WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 8 Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики © Ж.И. Алфёров, В.М. Андреев¶, В.Д. Румянцев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 февраля 2004 г. Принята к печати 11 февраля 2004 г.) Рассмотрены основные направления развития фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии, открывающие широкие перспективы полупроводниковой гелиоэнергетики. Основное внимание уделено фотопреобразователям на основе AIIIBV-гетероструктур, главным образом каскадным солнечным элементам, обеспечивающим наибольшую эффективность преобразования солнечной энергии, для получения которых используются „высокие“ технологии — молекулярно-пучковая и МОС-гидридная эпитаксии. Показано, что использование метода промежуточного концентрирования солнечного излучения обеспечивает снижение площади и, следовательно, стоимости солнечных элементов пропорционально степени концентрирования солнечного излучения.

1. Введение энергетики (даже без учета экономических соображений) требовалась существенно большая эффективность.

В настоящее время в общественном сознании крепнет Решающим для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с p-n-переходом, имевших убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании сол- кпд около 6% [3]. Первое практическое использование кремниевых солнечных батарей для энергетических ценечной энергии, причем в самых разных ее проявлениях.

лей имело место не на Земле, а в околоземном космичеСолнце — это огромный, неиссякаемый, абсолютно ском пространстве. В 1958 г. были запущены искусственбезопасный источник энергии, в равной степени всем ные спутники Земли, оснащенные такими батареями — принадлежащий и всем доступный. Ставка на солнечсоветский „Спутник-3“ и американский „Авангард-1“.

ную энергетику должна рассматриваться не только как Здесь следует отметить, что научной базой для создабеспроигрышный, но в долговременной перспективе и ния первых солнечных батарей стала разработка теории как безальтернативный выбор для человечества. Мы и технологии полупроводниковых материалов и приборрассмотрим в ретроспективном и перспективном плане ных структур с p-n-переходом. Основные области привозможности преобразования солнечной энергии в элекменения приборов на полупроводниковых материалах в трическую с помощью полупроводниковых фотоэлементо время виделись в технике преобразования электричетов. Эти устройства представляются сегодня вполне ской энергии (преобразование переменного тока в посозревшими в научном и технологическом отношении стоянный, высокочастотная генерация, переключение и для того, чтобы рассматриваться в качестве технической т. д.) и в электронных устройствах передачи и обработки базы для крупномасштабной солнечной электроэнергеинформации (радио, связь и т. д.). В дополнение к „кластики будущего.

сическим“ полупроводниковым материалам — германию и кремнию, с 1950 года начался синтез материалов типа AIIIBV [4]. В начале 1960-х годов были созданы 2. Начальный период солнечной и первые солнечные фотоэлементы с p-n-переходом фотоэнергетики на основе арсенида галлия. Уступая в эффективности кремниевым фотоэлементам, арсенид-галлиевые тем не Впервые фотовольтаический эффект наблюдался менее были способны работать даже при значительном в электролитической ячейке Эдмондом Беккерелем нагреве. Первое практическое применение усовершенв 1839 г. Первые эксперименты с твердотельными фотоствованных арсенид-галлиевых солнечных батарей для электрическими элементами на основе селена проводиэнергетических целей было еще более экзотическим, лись Адамсом и Деем в Лондоне в 1876 г. [1]. Более почем в случае кремниевых батарей. Они обеспечивали лувека понадобилось для того, чтобы появились первые электроснабжение советских космических аппаратов, расолнечные фотоэлементы с эффективностью, едва преботающих в окрестностях планеты Венера (1965), а таквышающей 1%. Ими стали разработанные в 1930-е годы же самоходных аппаратов „Луноход-1“ и „Луноход-2“, в Физико-техническом институте серно-таллиевые фото- исследующих поверхность Луны (1970 и 1972 гг.).

элементы с запорным слоем [2]. Исследования выполнялись под руководством основателя института академика 3. Солнечные элементы на основе А.Ф. Иоффе, который уже в то время (1938 г.) впервые гетероструктур внес на рассмотрение правительства СССР программу энергетического использования солнечных фотоэлектриСоздание солнечных элементов на основе гетероческих крыш. Однако для старта фотоэлектрической структур AlGaAs-GaAs открыло новую страницу в сол¶ E-mail: vmandreev@mail.ioffe.ru нечной фотоэнергетике [5]. И вновь вклад Физико-техни938 Ж.И. Алфёров, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев зрения их пригодности для изготовления солнечного фотоэлемента с одним p-n-переходом, то предельно возможные эффективности фотоэлектрического преобразования оказываются почти одинаковыми, причем близкими к абсолютному максимуму для однопереходного фотоэлемента (рис. 1). Разумеется, несомненными преимуществами кремния являются его высокая распространенность в природе, нетоксичность и относительная дешевизна. Эти обстоятельства, а также широкое развертывание индустрии по производству приборов полупроводниковой электроники обусловили исключительно важную роль кремниевых фотоэлементов в становлении нарождающейся солнечной фотоэнергетики. И хотя были затрачены значительные усилия на создание различных типов тонкопленочных солнечных батарей, но и сегодня кристаллический кремний (в моно- и поликристаллической модификациях) продолжает составлять основную долю в мировом производстве солнечных батарей наземного применения.

