Получение гетероструктур на основе германия и арсенида индия для термофотоэлектрических преобразователей

• Автор: Олива, Эдуард Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новочеркасск
• Количество страниц: 160 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Термофотоэлектрические генераторы.

1.1.1. Принцип работы и основные компоненты системы.

1.1.2. Материалы и структуры для ТФЭ элементов

1.2. Методы получения эпитаксиальных слоев соединений АЗВ5.

1.3. Жидкофазная эпитаксия слоев соединений АЗВ

на подложках Ое.

1.4. Твердые растворы ГпАвБЬР и Са1пАБ8ЬР

на подложках арсенида индия.

1.5.Моделирование процессов получения слоев многокомпонентных твердых растворов методом ЖФЭ
1.5.1. Расчет основных параметров твердых растворов.
1.5.2. Ограничения на получение твердых растворов.
1.5.3. Фазовые равновесия в многокомпонентных системах
1.5.4. Влияние кристаллографической ориентации подложки на состав эпитаксиальных слоев
1.6. Постановка задачи исследования
Выводы.
2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГЕТЕРОСИСТЕМ АЗВ5
2.1 .Определение основных электрофизических параметров многокомпонентных твердых растворов ЫАбБЬР и ОаЫАьБЬР
в зависимости от состава
2.2. Расчет и анализ когерентной диаграммы состояния четверной
системы ТпАэБЬР
2.3. Фазовые равновесия в пятикомпонентной системе СаЬзАэЗЬР на основе арсенида индия.
2.4. Влияние межфазной поверхностной энергии границы раздела кристаллрасплав на состав твердых растворов.
3. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТОДОМ ЖФЭ Э1ШТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
3.1.Получение гетероструктур СаАБве методом быстрого охлаждения растворарасплава.
3.2.Выращивание слоев твердых растворов пАбЗЬР с заданными параметрами.
3.3.Получение пятикомпонентных твердых растворов Оа1пАБ8ЬР
3.4. Особенности кристаллизации многокомпонентных
твердых растворов на основе 1пАб.
Выводы.
4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ И
ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ.
4.1.Определение основных характеристик слоев ваАБ на подложке
германия методом Рамановской спектроскопии.
4.2. Рентгеноструктурные исследования многокомпонентных твердых растворов на основе арсенида индия
4.3. Фотолюминисценция твердых растворов пАбБЬР и СапАзБЬР
4.4. Термофотоэлектрические преобразователи на основе гетсроструктур СаАБве и 1пАб8ЬР1пАб.
Общие выводы работы
Литература


Способов производства электрической энергии, отвечающих одновременно всем перечисленным требованиям, в настоящий момент не существует. В то же время вследствие повышения числа различных практических приложений соответственно увеличивается количество методов получения электрической энергии. Одним из этих методов является преобразование теплового излучения в электрическую энергию с помощью термофотоэлектрических (ТФЭ) преобразователей. Идея фотоэлектрического преобразования несолнечного излучения была предложена еще в -х годах [5] т. Правда, эффективность метода составляла тогда всего один процент. В последующие десятилетия предпринималось множество попыток реализовать этот относительно простой принцип, имеющий потенциально высокие КПД и надежность, в форме генератора, конкурентоспособного с работающими на других принципах. Эти попытки ограничивались в основном высокими требованиями, которые ТФЭ преобразование предъявляет к полупроводниковым материалам. В -х годах термофотоэлектричество вышло на новый этап развития, в основном благодаря прогрессу полупроводникового материаловедения в целом, и метода фотоэлектрического преобразования в частности. Повышенная активность в исследованиях и развитии метода, особенно в США, нашла отражение в специальных конференциях [6,7]. Термофотоэлектричество выходит на коммерческую арену. Компания «Pacific Northwest» намечает выпускать генераторы для рыболовных судов. В ближайших планах — разработка элемента питания для военных подразделений. Недавно появился первый коммерческий ТФЭ генератор, сделанный американской фирмой «JX Crystals» [8]: это цилиндр высотой в полметра и диаметром в сантиметров (рис. Такой цилиндр с водяным охлаждением вырабатывает электрическую мощность в 0 Вт. Устройство называется «Midnight Sun» и собрано на основе 0 элементов, получаемых диффузией Zn в GaSb. В качестве эммитера был выбран нагреваемый при сжигании газа (пропана или бутана) стержень из SiC. Стоит оно пока три тысячи долларов, что дороже дизельного генератора такой же мощности, но работает практически бесшумно и более надежно, поскольку в нем нет движущихся частей. Рис. Возможные области использования такой установки - питание телевизоров, компьютеров или других маломощных потребителей. ТФЭ генераторы также могут перерабатывать в электрическую энергию избыточное тепло многих промышленных процессов - производства стекла, алюминия, стали. Это резко снизит стоимость вырабатываемой электроэнергии. Еще одна радужная перспектива для новых генераторов -дополнительный источник энергии для электромобиля. Маркетинговые исследования показывают, что к году рынок термоэлектронных устройств может достичь 0 миллионов долларов [9]. Они должны будут заменить дизельные генераторы с мощностью менее двух киловатт. ТФЭГ - более 2Вт/см2=кВт-час/см2 в год, что в 0-0 раз превышает средний удельный энергосъем с поверхности космических СБ и в 0-0 раз больше удельного энергосъема наземных СБ. По сравнению с другими типами электрогенераторов (термоэлектрические, термоэмиссионные, топливные элементы и др. КПД ТФЭГ, который может составить более %. ТФЭ преобразование это непосредственное преобразование теплового излучения в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических элементов, чувствительных в инфракрасной области спектра. Принципиальным в этом общем определении является то, что солнечные элементы могут рассматриваться как частный случай гермофотоэлектричсства. Основной принцип термофотоэлектричества заключается в генерации излучения, согласованного по спектру с шириной запрещенной зоны материала фотопреобразователя. Спектр излучения эммитера можно описывать моделью абсолютно черного тела. На рис. АЧТ) при Т= °С и °С, а также показаны доли энергии (заштрихованные области), преобразуемой с помощью БГ и ваБЬ-фотоэлементов. Видно, что при использовании узкозонных материалов доля энерг ии, полезно используемой в ТФЭГ, значительно выше, чем при использовании кремниевых фотоэлектрических преобразователей. Рис. Спектры излучения абсолютно черного тела при Т= °С и °С и доля энергии, преобразуемая фотоэлементами из кремния (заштрихованная область) и Оа8Ь. Рис.