Исследование фототока в солнечных элементах на гетероструктурах с массивом квантовых точек Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.383+621.472

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОТОКА В СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ С МАССИВОМ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

© 2013 г. С.Н. Чеботарев, А.С. Пащенко

Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону South Scientific Center RAS, Rostov-on-Don

Продемонстрирована возможность получения методом ионно-лучевой кристаллизации GaAs p-i-n-гетероструктур с внедренным в i-область массивом InAs квантовых точек. Анализ результатов фотолюминесцентных исследований и измерений спектральной зависимости внешнего квантового выхода (AM1.5G, T = 300 K) выявил возрастание плотности тока (~1,1 %) в солнечных элементах на основе полученных гетероструктур GaAs(p):С/GaAs(i)-InAs(QD)/GaAs(n):Si.

Ключевые слова: солнечные элементы с промежуточной подзоной; гетероструктуры с квантовыми точками.

The possibility of obtaining by ion-beam crystallization GaAs p-i-n-heterostructures with InAs quantum dots array embedded in the i-layer are shown. The analysis of photoluminescence measurements results and of the spectral dependences of the external quantum efficiency (AM1.5G, T = 300 K) showed an increase current density (~ 1,1 %) in solar cells on the basis of heterostructure GaAs (p): C / GaAs (i) -InAs (QD) / GaAs (n): Si.

Keywords: intermediate band solar cells; quantum dots heterostructures.

Введение

Требования энергоэффективности и экологической безопасности стимулируют рост интереса к альтернативным источникам энергии, в частности, к солнечной энергетике. Будущее этой научно-промышленной отрасли связывают с полупроводниковыми гетероструктурами AШBV [1]. Одной из наиболее важных и фундаментальных проблем при преобразовании энергии полупроводниковыми солнечными элементами (СЭ) являются потери на термали-зацию носителей тока. Наиболее эффективный подход, позволяющий частично решить данную проблему, основывается на использовании каскадных гете-роструктурных СЭ [2]. Однако возрастание количества элементов каскада, проводимое с целью повышения КПД, способствует усложнению конструкции СЭ, увеличению числа гетерограниц и коммутационных туннельных диодов, что приводит к возрастанию последовательного сопротивления элемента [3].

Наряду с этим предлагается новый подход к решению данной проблемы, дополняющий концепцию каскадных СЭ. Он основан на применении полупроводниковых гетероструктур с внедренным массивом квантовых точек (КТ) [4]. Благодаря дискретному энергетическому спектру КТ появляется принципиальная возможность решения проблемы термализа-ции. Управляя размерами, формой КТ и составом матрицы, можно контролируемо модифицировать край зоны поглощения дополнительного перехода на КТ, что позволит расширить спектральный диапазон чувствительности и увеличить фототок.

Для получения гетероструктур с КТ традиционно используют молекулярно-лучевую эпитаксию и газофазную эпитаксию из металлоорганических соединений. Параллельно развиваются альтернативные технологические методы. Ранее нами экспериментально

показана возможность ионно-лучевой кристаллизации квантовых точек InAs на поверхности GaAs [5]. Целью настоящей работы является получение методом ионно-лучевой кристаллизации GaAs р-/-п-структур c массивом КТ InAs и исследование их фотоэлектрических свойств.

Принципы функционирования солнечных элементов на гетероструктурах с квантовыми точками

Особенностью СЭ на квантово-размерных гетеро-структурах является наличие промежуточной энергетической подзоны. Основное отличие конструкции СЭ с промежуточной подзоной от классического однопе-реходного СЭ заключается в наличии внедренных слоев КТ, расположенных между п- и p-областями в /'-области. В СЭ с промежуточной подзоной фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны используются для генерации тока, являющегося дополнительным к основному току, создаваемому в результате поглощения фотонов с энергией больше ширины запрещенной зоны базового материала. Существует несколько механизмов перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости через промежуточную подзону. Независимо от механизма законы термодинамики требуют, чтобы процесс перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости через промежуточную зону происходил с участием двух фотонов. Самый очевидный вариант заключается в последовательном поглощении двух фотонов с энергией меньшей ширины запрещенной зоны, возбуждающих переход электрона из валентной зоны в промежуточную и с промежуточной в зону проводимости. Может иметь место также процесс перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Альтернативой указанным процессам является механизм ударной ионизации, в котором энергия электрона,

возвращающегося из промежуточной зоны в валентную зону, используется для перехода другого электрона из промежуточной зоны в зону проводимости. Отметим, что для последнего процесса также требуется два фотона - один фотон, как и прежде, переводит электрон из валентной зоны в промежуточную зону, другой фотон переводит электрон из валентной зоны в промежуточную зону. Затем электрон из промежуточной зоны может вернуться обратно в валентную зону, передавая свою энергию посредством ударной ионизации другому электрону, который переходит из промежуточной зоны в зону проводимости. Конечным результатом этих процессов для стационарного случая является образование электронно-дырочной пары при поглощении двух фотонов. Отметим, что каждый из указанных процессов имеет обратные процессы -люминесценцию и Оже-рекомбинацию.