До середины 1980-х годов совершенствование солнечных фотоэлементов на основе как кремния, так и арсенида галлия осуществлялось на базе относительно Рис. 1. Зависимости максимально достижимой эффективпростых структур и простых технологий. Для кремниености преобразования (max) солнечного элемента с одним вых фотоэлементов использовалась планарная структура p-n-переходом от ширины запрещенной зоны материала (Eg).

Сплошные линии — для солнечного спектра АМ0, пунк- с мелким p-n-переходом, получаемым методом диффутирные — для спектра АМ1.5d (для неконцентрированного зии. Для фотоэлементов на основе арсенида галлия при солнечного излучения (1sun) и для 1000-кратно концентри- выращивании широкозонного окна AlGaAs необходимо рованного излучения).

было применять эпитаксиальные методы. Использовался сравнительно простой метод жидкофазной эпитаксии, разработанный ранее для получения структур гетеролазеров первого поколения. В случае фотоэлементов ческого института оказался весьма весомым. Здесь во необходимо было выращивать всего один широкозонный второй половине 1960-х годов были выполнены пионерслой p-AlGaAs, в то время как p-n-переход получался ские работы по получению и исследованию „идеальных“ гетеропереходов в системе AlAs-GaAs, направленные, в том числе, на совершенствование солнечных элементов.

Одним из результатов проведенных исследований гетеропереходов явилась практическая реализация идеи широкозонного окна для солнечных фотоэлементов.

Эта идея выдвигалась и ранее и имела целью защиту фотоактивной области фотоэлемента от действия поверхностных состояний. В гетероструктурах AlGaAs (широкозонное окно) - p-n-GaAs (фотоактивная область) удалось сформировать бездефектную гетерограницу и обеспечить идеальные условия для фотогенерации электронно-дырочных пар и их собирания p-n-переходом. Поскольку гетерофотоэлементы с арсенид-галлиевой фотоактивной областью оказались еще и более радиационно-стойкими, они быстро нашли применение в космической технике, несмотря на Рис. 2. Зонные диаграммы p-AlGaAs-p-n-GaAs гетероперезначительно более высокую стоимость по сравнению с ходных солнечных элементов: a — структура, в которой слой кремниевыми фотоэлементами. Примером масштабного p-GaAs со встроенным электрическим полем получен путем энергетического использования солнечных батарей на диффузии цинка в базу n-GaAs во время роста широкозонного основе AlGaAs/GaAs явилось оснащение ими в 1986 г.

слоя p-AlGaAs; b — структура с сильным встроенным элексоветской орбитальной станции „Мир“.

трическим полем; c — структура с тыльным широкозонным Кремний и арсенид галлия в значительной степени слоем, создающим потенциальный барьер; d — структура с удовлетворяют условиям „идеальных“ полупроводнико- тыльным потенциальным барьером, сформированным высоковых материалов. Если сравнить эти материалы с точки легированным слоем n+-GaAs.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики за счет диффузии примеси p-типа из расплава в базовый материал n-GaAs (рис. 2, a).

С середины 1980-х годов началось проникновение „высоких технологий“ в сферу полупроводниковой солнечной фотоэлектроэнергетики. Были предложены усложненные структуры фотоэлементов на основе кремния, позволяющие снизить в них как оптические, так и рекомбинационные потери. Были также предприняты усилия по улучшению качества самого базового материала. Реализация таких структур оказалась возможной благодаря применению многостадийных технологических приемов, хорошо отработанных к этому времени при изготовлении кремниевых интегральных схем. Результатом этих усилий стал резкий скачок в эффективности фотоэлектрического преобразования кремниевых фотоэлементов [6]. Эффективность, демонстрируемая лабораторными образцами, вплотную приблизилась к теоретическому пределу (рис. 1). К сожалению, стоимость „высокоэффективных“ кремниевых фотоэлементов мноРис. 3. Схематические диаграммы однопереходных много гократно превосходила стоимость „обычных“.

слойных солнечных элементов (СЭ) на основе AlGaAs/GaAs В то же время прогресс в сфере солнечных фото- для космических приложений: a — структура СЭ с тыльным элементов на основе арсенида галлия был обусловлен потенциальным барьером и тонким широкозонным окном применением новых эпитаксиальных методов выращи- p-AlGaAs. На таких элементах была получена рекордная для СЭ с одним переходом эффективность преобразования 24.6% вания гетероструктур — в основном это был метод для 100-кратно концентрированного „космического“ солнечгазофазной эпитаксии из паров металлорганических соного излучения (АМ0); b — структура СЭ со встроенным единений (МОС ГФЭ). Данный метод разрабатывался в брэгговским отражателем (БО), выращенная методом МОСпроцессе совершенствования инжекционных лазеров и гидридной эпитаксии. БО состоит из 12 пар слоев AlAs фотоэлементов второго поколения на основе соединений (72 нм) / GaAs (59 нм), настроен на длину волны = 850 нм AIIIBV.

