CC BY
27Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области
УДК 621.38
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭПИТАКСИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ*
О. П. Пчеляков, В. В. Преображенский, М. А. Путято, А. С. Дерябин, Л. В. Соколов, А. И. Никифоров, А. К. Гутаковский, Е. М. Труханов, Н. А. Паханов, А. П. Василенко, И. Д. Лошкарёв, Д. И. Феклин, В. М. Владимиров1, А. С. Паршин2
Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 13. E-mail: [email protected] 1ООО НПФ «ЭЛЕКТРОН», РОССИЯ 660036, Г. КРАСНОЯРСК, АКАДЕМГОРОДОК, 50 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. имени газеты «Красноярский рабочий», 31
Анализируются возможности создания высокоэффективных приборов микро-, нано- и фотоэлектроники нового поколения на основе полупроводниковых наногетероструктур GaAs/Si. Проведено сравнение характеристик GaAs солнечных элементов, сформированных на подложках GaAs и Si. КПД гибридного СЭ, изготовленного в ИФП СО РАН, составляет 27 % без концентрации света. Намечены пути оптимизации технологии для дальнейшего улучшения свойств структур с перспективой увеличения КПД свыше 34 %.
Ключевые слова: полупроводники, наногетероструктуры, солнечные элементы, молекулярно-лучевая эпи-таксия, GaAS, Si.
MOLECULAR-BEAM EPITAXY OF THE NANOGEROSTRUCTURES FOR THE HIGH EFFICIENT SOLAR CELLS FOR THE SPACE-SYSTEM ENGINEERING
О. P. Phelyakov, V. V. Preobrazhensky, M. A. Putyato, A. S. Deryabin, L. V. Sokolov, A. I. Nikiforov, A. K. Gutakovsky, E. M. Trukhanov, N. A. Pakhanov, A. P. Vasilenko, I. D. Loshkarev, D. I. Feklin, V. М. Vladimirov1, А. S. Parshin2
A. V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Bracn of the Russian Acadeny of Sciences 13, acad. Lavrent'eva prosp., Novosibirsk, 630090, Russian Federation. E-mail: [email protected]
OOO NPF "Electron" 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarskiy Rabochiy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation
The probabilities of creation of high effective new generation devices of micro-, nano- and photoelectronics based on the semiconductor nano-heterostructures GaAs/Si are under analysis. The comparison of GaAs solar elements characteristics formed on GaAs and Si substrates was carried out. The efficiency of the hybrid solar element created in ISP SB RAS is 27 % without light concentration. The ways of technology optimization for further improving of structures properties with the perspective of efficiency increasing over 34 % are charted.
Keywords: semiconductors, nanogeterostructures, solar cells, molecular-beam epitaxy, GaAS, Si.
Создание, высокоэффективных приборов микро-, нано- и фотоэлектроники на основе полупроводниковых наногетероструктур, состоящих из соединений Ш-У, выращенных на дешевых и прочных 81-подложках, является одной из приоритетных задач современного полупроводникового материаловедения. Решение этой проблемы крайне важно и для развития высокоэффективной фотовольтаики.
Современные высокоэффективные солнечные элементы (СЭ) представляют собой сложные многослойные гетеросистемы с КПД до 45 % при концентрации солнечного излучения в несколько сотен солнц. Они состоят из трех основных р-п-переходов, выполненных из ве, InGaAs, 1пваР, соединенных по-
следовательно туннельными диодами. Поскольку эти материалы совместимы по постоянной кристаллической решетке, гетероструктуры для СЭ на их основе выращиваются в едином ростовом процессе на германиевом р-п переходе-подложке или на арсениде галлия [1-3].
* Работа выполнена при поддержке Программы «Экран» фундаментальных космических исследований РАН, контрактов с РКК «Энергия», ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева, НПФ «Электрон» и ЦНИИмаш, гранта РФФИ 13-02-12114. Анализ структуры образцов проводился на оборудовании ЦКП «Наноструктуры» при финансовой поддержке Минобрнауки России.
Решетневскуе чтения. 2014
Всё большее применение в этом процессе находят нанотехнологии. Мировой рекорд по эффективности солнечных батарей при использовании молекулярной эпитаксии достигнут находящейся в «Кремниевой долине» фирмой Solar Junction [4].
