Исследования в области преобразователей

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная энергия является одним из весьма перспективных источников энергетики. Экологичность, возобновимость ресурсов, отсутствие затрат на капремонт фотомодулей, снижение стоимости относительно традиционных методов получения электроэнергии - всё это является положительными сторонами солнечной энергетики.

Солнечные элементы, работающие при сверхвысоких степенях концентрирования солнечного излучения (более 1000 солнц), позволяют существенно снизить площадь солнечных элементов.

Эффективность солнечных элементов на основе кремния при прямом облучении в условиях околоземного космоса составляет 15 -16 %. В наземных условиях КПД кремниевых элементов составляет около 20 %.

Солнечные элементы на основе гетероструктур обеспечивают большие значения КПД и имеют высокую радиационную стойкость.

Эффективность солнечных элементов на основе при прямом облучении в условиях околоземного космоса составляет 15 -16 %. В наземных условиях КПД кремниевых элементов составляет около 20 %.

Поставленная цель данной дипломной работы состоит в разработке конструкции и технологии преобразователей солнечной энергии на основе

p-n структур.

В дипломной работе предусмотрено решение следующих вопросов:

- обзор литературы по средствам преобразования солнечной энергии в электрическую на основе р-n структур;

- технологический процесс формирования полупроводниковых преобразователей оптических излучений;

- разработка технологии и конструкции преобразователей солнечной энергии на основе р-n переходов.

Решение поставленных в работе задач позволит создать преобразователи солнечной энергии на основе полупроводниковых гетероструктур из соединений A_nB_m. Такие преобразователи, обладая высокими техническими свойствами, могут эффективно использоваться в космических устройствах наземных и воздушных аппаратах, что повысит надежность и безопасность работы этих аппаратов.

ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИНА ОСНОВЕ P-N СТРУКТУР

Двухкомпонентные соединения и твердые растворы наих

Основе

Двойные полупроводниковые соединения широко используются в качестве преобразователей солнечной энергии.

Тонкопленочные солнечные элементы на основе CdTeнаходятся на стадии исследований и экспериментов, а также успешно применяются в различных областях человеческой деятельности. СdTe является одним из перспективных материалов для производства высокоэффективных и дешевых солнечных модулей, т.к. обладает почти идеальной шириной запрещенной зоны (1,44эВ) и очень высокой способностью к поглощению излучения. Промышленные солнечные элементы на основе тонких пленок CdTe, со структурой,в настоящее время обладают КПД до 10 %, а в ближайшие годы ожидается увеличение до 15%.

В работе [2] проведено исследование стабильности их параметров во времени и рассмотрение возможных причин появления нестабильности. Объектами исследования были выбраны солнечные элементы со структурой стекло-SiO₂-СdS-СdТе-металл и стекло-SiO₂-CdTe-металл. В дальнейшем эти два типа структу не разделяются, поскольку наблюдаемые эффекты обусловлены в основном процессами в высокоомном активном слое CdTe.

В качестве чувствительного к изменениям в активном слое параметра был выбран обратный темновой ток I₀. Засветка интенсивностью с размером 5 мВт/см осуществлялась ксеноновой лампой через водяной фильтр. Все происходящие изменениярегистрировалась на компьютере при использовании усилителя и аналого-цифрового преобразователя.

Под действием излучения втонкопленочных фотопреобразователях происходит изменение хемсорбционного равновесия на границах кристаллитов, что приводит к возникновению фотопамяти в результате изменения поверхностного потенциала и соответственно скорости поверхностной рекомбинации.Этот эффект может привести к нестабильности параметров поликристаллических солнечных элементов и в результате чего ухудшить, или улучшить эффективности фотопреобразования.

Работа [3] посвящена первым исследованиям фотоэлектрических явлений в структурах окисел-CdTe, для получения которых реализован новый подход формирования фоточувствительных структур из CdTe, благодаря которому существенно можно упростить технологию и снизить стоимость их производства. Дальнейшее совершенствование подхода может обеспечить получение элементов большей площади с воспроизводимыми характеристиками при высоком выходе годовой продукции.

Для получения фоточувствительных структур использовались электрически однородные монокристаллы CdTen- и р-типа проводимости с концентрацией свободных носителей заряда 10¹⁶-10¹⁷см^-3 при Т = 300 К. Выращивание монокристаллов осуществлялось направленной кристаллизацией расплава, близкого к стехиометрии CdTe, при контролируемом парциальном давлении паров кадмия, которое как раз и определяло тип и концентрацию основных носителей заряда [5].

Путем механической шлифовки пластин n- и p-CdTe, прошедших термообработку в воздушной среде, слой естественного окисла (О_х), удаляется со всех сторон подложки, за исключением одной. На полученных структурах O_x/n-CdTe и O_x/p-CdTe исследовались стационарные вольт-амперные характеристики (ВАХ) и спектральные зависимости относительной квантовой эффективности фотопреобразованияηв естественном и линейно поляризованном излучении. В результате измерения ВАХ, все полученные анизотипные (n-O_x/n-CdTe) структуры обнаруживают четкое выпрямление.

