CC BY
113
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2006, том 49, №3
ФИЗИКА
УДК 621.315.592
Член-корреспондент АН Республики Таджикистан И.И.Исмаилов, Т.А.Хасанов НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ р-п-ПЕРЕХОДАМИ НА ОСНОВЕ ВАРИЗОННЫХ
ГЕТЕРОСТРУКТУР Са1пРА8ЯпР
Гетероструктуры на InP продолжают привлекать внимание исследователей в плане достижения высокоэффективного преобразования энергии солнечного излучения в электрическую. Сообщается о получении КПД, равном 18%, в солнечных элементах (СЭ) на основе гетероструктур InP/CdS [1]. В настоящее время созданы экспериментальные СЭ на 1пР гомопереходах с эффективностью 15%, фото-ЭДС 0,78 В и с плотностью фототока короткого замыкания 26,5 мА/см [2]. В работе [3] проведен теоретический анализ двухдиапазонного СЭ на основе многослойной гетероструктуры ОаМРАвЛпР. Максимальная расчетная эффективность СЭ составляет 19,5%. При использовании окна в виде тонкого слоя CdS (0,2 мкм) эффективность СЭ можно повысить до 27%. Элементы таких каскадных СЭ были изготовлены и изучены работе [4]. Гетероструктуры ОаМРАв/ЫР и InP/CdS могут быть использованы в качестве узкозонных и широкозонных элементов каскадных СЭ. В СЭ на ОаМРАвЛпР КПД достигал 2,8%, напряжение холостого хода - 0,36 В, а в СЭ на InP/CdS КПД равен 12% и напряжение холостого хода равно 0,77 В.
В настоящей работе представлены результаты исследования варизонных гетероструктур на ОаМРАвЛпР и их использования в СЭ с вертикальными р-п переходами. Ранее в работе [5] на основе этих структур были созданы и исследованы инжекционные гетеролазеры.
Гетероструктуры выращивались методом жидкостной эпитаксии на подложках 1пР р-
18 -3
типа (р ~ 10 см ) с кристаллографической ориентацией (100) в режиме принудительного охлаждения раствора-расплава со скоростью 1^1,2°С/мин. Температура начала роста активного Оа1пРАБ-слоя была 645°С для структуры типа р-1пР - р-Оа1пРАБ - п-1пР, при выращивании которого последовательно выращивался нелегированный слой 1пР толщиной ~ 0,5 мкм, затем нелегированный активный слой Оах 1п 1-х Р 1-у Абу (х ~ 0,09, у ~ 0,20) толщиной ~ 1 мкм и затем верхний эмиттер 1пР, легированный Sn. Толщина верхнего эмиттера составляла 3-4 мкм.
Для выявления границы раздела между слоями из образцов гетероструктур был приготовлен шлиф под углом 0,5-1° к плоскости гетероперехода. Образец со шлифом после оптической полировки обрабатывался селективным химическим травителем состава К0Н:К3[Бе(СКб)]:Н20 = 3:2:25. Микрорентгеноспектрограммы образцов со шлифом снимались на растровом электронном микроскопе РЭМ-100У в ФИАН РФ.
На рис.1 приведены профили распределения элементов Оа и Аб по поверхности эпитаксиальной пленки образца, который имел косой шлиф под углом 0,5° к плоскости гетероперехода. Рентгеновский луч сканировался по поверхности шлифа от подложки до поверхности верхней эпитаксиальной пленки 1пР. В данном образце реальная толщина среднего (активного) слоя благодаря созданию косого шлифа расширена от 1,1 до 120 мкм. Из рис.1 вид-
но, что на гетерогранице со стороны эпитаксиального слоя п-1пР имеется слой переменного (варизонного) состава Оа1пРАБ. Изменение ширины запрещенной зоны ДБё / ДЬ в варизонном слое составляло 0,08 - 0,1 эВ/мкм. Данные, полученные из спектров электролюминесценции для изменения ширины запрещенной зоны Бё в зависимости от толщины среднего излучающего слоя, совпали с данными рентгеновского микроанализа. Толщина варизонного слоя Оа1пРАБ больше, чем толщина однородной части слоя Оа1пРАБ.
Рис.1. Профили распределения компонентов Оа (1) и Аб (2) в активном слое Оах 1п1-х Р1-у Абу по поверхности иголки ДГС с косым шлифом.
На рис.2 представлена схематически энергетическая диаграмма гетероперехода с варизонной переходной областью. При приложении прямого смещения к р-п гетеропереходу носители, инжектируемые п-эмиттером, перемещаются эффективным полем, возникающим вследствие уменьшения Бё от границы слоя объемного заряда до узкозонной части слоя Оа1пРАБ. В СЭ наличие «встроенного» внутреннего тянущего электрического поля ~10 В см способствует тому, что носители, генерированные возле поверхности эпитаксиального слоя п-1пР, уносятся полем к р-п переходу и там разделяются, создавая таким образом дополнительный вклад в фототок.
Рис.2. Схематическая зонная диаграмма ДГС (двойная гетероструктура) Оа1пРА8/1пР с варизонной р-Оа1пРАБ областью.
