Многопереходные солнечные элементы, содержащие субэлемент на основе германия

• Автор: Калюжный, Николай Александрович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 218 с. : ил.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОПЕРЕХОДНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ вЕ СУБЭЛЕМЕНТ
1.1 Методы исследования фотоэлектрических преобразователей
1.2 МОС-ГИДРИДНЫЙ МЕТОД ВЫРАЩИВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР МНОГОПЕРЕХОДНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ А3в5 И ГЫ-ЭГГи МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ МОС-ГИДРИДНОГО ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ А3В5 МАТЕРИАЛОВ И ФОТО АКТИВНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА СЕ ПОДЛОЖКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЧ-БГТи МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Аппаратная реализация и детали экспериментальных исследований
2.2 Использование оптических пч-Бпи методов исследования при разработке технологии А3В5 материалов для фотоэлектрических преобразователей
2.3 Итоги исследования по разработке научных основ технологии МОС-гидридного эпитаксиального выращивания А3В5 материалов на Ое: соотношение м-бгш И ЕХ-БГШ измерений при характеризации параметров эпитаксиальных слоев
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ вЕ СУБЭЛЕМЕНТОВ (ДЛЯ МП СЭ)
3.1 Анализ спектральных характеристик Ое субэлементов
3.2 Исследование механизмов токопрохождения в Ое р-ы переходах
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ вЕ ФЭП ПРИ ВЫСОКИХ УРОВНЯХ ОСВЕЩЕНИЯ
4.1 Модель нелинейного сопротивления ФЭП, основанная на эквивалентной схеме параллельных ветвей
4.2 Линеаризация и свойства линеаризованного сопротивления растекания Ое ФЭП
4.3 Возможность использования Ое ФЭП в качестве преобразователей теплового промышленного излучения
4.4 Итоги исследования Ое ФЭП: практические эквивалентные схемы для различных режимов их эксплуатации
ГЛАВА 5. МНОГОПЕРЕХОДНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С вЕ СУБЭЛЕМЕНТОМ
5.1 Выращивание МП СЭ с использованием ш-бгш методов исследования
5.2 Исследование многопереходных солнечных элементов, содержащих Ое субэлемент
5.3 Итоги: о выборе практических эквивалентных схем МП СЭ для различных режимов токопрохождения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Настоящая работа посвящена разработке научных основ МОС-гидридной эпитаксиальной технологии создания многопереходных (МП) структур, содержащих субэлемент на основе германия, и исследованию физических процессов в созданных на их основе фотоэлектрических преобразователях (ФЭП) различного назначения (космического и наземного). В работе детально рассмотрены фотовольтаические и электрические процессы в Ое фотопреобразователях, выступающих в качестве узкозонного субэлемента многопереходной структуры. Установлено влияние исследованных процессов на характеристики МП солнечных элементов (СЭ). Разработаны модели и эквивалентные схемы для описания работы Ое ФЭП, которые обобщены и применены к МП СЭ.
Актуальность темы. Как известно, Солнце является источником или причиной возникновения большинства существующих на данный момент энергетических ресурсов - как возобновляемых так и не возобновляемых. Использование его энергии непосредственно, а не через трату энергии, запасенной в сформированных за тысячелетия полезных ископаемых, представляется наиболее целесообразным подходом.
Актуальность исследований и разработок в области альтернативной (не топливной) энергетики не вызывает в настоящее время сомнений - как по экономическим, так по общефилософским (экологическим, прогностическим, гуманистическим и.т.д.) соображениям. Одним из альтернативных способов получение электрической энергии - является использование прямого или концентрированного с помощью модулей с линзовыми системами солнечного излучения, посредством материалов, обладающих свойством фотопроводимости, таких как полупроводниковые кристаллы.
Среди фотопреобразователей выделяются многопереходные (МП) солнечные элементы (СЭ), в первую очередь благодаря максимальному теоретическому значению кпд. Это говорит об общей перспективе их
использования для энергоснабжения на земле и в космосе. Хотя концентраторные установки наземного применения на данный момент уступают конкурирующим технологиям по экономическим показателям, тем не менее, в космосе - где определяющую роль играет не стоимость энергетического модуля (незначительная в сравнении со стоимости всего летательного аппарата), а удельная (снимаемая с единицы площади) мощность - альтернативы многопереходным преобразователям практически не существует. Таким образом, исследования и, главное разработка эффективных структур, является актуальной научной и практической задачей, особенно для России, где мощный космический комплекс требует перехода на современные (конкурентоспособные) источники питания, отечественной разработки.
В ряде научных лабораторий (и предприятий) в различных странах (где актуальна космическая тематика, а, следовательно, развивается и наземная) ведутся исследования и разработки МП СЭ. Но ввиду острой практической значимости данной тематики многие исследования представляются в публикациях в сжатом виде или вообще остаются за кадром (что связано либо с отсутствием сиюминутной практической значимости исследования или, наоборот, с «ноу-хау», присутствующих в данных разработках). Соответственно, представляется актуальным как фундаментальные исследования в данной области, так и рассмотрение прикладных аспектов, которые, возможно, позволят приблизиться к конечному практическому результату - повышению кпд приборов.
На сегодняшний день основные многопереходные фотопреобразователи (демонстрирующие как высокие эффективности в лабораториях, так и обладающие рекордным промышленным значением кпд (до 40%)) содержат ве субэлемент, а именно подложку ве с формированным в ней р-п переходом и функциональным (широкозонное окно) эпитаксиальным слоем А3В5 материала. Данная работа сконцентрирована на детальном рассмотрении вопросов,

а также ерьгеабу (готовых к эпитаксиальному процессу) подложек, при относительно небольшой стоимости последних;
Как материал подложки для СЭ космического применения Ое обладает: 1) повышенной радиационной стойкостью по сравнению с кремниевыми и арсенид галлиевыми солнечными элементами, что гарантирует долгосрочную эксплуатацию ФЭП; 2) повышенной механической прочностью, что позволяет уменьшить толщину структур и вес ФЭП и увеличить удельный (на единицу веса) энергосъем в высокоэффективных солнечных батареях, используемых для энергоснабжения космических летательных аппаратов.
ве р-п переход, включенный в процесс фотопреобразования в МПСЭ, позволяет распространить его фоточувствительность до длины волны 1800 нм (Е8_ се=67 эВ при комнатной температуре (КТ)).
Ранее Ие р-п переходы активно исследовались с целью создания выпрямителей, транзисторов, фотодиодов и т.д. Было установлено, что механизм протекания прямого тока - диффузионный (уравнения (1.2)), т.е. обусловлен рекомбинацией электронов и дырок, термоинжектированных в квазинейтральные р- и п- области р-п перехода (диффузионная компонента Шокли [8,12]). Величина диффузионного тока насыщения составляла ~ 10' А/см при комнатной температуре [106]. Рекомбинационная компонента отсутствовала, однако, наблюдалась избыточная компонента, которая при обратном смещении давала плотность тока «насыщения» в диапазоне (10'4Н0'3) А/см2 [106, 13-§12.2]. При этом сам механизм протекания избыточного тока в невырожденных ве р-п переходах не изучался и не обсуждался.
В связи с возрождением интереса к германию как материалу нижнего субэлемента МПСЭ существуют публикации по исследованию ве ФЭП, структуры которых были созданы в процессе МОСУП диффузией атомов элементов пятой группы в подложку, однако там ВАХ прибора также аппроксимируется моделью идеального диода [107].