В работе [4] сообщается о создании нового класса преобразователей, представляющих собой контакт теллурида кадмия и его тройных аналогов с естественным белком.

Для создания солнечных элементов, в качестве полупроводниковых материалов, применялись кристаллы CdTe и их тройные аналоги из группы I-III-VI₂, которыеполучаются в результате замещения двух атомов второй группы на атомы из первой и третьей групп периодической системы элементов.

Кристаллы CdTe выращивались двумя методами

1) зонной перекристаллизацией расплава с близким к стехиометрии CdTe составом в контролируемой паровой фазе. В результатекоторого возможно получить электрически однородные кристаллы n-типа проводимости, в которых с понижением температуры ниже 300 К обнаруживается характерный для решеточного рассеяния рост холловской подвижности. Пластины из таких слитков получались скалыванием и имели зеркальные плоскости (001), которые не нуждались в дополнительной обработке.

2) газофазным методом, что приводило к легированию CdTe йодом. Получаемые кристаллы были полуизолирующими и также не нуждались в обработке поверхности.

Кристаллы тройных соединений I-III-VI₂ выращивались из расплава (Сu-InSe₂, CuInS₂ и AgInS₂), либо из газовой фазы (CuInS₂ и CuGaS₂).

Особенно активно используется тройное соединение Сu-InSe₂в качестве поглощающего слоя в высокоэффективных солнечных элементах. При ширине запрещённой зоны Eg ≈ 1,05 эВ оно характеризуется исключительно высоким коэффициентом поглощения (α ≥ 105 см–1).

Тонкоплёночные структуры на основе CuInS2 также обладают высоким коэффициентом поглощения (α ≈ 104…105 см–1) и оптимальной шириной запрещенной зоны для изготовления эффективных солнечных элементов [16].

Одной из главных проблем, возникающих при использовании соединений I-III-VI₂, является наличие отрицательного коэффициента термического расширения в области низких температур.

Поверхность соединений CuInS₂ и CuGaS₂не нуждалась в обработке и имела ориентацию (112), тогда как полученные из расплава образцы после резки обрабатывались механически, а затем химически полировались.

Был разработанспособ создания нового класса фотопреобразователей. Состоящий в том, что на стеклянную пластину с полупрозрачным слоем металла (Mo, Ni, d = 0,5 мкм) помещалась капля естественного белка. Пластина полупроводника вводилась в контакт с поверхностью белка таким образом, что жидкий белок "зажимался" между металлизированной поверхностью стекла и пластиной полупроводника, заполняя предоставляемый ему зазор.

Таблица 1.1 - Фотоэлектрические свойства контактов CdTe и его тройных аналогов I-III-VI₂ с белком (Т = 300 К)

Соединение	Типпроводимости	1/R∙e, см^-3	ђω₁,эВ	S, эВ¹	S_u,В/Вт	S_i,мА/Вт	δ_½,эВ
CdTe	n	10¹⁶	1,51		10³		1,82
	p	10⁸	1,48		10⁴	-
CuInSe₂	р	3∙10¹⁷	1,02				2,00
CuInS₂	р	2∙10¹⁶	1,53		1∙10⁴		2,02
CuGaS₂	р	10⁷	2,48		3-10³	-	1,84

После завершения процедуры посадки полупроводника на контакте подложкой через слой положение пластины фиксировалось относительно стекла с помощью диэлектрического лака. Собранная таким образом система полупроводник-белок-металл (рисунок 1.1) снабжалась электрическими контактами и позволяла исследовать фотоэлектрические явления в двух различных геометриях освещения.

Изучены фотоэлектрические свойства полученных структур в естественном линейно поляризованном излучении. Установлен широкополосный характер фоточувствительности структур в диапазоне между шириной запрещенной зоны полупроводника и энергией ≈ 3,5 эВ, которая принята за псевдощель в зонном спектре белка.

Показано, что естественныйфотоплеохроизм полупроводника воспроизводится и для его контакта с белком.

исследования в области преобразователей - student2.ru

1 - стеклянная пластина, 2 - полупрозрачный слой металла,

3 - слой естественного белка, 4 - полупроводник, 5 - диэлектрический лак

Рисунок 1.1 – Конструкция и схема освещения гетероконтакта полупроводник-белок

Селенид цинка (ZnSe) принадлежит к числу наиболее перспективных широкозонных материалов A^IIB^VI и находит широкое применение устройствах коротковолновой полупроводниковой электроники и систем отображения информации. Это обусловлено в первую очередь тем, что за последнее десятилетие научились выращивать высококачественные монокристаллы достаточно больших размеров. Благодаря этому получило развитие еще одно перспективное направление применения монокристаллического ZnSe, связанное с его использованием в качестве прямого преобразования энергии высокоэнергетического излучения в электрический ток. Исследования фоточувствительности структур различных типов на основе монокристаллов ZnSe проводятся исключительно в неполяризованном излучении. В тоже время ZnSe относится к числу материалов,которые могут иметь фазы переменного состава, что требует прецизионного контроля условий существования вещества в процессе роста.