Спектральная характеристика для данного типа СЭ имеет вид, приведенный на рис.3. Спектральные характеристики являются одними из самых важных характеристик СЭ, так как от них зависит собирание фотонов из солнечного спектра. Спектральные характеристики снимались на дифракционном монохроматоре МДР-23. Источник света фокусировался на вход монохроматора, а на выходе устанавливался измеряемый фотоэлемент, величина фототока которого записывалась на самописец.
* (3, %
1,3 2,0 3,0 /IV, эВ
Рис.3. Спектральная характеристика СЭ на основе варизонной гетероструктуры р-1пР (подложка) - р-ОаТпРЛ8 - п-ТпР.
С целью дальнейшего изучения и использования выращенных гетероструктур была проведена механическая шлифовка пластин со стороны подложки до 200 мкм, нанесены омические контакты с двух сторон с помощью вакуумного напыления металлов (Ли и Рё) и проведен монтаж нескольких образцов диодов для последующего измерения электрических характеристик.
Методика исследований основана на измерении спектральной, вольтамперной, нагрузочной характеристик и измерения коэффициента разделения.
Вольтамперные характеристики измерялись на характериографе ПНХТ-1, а для более точного измерения использовался обычный метод измерения. По вольтамперным характеристикам определялось последовательное сопротивление диодов и напряжение отсечки.
КПД СЭ измерялся под прямым солнцем посредством измерения нагрузочной характеристики и измерения мощности солнечного излучения.
В начальной стадии изучения СЭ отрабатывалась методика воспроизводимости таких параметров гетероструктуры ОаТпРЛв/ТпР, как толщина, планарность, морфология поверхности выращенного слоя с р-п переходом и в зависимости от этого изменения вольтамперной, спектральной и нагрузочной характеристик.
Исследования электрических параметров диодов СЭ проводились по вольтамперным характеристикам. Размеры отдельных диодов были равны 0,8 х 0,5 мм при толщине 200 мкм. Напряжение отсечки было равно ~ 0,76 В. Последовательное сопротивление диодов было в пределах 0,3-0,4 Ом. Минимальное значение последовательного сопротивления батарей СЭ,
состоящих из трех диодов, полученное из вольтамперной характеристики ~ 1 Ом, а напряжение отсечки равно ~ 2,2 В.
Для испытания батареи СЭ был сконструирован, изготовлен и испытан концентратор солнечного излучения на основе стеклянной фокусирующей линзы диаметром 20 см и металлического держателя СЭ, позволяющего плавно фокусировать излучение на поверхность СЭ. Проведенные измерения КПД батареи СЭ на варизонных гетеропереходах GaInPAs/InP с p-n переходами, состоящими из трех последовательно соединенных диодов, при -100-кратной концентрации солнечного излучения дало значение, равное -3,5%. Падающее излучение было параллельно плоскостям p-n переходов.
Физико-технический институт им. С.У. Умарова Поступило 22.01.2006 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Ботарнюк В.М., Горчак Л.В., Диакону В.Ю., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. - ФТП, 1998, т.32, №1, с.72-78.
2. Turner G.W., Fan John C.C., Hsieh J.J. - Appl.Phys.Lett., 1980, v.37, №4, p.400-402.
3. Sakai S., Umeno M. - J.Appl.Phys., 1980, v.51, №9, p.5018-5024.
4. Аллахвердиев А.М., Андреев В.М., Гусейнов И.А., Ивентьева О.О., Исмаилов В.И. - Письма в ЖЭТФ, 1984, v.10, № 1, с.51-55.
5. Шохуджаев Н., Исмаилов И., Файзуллаев А. - Квантовая электроника, 1993, v.20, № 3, с.219-221.
И.ИСМАИЛОВ, Т.А.ХАСАНОВ
БАЪЗЕ ХУСУСИЯТ^ОИ ЭЛЕМЕНТНОЙ ОФТОБИИ ДОРОИ ГУЗАРИШХ,ОИ АМУДИИ P-N ДАР АСОСИ ГЕТЕРОСТРУКТУРА^ОИ
ТАРЙИРЁБАНДАИ GAINPAS/INP
Дар мак;ола тадк;ик;отх,ои хусусиятх,ои электрикй, спектралй ва хусусиятх,ои ко-эффитсиенти амали муфиди (КАМ) батареях,ои элементх,ои офтобии дорои гузаришх,ои амудии p-n дар асоси гетероструктурах,ои тагйирёбандаи GaInPAs/InP-и тавассути эпи-таксияи моеъ парваришшуда оварда шудаанд. КАМ батареях,ои элементх,ои офтобй, ки аз се диоди ба тарик;и пай дар пай дар модули ягона насбшуда иборат мебошанд, дар х,олати консентратсияи 100-каратаи афканиши офтоб ~ 3,5% -ро ташкил дод.
I.Ismailov, T.Hasanov
SOME CHARACTERISTICS OF SOLAR CELLS WITH VERTICAL P-N JUNCTION ON THE BASE OF GAINPAS/INP GRADED-GAP
HETEROSTRUCTURE
The article studies electric and spectrum characteristics and performance of solar cell battery with vertical p-n junction on the base of GaInPAs/InP graded-gap heterostructure grown by liquid epitaxy. The performance of solar cell battery contained 3 diodes assembled in a single module is amounted to ~ 3,5 % under centuple concentration of solar radiation.
