WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

арсенид галлия, используемый до этого в качестве подложек. Поэтому батареи, составленные из AlGaAs/GaAsфотоэлементов на германии, по весовым и прочностным характеристикам были сравнимы с кремниевыми, а по кпд и радиационной стойкости их превосходили. Другая „фотоэлектрическая“ проблема была принципиально важной для солнечной фотоэлектроэнергетики. Речь идет о создании каскадных фотоэлементов.

4. Каскадные солнечные элементы Идея каскадных фотоэлементов обсуждалась с начала 1960-х годов и рассматривалась как очевидная, но далекая перспектива для повышения кпд. Ситуация стала меняться в конце 1980-х годов, когда многие исследовательские группы сконцентрировали свои усилия на разработке различных типов двухкаскадных Рис. 5. Кривая 1 — энергетический спектр АМ0 для неконсолнечных элементов (рис. 4, 5). На первом этапе лучцентрированного солнечного излучения; прямые 2, 3 и 4 — шие результаты по кпд были получены в механически максимальные значения „монохроматической“ эффективности стыкованных фотоэлементах, хотя все понимали, что идеализированного СЭ для плотностей фототока jph = 0.1, действительно перспективными являются фотоэлементы 1.0 и 10 А/см2 соответственно, которые зависят от граничной с монолитной структурой. Такие структуры ранее дру- длины волны d полупроводникового материала; наклонные линии слева — зависимости эффективности преобразования гих разработали сотрудники NREL (США). Используя в идеализированных СЭ на основе материалов In0.5Ga0.5P, германиевые подложки, они вырастили методом МОС GaAs и Ge при jph = 1.0А/см2; кривые 5, 6 и 7 показывают ГФЭ многослойные согласованные по периоду решетчасти солнечной энергии, преобразуемой в электроэнергию в ки структуры, в которых верхний фотоэлемент имел соответствующих каскадах, составляющих солнечный элемент p-n-переход в твердом растворе In0.5Ga0.5P, а нижний с 3 p-n-переходами.

фотоэлемент — в GaAs. Последовательное соединение фотоэлементов осуществлялось посредством туннельного p-n-перехода, специально формируемого между каскадами. В дальнейшем к процессу фотоэлектриче- Может показаться, что мы слишком много внимания ского преобразования был подключен и третий каскад уделили описанию весьма сложных по структуре и с p-n-переходом в германиевой подложке (рис. 6). дорогих фотоэлементов на основе соединений AIIIBV.

В настоящее время трехкаскадные фотоэлементы (см. Разрабатываемые для довольно узкой и специфической таблицу) уже находятся в стадии практического исполь- области энергетического применения, каковой является зования при оснащении космических аппаратов. космическая техника, имеют ли они перспективы для Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики Рис. 6. Поперечные разрезы солнечных элементов с 3 p-n-переходами: a — гетероструктура (Al)GaInP/GaAs/Ge, в которой 2-й элемент, а также 1-й и 2-й туннельные переходы выполнены из GaAs; b — гетероструктура (Al)GaInP/(In)GaAs/Ge, в которой 1-й туннельный переход выполнен из InGaAs, в то время как 2-й элемент и 2-й туннельный переход выполнены из (Al)GaInP.

использования в крупномасштабной фотоэлектроэнерге- исходных материалов (газов в методе МОС ГФЭ) здесь тике будущего На наш взгляд, ответ на этот вопрос по- мало зависит от количества каскадов. Поскольку все зитивный, и для этого есть многочисленные основания. фотоактивные области выполняются, как правило, из Структура трехкаскадных гетерофотоэлементов слож- „прямозонных“ материалов, общая толщина подлежана, и она еще более усложнится при переходе, на- щей выращиванию эпитаксиальной структуры составляпример, к четырех- и пятикаскадным фотоэлементам. ет всего несколько микрон.

Однако эпитаксиальное выращивание таких структур — Одной из определяющих в стоимости эпитаксиальной это одностадийный, полностью автоматический процесс, структуры является стоимость подложки. Мы уже успешность результатов которого целиком зависит от говорили о том, что использование „инородной“ по степени проработанности технологической базы. Расход отношению к материалам AIIIBV германиевой подложки Теоретические, ожидаемые и достигнутые значения кпд каскадных солнечных элементов кпд,% Спектр солнечного излучения Количество p-n-переходов в каскаде Значение 1 2 3 4 В условиях околоземного Теоретическое 28 33 38 42 космоса (АМ0) Ожидаемое 23 28 33 36 Реализованное 21.8 [10] 27.2 [11] 29.3 [11] - В наземных Теоретическое 30 36 42 47 условиях (АМ1.5) Ожидаемое 27 33 38 42 Реализованное [6] 25.1 30.3 31.0 - В наземных условиях Теоретическое 35 42 48 52 с концентрацией (АМ1.5) Ожидаемое 31 38 43 47 Реализованное [6] 27.6 31.1 34.0 - Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 942 Ж.И. Алфёров, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев позволило улучшить эксплуатационные параметры кос- меньше влияние на кпд такого параметра, как дифмических солнечных батарей. Фактически это привело фузионная длина неосновных носителей заряда. Метод ко „второму рождению“ технологии германия, бывшего компенсации недостаточно хороших объемных свойств когда-то первым „классическим“ материалом в техни- материалов технологическим совершенством каскадной ке полупроводников и вытесненного затем кремнием.