Методика эксперимента

Синтез p-i-n-структур (однопереходных СЭ) проводился в установке ионно-лучевой кристаллизации, выполненной на базе стандартной ростовой камеры с двухуровневой вакуумной системой и источником ионов КЛАН-53М. В экспериментах использовались легированные кремнием подложки GaAs(001) n-типа. Массивы КТ InAs формировались методом ионно-лучевой кристаллизации в режиме Странского -Крастанова по методике [6]. Однопереходные СЭ имели следующую архитектуру: тыльный контакт AuGe/Ni/Au к ^-области; n+-GaAs:Si (толщина ~ 150 нм, уровень легирования ~ 1020 см-3); n-GaAs (толщина ~ 3000 нм, уровень легирования ~ 71017 см-3); i-GaAs (толщина ~ 130 нм, уровень легирования ~ 1015см-3); p-GaAs (толщина ~ 450 нм, уровень легирования ~ 5^1017см-3); p+-GaAs:C (толщина ~ 250 нм, уровень легирования ~ 2^1020см-3); фронтальный контакт Cr/Au к p+-области.

Методом ионно-лучевой кристаллизации выращивались p-i-n-структуры двух типов, различающихся строением i-областей: 1) структура A (матрица i-GaAs); 2) структура B (матрица i-GaAs c тремя внедренными слоями КТ InAs, толщина спейсерного слоя, разделяющего слои КТ ~ 10 нм, средний размер КТ ~25 нм). Толщина i-области была постоянной и составляла 130 нм.

Экспериментальные образцы СЭ изготавливались на основе указанных p-i-n-структур с использованием фотолитографии, химического травления и напыления металлов и имели геометрию размером 2,5*2,5 мм с верхним сетчатым контактом. Омические контакты к n- и p+-областям формировались напылением и вжи-ганием слоев металлизации AuGe/Ni/Au и Cr/Au. То-ковыводящие шины верхнего контакта утолщались электрохимическим осаждением золота до толщины порядка 2 мкм. Антиотражающие покрытия не выращивались. Нижний контакт напаивался на медную площадку для облегчения измерений характеристик СЭ.

Спектральные зависимости внешнего квантового выхода СЭ исследовались на установке Spectrometer в

диапазоне длин волн 340-1800 нм путем сравнения фототоков СЭ без КТ (контрольный) и СЭ с КТ (исследуемый). По результатам измерений производился расчет плотности генерируемого фототока для стандартных условий AM1.5G. Фотолюминесценция возбуждалась полупроводниковым инжекционным лазером мощностью P = 5 Вт/(см2т) с длиною волны излучения 402 нм. Возбуждение проводилось со стороны выращенных слоев КТ.

Обсуждение результатов

На рис. 1 представлены спектральные зависимости внешнего квантового выхода однопереходных СЭ, выполненных на базе р-г'-я-структур без внедренного массива КТ (образец А) и с внедренным массивом КТ (образец В). Видно, что СЭ с КТ (образец В) проявляет две отличительные особенности: 1) интегральный внешний квантовый выход структуры с КТ ниже, чем у р-г'-я-структуры без КТ; 2) в диапазоне длин волн 900 - 1100 нм проявляется дополнительная реакция структуры на фотовозбуждение.

Рис. 1. Спектральные зависимости внешнего квантового выхода р-г'-я-структур: GaAs(pУGaAs(i) ЮаАз(я) (образец А), GaAs(p)/GaAs(i)-InAs(QD)/GaAs(n) (образец В); на вставке: зонная диаграмма образца В

Первую особенность можно отнести к ряду негативных и, по-видимому, она обусловлена дислокациями несоответствия, имеющих место при росте КТ. Эти дефекты, а также значительный разброс КТ по размерам, свойственным ионно-лучевой кристаллизации на данном этапе оптимизации процесса [6], являются дополнительными рекомбинационными ловушками, снижающими величину внешнего квантового выхода.