В работе [5] рассмотрены результаты первых исследований фоточувствительности в естественном и линейно поляризованном излучении нескольких типов структур, созданных термообработкой ZnSe в разных условиях.Для получения фоточувствительных структур использовались монокристаллы n-ZnSe, выращенные из расплава, состав которых был близок к стехиометрическому составу соединения. Монокристаллы имели структуру сфалерита с параметром кристаллической решетки[8]. Удельное сопротивление таких кристаллов составляет р ≈ 10¹⁰Ом∙см и концентрация электронов n ≈ 10 см^-3 при температуре Т = 300 К. В интегральном свете кристаллы однородно окрашены в светло-желтый цвет.

Для создания фоточувствительных структур применялась термообработка монокристаллов n-типа проводимости при температуре Т ≈500° С в сухой воздушной среде. Для этого использовались монокристаллические пластины с размерами 5x4x2 мм³, сколотые по кристаллографической плоскости (100). В результате термообработки на поверхности пластин образуются однородно окрашенные слои р-типа проводимости. С увеличением времени термообработки до 200 мин наблюдалось изменение окраски слоя от лиловой до темно-вишневой. Толщины слоев при этом не превышали 1 мкм.

При аналогичных режимах термообработки при помещении кристаллов n-ZnSe в вакуумную ампулу и доводя до самых больших значении времени термообработки не вызывает каких-либо изменений в окраске исходных кристаллов, хотя и происходит конверсия типа проводимости n —>рв приповерхностной области пластин. Следует, что изменение окраски приповерхностной области ZnSe при термообработке кристаллов на воздухе связано с образованием интерференционных окисных слоев.Конверсия типа проводимости n-ZnSe в условиях вакуума отражает только измененные отклонения от стехиометрии в результате диффузионного выхода преимущественно атомов Zn и к возникновению акцепторных центров Vz_n.

В работе [7] приведены оптико-электрические характеристики фототранзисторов на основе антиманида индия. Коэффициент усиления растет с увеличением тока базы. При фиксированном значении базового тока фототранзисторы могут работать как линейные фотоприемники в широком интервале значений освещенности. Спектральные характеристики имеют П-образный вид с границами чувствительности 1,8-1,5 мкм.

В работе [11] излагаются результаты исследования спектров фоточувствительности гетеропереходов эпитаксиальныйn-GaAs-аморфная пленка As₂Se₃. Исследование гетеропереходов кристалл-аморфная пленка представляет интерес, поскольку с изменением состава пленки появляется возможность целенаправленно изменять свойства таких гетеропереходов. При больших напряжениях разделение носителей осуществляется внешним полем. При отсутствии вешнего напряжения (Uc< 1 В) разделение фотогенерированных носителей происходит на барьерах, существующих в гетероструктуре.

Для обоснования возможных путей улучшения параметров фотопреобразователей [14] на основе тонкопленочных поверхностно-барьерных структур анализируются особенности фотоэффекта в гетеропереходах с величиной фотоактивной области, соизмеримой с протяженностью области пространственного заряда (ОПЗ). Приводятся результаты по созданию оптимального пространственного распределения электрического поля в фоточувствительной составляющей преобразователя. Разработанные структуры позволяют сохранить необходимую протяженность ОПЗ и увеличить электрическое поле у границы раздела гетероперехода.

В настоящее время соединенияA^IIB^VI широко используются для преобразователей физических величин в электрические.

В данной работе приведены результаты исследования оптических и фотоэлектрических свойств структур на основе по-ликристаллических пленок CdS, полученных методом теплового экрана на холодной стеклянной подложке с токопроводящей пленкой SnO₂[14].Исследовано распределение поперечной фото-ЭДС в образцах гетероструктурыGe-GaAs со слоем оксида (≈ 15А)на границе раздела.

С помощью методики одновременного возбуждения модулированным и не модулированным излучением обнаружена долговременная релаксация фото-ЭДС в гетероструктурах. Энергетические барьеры локализованы на поверхности пленки Ge и подложки GaAs, прилегающих к окислу, расположенному между ними. Градиенты темновой концентрации носителей тока в пленке и подложке направлены в противоположные стороны. Переходной слой формируется в процессе роста. Отмечена необходимость учета вклада в регистрируемый сигнал напряжения фотопроводимости, возникающей на частоте модуляции в поле, которое появляется на образце вследствие немодулированной подсветки [15].

Изучено [16] влияние величины (0-20 В) и полярности внешнего напряжения, спектрального состава падающего света (λ = 350 и 510 нм) на величину темнового (I_n) и фототока (Ip) и вид кинетических кривых для гетеросистемы "арсенид галлия - сульфид кадмия". Форма кинетических кривых темнового и фототока остается неизменной во всем интервале внешних напряжений (-20 – 20 В). На кинетических кривых темнового тока в начальный момент времени наблюдается отчетливый максимум, после чего ток релаксирует до постоянной величины. При воздействии светом (λ = 350 и 510 нм) фототок в гетеросистеме плавно увеличивается, достигая стационарного участка. Обнаружен "электретный эффект" при воздействии на гетеросистему "TlN₃-CdS" внешнего напряжения отрицательного потенциала со стороны T1N₃. Предложен механизм переноса носителей заряда через границу раздела "TlN₃-CdS".