структуры начинает применяться и при создании новых Стоимость германия как подложечного материала ниже, типов тонкопленочных солнечных батарей.

чем используемого для этого арсенида галлия, не говоря Рассмотрим теперь некоторые иные возможности для уже о его технологических достоинствах (механическая совершенствования каскадных солнечных элементов.

устойчивость при постростовой обработке) и возможПри этом воспользуемся предыдущим опытом развития ности быть включенным в процесс фотоэлектрического полупроводниковой техники и, в частности, лазеров на преобразования в каскадной структуре. Однако сегодня, основе соединений AIIIBV (рис. 7). До настоящего вреоглядываясь на успехи, достигнутые в технологиях намени можно было выделить два этапа в таком развитии.

ногетероструктур, можно предположить, что германий, Первый из них был связан с созданием гетероструктур, уже как подложечный материал, будет, возможно, вновь второй — с созданием наногетероструктур. В обоих вытеснен кремнием как еще более дешевым и технолослучаях основные начальные идеи были направлены на гичным. Работы в этом направлении уже ведутся. Таким совершенствование инжекционных лазеров и разработку образом, результатом использования „высоких технотехнологий для создания таких лазеров. В 1970-х годах логий“ для производства солнечных фотоэлементов на даже сложилась традиция, согласно которой параметры основе соединений AIIIBV может стать не только радиинжекционных гетеролазеров, изготовленных с исполькальное увеличение кпд (в многокаскадных структурах), зованием того или иного метода, всегда служили крино и радикальное снижение стоимости гетероструктуртерием совершенства самого технологического метода.

ных фотоэлементов.

Определение „материал лазерного качества“ означало, Рассмотрим теперь перспективы повышения кпд в что, благодаря именно высокому кристаллографичемногокаскадных фотоэлементах (см. таблицу). Сегоскому совершенству, данная гетероструктура способна дняшний опыт разработки трехкаскадных фотоэлеменработать при сверхвысоких плотностях накачки, необтов позволяет надеяться на практическую реализацию ходимых для реализации лазерного эффекта. Анализиповышенных значений кпд в четырех-, пяти-, а может руя тенденции, наблюдающиеся в настоящее время в быть, и в еще более многокаскадных структурах. Нет работах по созданию инжекционных лазеров третьего никаких научно-теоретических сомнений, что надежды поколения, мы увидим, что это прежде всего переход оправдаются, если будут найдены подходящие материак структурам с квантовыми точками [9].

лы для промежуточных каскадов, и эти материалы будут Что касается солнечных фотоэлектрических преобвыращены надлежащего качества. Поиск таких материразователей, то в последнее время здесь также предалов ведется, и здесь могут быть выделены несколько ложены новые подходы, связанные с использованием направлений.

материалов с квантовыми точками. В частности, речь „Традиционным“ направлением является „просто“ синтез новых материалов. Среди материалов AIIIBV это пока мало или вовсе не освоенные практикой полупроводниковые нитриды и бориды. Для широкозонных нитридов уже существует значительный технологический задел (при выращивании тем же методом МОС ГФЭ), обусловленный „радужными“ перспективами переворота в осветительной технике. Возможно, мы станем свидетелями того, как повсеместно в осветительных приборах горячая ртуть и накаленный вольфрам будут заменены „холодными“ структурами на основе материалов AIIIN микронной толщины. Однако для каскадных фотоэлементов требуются скорее узкозонные материалы, в большей степени согласованные по типу и периоду решетки с материалами, уже работающими в трехкаскадных структурах. Такими материалами могут Рис. 7. Эволюция параметров инжекционных лазеров и быть, например, твердые растворы GaInNAs (рис. 4), солнечных элементов на основе AIIIBV. Пунктирные линии интенсивно изучаемые в настоящее время. Интересно (левая ось) — эволюция плотностей пороговых токов для отметить, что усложнение структуры фотоэлементов, а трех поколений инжекционных лазеров. Сплошные линии именно, переход к многокаскадным структурам, ослаб(правая ось) — эволюция эффективностей фотоэлектрического ляет требования к объемным свойствам используемых преобразования в солнечных элементах на основе различных материалов. Действительно, чем больше каскадов, тем структур (солнечный спектр АМ0, без концентрации светового тоньше фотоактивная область в каждом из них и тем потока).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики идет о создании фотоактивной среды с „промежуточной вания излучения на расстоянии от Солнца, соответзоной“ [12]. В структурах многокаскадных фотоэлемен- ствующем орбите Земли, составляет 46200 X. Именно тов, кроме использования вновь созданных материалов с такая кратность концентрирования задается обычно при заданным спектром поглощения, вероятно, можно было оценке термодинамически предельных эффективностей бы улучшить характеристики коммутирующих туннель- различных типов солнечных фотоэлементов. В частноных диодов (увеличить пиковый ток) путем введения сти, для многопереходных фотоэлементов, состоящих из между n+- и p+-слоями сверхрешеток из вертикально нескольких десятков каскадов, предельный кпд весьма связанных квантовых точек. Следует добавить, что су- близок к кпд цикла Карно и составляет почти 87%.