и имеет коэффициент отражения 96%. Вследствие этого Какие же улучшения были внесены в структуру солдостигается эффект двойного прохождения длинноволнового нечных гетерофотоэлементов благодаря открывшимся излучения через структуру СЭ, что позволяет снизить толщину новым технологичеcким возможностям Во-первых, бы- базового слоя n-GaAs до 1-1.5 мкм. На таких элементах была ло оптимизировано широкозонное окно AlGaAs, толщи- достигнута высокая радиационная стабильность — „остаточная на которого стала сравнимой с толщиной наноразмер- мощность“ 84-86% после облучения электронами с энергией 1 МэВ (плотность потока 1015 см-2).

ных активных областей в гетеролазерах. Слой AlGaAs стал выполнять также функцию третьей составляющей в трехслойном интерференционном антиотражающем покрытии фотоэлемента (ARC на рис. 3, a). Поверх абсолютный рекорд для фотоэлементов с одним p-nширокозонного слоя AlGaAs стали выращивать узкозонпереходом [6]), а фотоэлементам, выращенным методом ный сильно легированный контактный слой, удаляемый жидкофазной эпитаксии, до сих пор принадлежит репри пост-ростовой обработке в промежутках между конкордное значение кпд = 24.6% в условиях 100-кратного тактными полосками. Во-вторых, был введен тыльный концентрирования солнечного излучения со спектром (за p-n-переходом) широкозонный слой, обеспечиваюАМ0 [7].

щий вместе с фронтальным широкозонным слоем двухВ структурах AlGaAs/GaAs-фотоэлементов, выращенстороннее ограничение фотогенерированных носителей ных методом МОС ГФЭ, одиночный широкозонный в пределах области поглощения света (рис. 2, c). Рекомслой AlGaAs, формирующий тыльный потенциальный бинационные потери носителей до их собирания p-nбарьер, мог быть заменен на систему чередующихся переходом были снижены. На этом этапе оптимизации пар слоев AlAs/GaAs, образующих брегговское зеркало гетероструктур AlGaAs/GaAs-фотоэлементов с одним (рис. 3, b). Длина волны максимума в спектре отражения p-n-переходом вновь разработанный технологический такого зеркала выбиралась вблизи края поглощения метод МОС ГФЭ еще испытывал конкуренцию со сторо- фотоактивной области, поэтому длинноволновое излуны усовершенствованного метода низкотемпературной чение, не поглотившееся в этой области за один проход, жидкофазной эпитаксии. Так, для подобного рода струк- могло быть поглощено при втором проходе после отратур рекордное значение кпд = 27.6% в условиях осве- жения от зеркала [8]. Одновременно широкозонные слои щения концентрированным солнечным светом со спек- зеркала продолжали по-прежнему выполнять функцию тром АМ1.5 принадлежит фотоэлементам, выращенным тыльного барьера для фотогенерированных носителей.

методом МОС ГФЭ (указанное значение кпд — это В этих условиях толщина фотоактивной области могла Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 940 Ж.И. Алфёров, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев быть уменьшена в 2 раза без потери тока по сравнению со структурами без зеркала. Это существенно повышало радиационную стойкость фотоэлементов, поскольку количество вносимых при облучении высокоэнергетическими частицами дефектов, влияющих на деградацию диффузионных длин носителей, снижалось пропорционально снижению толщины фотоактивной области [8].

Наряду с реализацией в структурах солнечных фотоэлементов научного и технического „задела“, созданного ранее при разработке структур гетеролазеров, применение новых эпитаксиальных методов позволило решить и ряд сугубо „фотоэлектрических“ проблем. Используя неравновесность условий эпитаксии и (или) встраивая промежуточные сверхрешетки, удалось найти условия роста совершенных гетероструктур AlGaAs/GaAs на Рис. 4. Ширина запрещенной зоны Eg в зависимости от погерманиевой подложке. С этого момента гетерофотоэлестоянной решетки для Si, Ge, соединений AIIIBV и их твердых менты на германии начали рассматриваться как основрастворов. Заштрихованные прямоугольники соответствуют ные кандидаты для использования на большинстве косинтервалам Eg для различных материалов, обеспечивающих мических аппаратов. Решающую роль здесь сыграло то наивысшие эффективности в солнечных элементах (SC) с обстоятельство, что германий прочнее механически, чем и 4 p-n-переходами.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.