7.5 Фосфід цинку (Zn3p2)

Фосфід цинку належить до нових перспективних фотоелектричних матеріалів. Його оптична ширина забороненої зони дорівнює 1,55 ... 1,60 еВ, а дані по коефіцієнту по поглинання світла свідчать про те, що Zn₃P₂ відноситься до напівпровідників з прямими оптичними переходами [38]. У діодах з бар'єром Шотткі, виготовлених на основі плівок р-типу провідності, при створенні контакту з магнію висота бар'єру становить 1,0 ... 1,4 еВ, а при використанні алюмінію - 0, 75 еВ. Енергія спорідненості до електрону Zn₃P₂ дорівнює 3,6 еВ [39]. Дифузійна довжина неосновних носіїв заряду [39, 40], виміряна в монокристалічних сонячних елементах з бар'єром Шотткі на основі р- Zn₃P₂, становить 5 ... 10 мкм, а в тонкоплівкових елементах-3 ... 4 мкм. Аналіз оптичних і електронних властивостей тонких плівок Zn₃P₂ показує, що вони придатні для створення фотоелектричних перетворювачів, проте обов'язковою умовою є застосування Просвітлюючих покриттів. Одне з основних переваг цього матеріалу полягає в тому, що природних запасів хімічних елементів, з яких він складається, досить для забезпечення великомасштабного виробництва сонячних елементів.

Тонкі плівки, що отримуються за допомогою випаровування з графітових тиглів масивних зразків Zn₃P₂ [39], при температурі джерела 700 ... 800 ° С і температурі підкладки 140 ....200°С володіють провідністю р-типу, рухливість дірок в них становить 10 ... 40 см² / (В · с). При відпалі питомий опір плівок може змінюватися в межах 10 .. 0,105Ом · См. Плівки Zn₃P₂ утворюють омічний контакт із залізом, який узгоджується з Zn₃P₂ за параметрами кристалічних граток і коефіцієнтам теплового розширення і тому може бути вибрано як матеріал підкладки. ККД тонкоплівкових сонячних елементів з бар'єром Шотткі на основі - Zn₃P₂ [41] при інтенсивності випромінювання 83 мВт/см² дорівнює 2,5%, і йому відповідають V_oc = 0,37 В, J_sc = 12,0 мА/см² і FF = 0,46.

7.6. Фосфід індію (InP)

Наявність у фосфіду індію «прямої» забороненої зони шириною 1,34 еВ дозволяє використовувати його для створення фотоелектричних перетворювачів. Внаслідок високого оптичного коефіцієнта поглинання світло проникає в напівпровідник на малу глибину, завдяки чому не потрібні плівки з дуже великою дифузійної довжиною неосновних носіїв заряду. Параметри кристалічних градок InP (зі структурою цинкової обманки) і СdS (зі структурою Вюртцита) на поверхні розділу рівні α_InP = 0,5869 нм і - = 0,5950 нм. Таким чином, ступінь невідповідності параметрів градок фосфіду індію в площині (111) і в базові площині гексагонального сульфіду кадмію складає лише 0,32%. Крім того, оскількиInP і СdS узгоджуються між собою по енергіях спорідненості до електрону, на границі розділу не спостерігається піку в зоні провідності. Завдяки цьому дані напівпровідники утворюють ідеальний гетероперехід.

Для виготовлення монокристалічних сонячних елементів на основі р-InP - n-Сd S (з просвітлюючим покриттям SiO, створених методом вакуумного випаровування) використовують хімічно поліровані леговані кадмієм пластина фосфіду індію р-типу провідності, вирощеного методом Чохральського. Шар СdS товщиною 5 ... 10 мкм наносять за допомогою вакуумного випаровування речовини на поверхню підкладки, паралельну площині (111), при температурі 200 ... 250 °С зі швидкістю близько 0,15 мкм/хв. Температура коаксіального ізотермічного випарника, що містить окремо кадмій і сірку, становить 350 °С. Контакт з InP отримують шляхом осадження електролітичним методом шарів Al-Zn-Au, а на поверхню СdS наносять контактну сітку з індію або сплаву індію з галієм. При інтенсивності випромінювання 53 мВт/см² ККД сонячних елементів складає 12,5%, а значення їх вихідних параметрів рівні: V_oc = 0,62 В, J_sc = 15 мА/см² і FF = 0,71. Крива спектральної чутливості елементів має плоску форму в інтервалі довжин хвиль 0,55 ... 0,91 мкм. Області зниження чутливості в короткохвильовому і довгохвильовому діапазонах спектра відповідають краям поглинання СdS і InP Щільність зворотного струму насичення в цих елементах дуже мала (~ 10^-8 А/см²). Струм короткого замикання та ефективність збирання носіїв визначаються виключно об'ємними властивостями InP і вікна з СdS [43] і майже не залежать від властивостей границі розділу. Дифузійна довжина електронів в InP, знайдена за допомогою кривої спектральної чутливості елементів, складає ~ 1,3 мкм. При нанесенні СdS на поверхню підкладки з InP, паралельні площинам (100) і (110), елементи мають по суті аналогічними характеристиками. У тому випадку, коли в процесі виготовлення монокристалічних сонячних елементів на основі р-InP - n-СdS шар СdS вирощують на поверхні (111) InP методом хімічного осадження з парової фази з використанням Н₂S (водень служить газом-носієм) при температурі джерела 700 °С і температурі підкладки 620 °С, ККД елементів з покриттям iз SiO в умовах АМ2 дорівнює 15% (при відсутності покриття - 12,8%) [43], V_oc = 0,79 В, J_sc = 18,7 мА/см² (без просвітлюючого покриття -16,0 мА/см²) і FF = 0,75. У легованих кадмієм кристалах InP концентрація дірок дорівнює ~ 2 • 10¹⁷ см^-3, а їх рухливість - 80 см²/(В • с). У плівках СdS концентрація електронів складає 2 • 10¹⁸ ... 10¹⁹ см^-3 при їх рухливості, що змінюється в межах 100 ... 150 см²/(В • с). Попередні прискорені ресурсні випробування монокристалічних сонячних елементів на основі InP - СdS показали, що негерметизовані елементи не схильні до дії навколишнього середовища і що їх характеристики погіршуються при температурах понад 400 °С. При температурі 485 °С властивості високопровідних плівок СdS не змінюються протягом місяця.

Іто і Осава [44] повідомили про створення монокристалічних сонячних елементів на основі InP - СdS (без просвітлюючого покриття) за допомогою нанесення шару СdS на площину (111) InP методом хімічного осадження з парової фази і про отримання ККД 4,1%. Низька чутливість елементів в довгохвильовій області спектру, ймовірно, пов'язана з утворенням на межі розділу шару (виявленого за допомогою електронно-зондового мікроаналізатора), що складається із суміші InP і СdS.

Можливість отримання високоефективних стабільних монокристалічних сонячних елементів на основі InP - СdS стимулювала дослідження тонкоплівкових елементів аналогічного типу, які будуть розглянуті в наступних розділах.