ществуют и другие, в том числе уже довольно старые Таким образом, многопереходные фотоэлементы, кроме предложения по повышению кпд фотоэлектрических демонстрации уже сегодня наивысших значений кпд и преобразователей, при реализации которых потребоваперспективы их повышения в ближайшем будущем, имелись бы „вновь сконструированные“ материалы. К ним ют и самые лучшие „фундаментальные“ перспективы.

относится идея использования плавных гетероструктур, Но можно ли говорить о перспективах крупномасв которых необходимо получить очень большой перепад штабного использования таких фотоэлементов в наземв значении запрещенной зоны при обеспечении высокой ных условиях, где определяющим является экономичеподвижности носителей заряда. Все эти предложения выский фактор Многопереходные фотоэлементы действизваны стремлением приблизить (вначале теоретически, тельно очень сложны по структуре. Более того, они, а затем и практически) кпд солнечного фотоэлектрипожалуй, являются наиболее сложными в структурном ческого преобразования к термодинамическому пределу отношении среди всех других полупроводниковых прив 93%, определяемому циклом Карно.

боров. Здесь должны быть обеспечены самые большие Предшествующий опыт показывает, что все достиизменения в значениях ширины запрещенной зоны для жения в повышении эффективности солнечных фотонескольких фотоактивных областей с p-n-переходами.

элементов будут в первую очередь использованы в Весьма значительно варьируются и уровни легирования космической технике [10,11]. Этот же вывод можно слоев, причем с резкой сменой типа проводимости при сделать, оценивая масштаб тех задач, которые ставятся формировании нескольких (по ходу роста структуры) перед новой космической техникой. Существует потребтуннельных p-n-переходов, коммутирующих каскады.

ность в большом количестве мощных телекоммуникаЗаданные толщины слоев фотоактивных областей должционных спутников, растут требования к энергетичены выдерживаться с высокой точностью, обеспечивая скому обеспечению обитаемых орбитальных станций, расчетное поглощение определенной части солнечного становится необходимым создание специализированных спектра для генерации одинаковых значений фототока энергетических спутников, которые могли бы подпитыв каскадах. Слои, формирующие туннельные p+-n+вать космические транспортные средства. В частности, переходы, должны быть предельно тонкими (в нанометна энергетических спутниках солнечная энергия преобровом диапазоне) для минимизации поглощения света, в разовывалась бы в электрическую, а электрическая в то время как фотоактивные слои должны быть примерно лучевую для трансляции энергии с помощью лазерного на 2 порядка толще. Весь набор материалов AIIIBV или СВЧ луча. В более отдаленной перспективе энергию (в виде твердых растворов) оказывается вовлеченным в в значительных количествах можно было бы транслиформирование структуры многопереходных фотоэлеменровать на Землю для выработки электроэнергии. Для тов (в перспективе также и нитриды), выращиваемых, осуществления наиболее крупных проектов структуры кроме всего прочего, на инородной подложке (Ge, а солнечных фотоэлементов следовало бы выращивать в перспективе — Si). Однако, как уже отмечалось, прямо на орбите методом молекулярно-пучковой эпитакэкономическая сторона при этом не столь драматична.

сии в условиях космического вакуума. В любом случае Выращивание структуры — это одностадийный автозначительное расширение производства фотоэлементов матический процесс, вся ее толщина составляет лишь для космоса позволит „попутно“ создать также и технесколько микрометров, а нефотоактивная подложка нологическую базу для еще более крупномасштабного может быть достаточно дешевой. Решающим же обпроизводства фотоэлементов наземного применения.

стоятельством для экономически оправданного использования многопереходных фотоэлементов является тот 5. Фотоэлектрическое преобразование факт, что они могут весьма эффективно работать при высококонцентрированном солнечном облучении.

Pages:     | 1 || 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.