Вторая особенность является положительной и свидетельствует о проявлении свойств вертикально-связанных массивов КТ в р-г'-я-структуре. Следует указать, что этот эффект уже описывался в работах [7, 8]. Однако нами впервые показана принципиальная возможность создания р-г'-я-структур с внедренными слоями КТ методом ионно-лучевой кристаллизации. По данным проведенных исследований спектральной зависимости внешнего квантового выхода были рассчитаны плотности фототока для условий AM1.5G, которые составили: J (образец А) = 21,71 мА/см2, J (образец В) = 21,94 мА/см2. Из этих данных видно, что наблюдается незначительный прирост фототока (~1,1 %) в СЭ с КТ. Этот прирост указывает на не-

большое превалирование процесса туннельной эмиссии носителей из КТ над рекомбинационными процессами в КТ и матричном материале. Здесь предполагается справедливость рассуждений теоретической работы [4], в которой вклад в фототок от квантовых точек обусловлен туннелированием носителей заряда в связанных КТ, приводящим к их пространственному разделению или, иными словами, к образованию дополнительной фотоЭДС (см. вставку на рис. 1).

В пользу справедливости указанной гипотезы свидетельствуют также результаты фотолюминесцентных исследований р-/-/7-структур с КТ (рис. 2).

900

1000 1100 Длина волны, нм

1200

Рис. 2. Спектр фотолюминесценции р-/-п-структуры GaAs(p)/GaAs(i)-InAs(QD)/GaAs(n) (образец В)

Фотолюминесцентный отклик массивов КТ наблюдается в том же спектральном диапазоне (900 -1200 нм), что и для спектральных исследований внешнего квантового выхода. Пронумерованные вертикальные линии на рис. 2 соответствуют следующим переходам: 1 - рекомбинационные процессы через основное энергетическое состояния КТ; 2 - рекомбинационные процессы из возбужденных состояний КТ; 3 - рекомбинационные процессы через основное состояние квантовой ямы смачивающего слоя. Значительное размытие спектра фотолюминесценции связано, вероятно, с разбросом КТ по размерам.

Выводы

Таким образом, в настоящей работе продемонстрирована возможность выращивания методом ионно-

лучевой кристаллизации р-/-п-структур GaAs с массивом КТ InAs. На основе результатов фотолюминесцентных исследований и анализа спектральных зависимостей внешнего квантового выхода показан прирост фототока для GaAs р-/-п-структуры с внедренным массивом InAs КТ, в спектральном диапазоне 900 - 1100 нм, обусловленный эффектом пространственного разделения носителей заряда посредством их туннелирования в вертикально-связанных слоях КТ.

Литература

1. Alferov Zh. I. The history and future of semiconductor heterostructures // Semiconductors. 1998. Vol. 32, Is. 1. P. 1 - 14.

2. Andreev V.M., Grilikhes V.A., Rumyantsev V.D. Photovoltaic conversion of concentrated sunlight. N. Y. 1997. 483 p.

3. Luque A., Hegedus S. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Chichester, 2003. 1094 p.

4. Luque A., Linares P.G., Antolin E., Ramiro I., Farmer C.D., Hernandez E., Tobias I., Stanley C.R., Marti A. Understanding the operation of quantum dot intermediate band solar cells// Journal of applied physics. 2012. Vol. 111. P. 044502-1-044502-12.

5. Lunin L.S., Sysoev I.A., Alfimova D.L., Chebotarev S.N., Pashchenko A.S. A study of photosensitive InAs/GaAs heterostructures with quantum dots grown by ion-beam deposition // Journal of surface investigation. X-ray, synchrotron and neutron techniques. 2011. Vol. 5. № 3. P. 559 - 562.

6. Lunin L.S., Sysoev I.A., Alfimova D.L., Chebotarev S.N., Pashchenko A.S. Photoluminescence of i-GaxIn1-xAs/n-GaAs heterostructures containing a random InAs quantum dot array// Inorganic materials. 2011.Vol. 47, № 8. P. 816 -818.

7. Luque A., Marti A., Lopez N., Antolin E., Canovas E., Stanley C., Farmer C., Diaz P. Operation of the intermediate band solar cell under nonideal space charge region conditions and half filling of the intermediate band// Journal of applied physics. 2006. Vol. 99. P. 094503-1-094503-9.

8. Laghumavarapu R.B., El-Emawy M., Nuntawong N., Moscho A., Lester L.F., Huffaker D.L. GaSb/GaAs type II quantum dot solar cells for enhanced infrared spectral response// Journal of applied physics. 2007. Vol. 90. P. 173125-1234115-3.

Поступила в редакцию 19 ноября 2012 г.

Чеботарев Сергей Николаевич - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, лаборатория «Кристаллы и структуры для твердотельной электроники», Южный научный центр РАН. Тел. (8635) 255 459. E-mail: chebotarev.sergei@ gmail.com

Пащенко Александр Сергеевич - канд. физ.-мат. наук, науч. сотрудник лаборатории «Кристаллы и структуры для твердотельной электроники», Южный научный центр РАН. E-mail: [email protected]

Chebotarev Sergei Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, senior Researcher South Scientific Center RAS. Ph. (8635) 255 459. E-mail: [email protected]

Pashchenko Alexander Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, senior Researcher South Scientific Center RAS. E-mail: [email protected]_