиться до 7,5%. Отримані цими ж авторами методом хімічного осадження з парової фази (на графітових підкладках) сонячні елементи зі структурою метал - оксид - напівпровідник площею 9 см² при наявності просвітлюючого покриття в умовах AM1 мають ККД 6,1%, якому відповідають V_oc = 0,5 В, І_sc = 18 мА/см² і FF = 0,675.

Нещодавно виготовлені тонкоплівкові полікристалічні сонячні елементи площею 9 см² на основі шарів GaAs товщиною 10 мкм (середній розмір зерен становить -5 мкм) з ККД до 8,5% при V_oc = 0,56 В, І_sc = 22,7 мА/см² і FF = 0,67 [41].

Повідомлялося про створення сонячних елементів на основі монокристалічних плівок GaAs товщиною 8 мкм, вирощених на монокристалах арсеніду галію [41]. Після виготовлення елементи кріпилися до скляної пластини, відокремлювалися від підкладки, а потім на тильну поверхню наносився металевий контакт. При загальній площі 0,4 см² елементи мали наступні вихідні параметри: V_oc = 0,92 В, І_sc = 22,0 мА/см², FF = 0,73 і η = 15%.

Вимірювання спектральних характеристик чутливості тонкоплівкових сонячних елементів зі структурою метал - оксид - напівпровідник на основі GaAs показують, що найбільш високі значення коефіцієнта збирання носіїв (без урахування відбиття світла від поверхні елемента), що складають 0,6 ... 0,7, відповідають інтервалу довжин хвиль 0,6 ... 0,7 мкм [8]. Значення ефективної дифузійної довжини неоснових носіїв заряду, знайдені з виміряних спектральних характеристик чутливості, знаходяться в межах 0,5 ... 0,8 мкм.