В ИФП СО РАН ведутся работы по созданию высокопроизводительной и недорогой аппаратуры для сверхвысоковакуумной технологии молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур для солнечных элементов с применением космических технологий [5].
Результаты наших исследований показали, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии можно выращивать плёнки GaAs на подложках Si с плотностью прорастающих дислокаций менее 106 см-2 (см. рисунок), что соответствует лучшим мировым достиже-ниям.Проведено сравнение характеристик GaAs солнечных элементов, сформированных на подложках GaAs и Si. Намечены пути оптимизации технологии для дальнейшего улучшения свойств структур GaAs/Si. Обобщая вышеуказанное, можно сделать вывод, что достигнутый к настоящему моменту уровень технологии позволяет получать эффективность отдельного GaAs каскада на неактивной кремниевой подложке (с учетом устранения потерь на отражение R = 30 - 35 %) на уровне 18,5 %. Полученные экспериментальные данные позволили провести оценку характеристик двухкаскадного гибридного солнечного элемента GaAs/Si с зазором, заполненным кремнийорганическим компаундом с показателем преломления 1,5. Оценка проводилась в предположении, что GaAs-модуль имеет просветляющее покрытие. Вклад кремниевого каскада в этом случае составляет 1,94 %. При трехконтактной схеме подключения гибридного СЭ, изготовленного в ИФП СО РАН в рамках настоящего проекта, КПД составляет 27 % без концентрации света и в соответствии с данными, полученными в лаборатории В. М. Андреева, более 34 % при концентрации 200 солнц.
Библиографические ссылки
1. Андреев В. М. Концентраторная солнечная фотоэнергетика // Альтернативная энергетика и экология. 2012. Т. 5-6. С. 40-44.
2. Alferov Zh. I., Andreev V. M., Rumyantsev V. D. III-V Heterostructures in Photovoltaics in Springer Series in Antonio L. Luque Viacheslav M. Andreev Concentrator
Photovoltaic optical sciences Editor-in-Chief: W. T. Rhodes, Atlanta ; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2007.
3. Алферов Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // ФТП. 2004. Т. 38, № 8. С. 937-948.
4. Bill Scanlon. NREL Award-Winning PV Cell Pushes Efficiency Higher Jan 02, 2013. URL: http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2 013/01/award-winning-pv-cell-pushes-efficiency-higher? page=all; URL: http://www.dailyenergyreport. com/ award-winning-pv-cell-technology-pushes-efficiency-higher/.
5. URL: http://lib.isp.nsc.ru/16/.
6. Лаврентьева Л. Г. и др. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / отв ред. А. В. Асеев. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004. С. 41-67.
References
1. Andreev V. М. Koncentratornaya solnechnaya fotoenergetica. alternativnaya energetica i ekoligiya, vol. 5-6, p. 40-44 (2012).
2. Alferov Zh. I., Andreev V. M., and Rumyantsev V. D. III-V Heterostructures in Photovoltaics in Springer Series in Antonio L. Luque Viacheslav M. Andreev Concentrator Photovoltaic optical sciences Editor-in-Chief: W. T. Rhodes, Atlanta, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2007).
3. Alferov Zh.I., Andreev VM., Rumyancev V.D. Tendencii I perspectivy razvitiya solnechnoi fotoenergetici, FTP, v.38, No. 8, pp: 937-948 (2004)
4. Bill Scanlon, NREL Award-Winning PV Cell Pushes Efficiency Higher Jan 02, 2013 <http://www. renewableenergyworld.com/rea/news/article/2013/01/awa rd-winning-pv-cell-pushes-efficiency-higher?page=all> <http://www.dailyenergyreport.com/award-winning-pv-cell-technology-pushes-efficiency-higher/>
5. URL: http://lib.isp.nsc.ru/16/
6. Lavrent'eva L.G. et al. in "Nanotechnology in semiconductor electronics" ed. by Aseev A.L. - Novosibirsk, SB RAS Publishers (2004). p. 41-67 (in Russian).
© Пчеляков О. П., Преображенский В. В., Путято М. А., Дерябин А. С., Соколов Л. В., Никифоров А. И.,
Гутаковский А. К., Труханов Е. М., Паханов Н. А., Василенко А. П., Лошкарёв И. Д., Феклин Д. И., Владимиров В. М., Паршин А. С., 2014
