CC BY
27
Computational nanotechnology
3-2017
ISSN 2313-223X
3. НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА GaAs/AlGaAs СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, «ПРОЗРАЧНЫХ» ЗА ДЛИННОВОЛНОВЫМ КРАЕМ ОСНОВНОЙ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ
Абдукадыров Мухитдин Абдурашитович, д-р техн. наук, профессор Ташкентский университет информационных технологий, e-mail: avaz.tuit@ gmail.com
Ахмедова Нодира Аминджановна, канд. физ.-мат. наук, доцент, Ташкентский университет информационных технологий, e-mail: [email protected]
Ганиев Аброр Саттарович, канд. физ.-мат. наук, доцент, Ташкентский университет информационных технологий, e-mail: [email protected]
Муминов Рамизулла Абдуллаевич, академик АНРУз, Физико-Технический Институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
Аннотация: работа посвящена исследованию тепловых свойств солнечных элементов на основе GaAs/AlGaAs/GaP ге-тероструктур с общей толщиной сильно поглощающего GaAs слоя, не превышающей суммы длины диффузии неосновных носителей заряда и двусторонней контактной сеткой. Показано, что на основе подобных гетероструктур можно реализовать солнечные элементы, работающие в режиме естественно-конвективного теплообмена до 100 кратной концентрации солнечного потока.
Ключевые слова: гетероструктура, твердый раствор, ширина запрещенной зоны, узкозонный полупроводник коэффициент теплопроводности, температурный коэффициент.
THERMAL PROPERTIES OF GaAs/AlGaAs OF SOLAR ELEMENTS «TRANSPARENT» FOR THE LONG-WAVE TERRACE OF THE MAIN ABSORPTION STRIP
Abdukadirov Muhitdin Abdurashitovich, Dr. of sciences, Professor, Tashkent University of information Technologies
Axmedova Nodira Amindjanovna, PhD, Tashkent University of information Technologies, e-mail: [email protected]
Ganiyev Abror Sattarovich, PhD, Tashkent University of information Technologies, e-mail: [email protected]
Muminov Ramizulla Abdullaevich, Academician Uzbekistan Academy of sciences. Physical-Technical Institute, SPA «Physics-Sun» Academy of Sciences of Uzbekistan
Abstract: the work is devoted to investigation of thermal properties of solar cells based on GaAs / AlGaAs / GaP heterostruc-tures with a total thickness of a highly absorbing GaAs layer not exceeding the sum of the diffusion length of minority carriers and a two-sided contact grid. It is shown that on the basis of such heterostructures, it is possible to create solar cells operating in the regime of natural convective heat transfer up to 100 times concentration of the solar flux.
Index terms: heterostructure, solid solution, width of the forbidden band, narrow-band semiconductor thermal conductivity coefficient, temperature coefficient.
Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии при освещении концентрированным световым потоком, как известно, требует наряду со снижением потерь на последовательном электрическом сопротивлении [1], изучение влияния степени концентрации солнечного излучения на их тепловой режим [2].
Данная работа посвящена исследованию тепловых свойств солнечных элементов (СЭ) на основе СаАБ/АЮаАБ гетероструктур (рис.1), полученных методом жидкофазной эпитаксии [3] на монокристаллических подложках пСаР. Несущие кристаллы имели толщину 150...200 мкм и легированы теллуром до концентрации 7.1016...2.1017 см-3, ориентированы в плоскости
<100>. Перед формированием слоя пСаАБ нанесен переходной изотипный слой АЮаАБР. Слой р СаАБ сформирован низкотемпературной диффузией из газовой фазы перед формированием твердого раствора АЮаАБ. Суммарная толщина СаАБ р- и п-типа проводимости в гетероструктуре не превышает 5мкм. В описываемых структурах содержание алюминия составляет 0,65 мол.%, толщина твердого раствора 3 мкм. На лицевую и тыльную поверхности исследованных гетероструктур нанесены симметричные Ш-образные контактные сетки на поверхностном АЮаАБ и тыльном СаР. Расстояние между металлическими полосками 2 мм. Для получения омических контактов в основном использован 1п и N с контактным сопротивлением 10-2 Ом-см2. Структуры СЭ имели площадь 1,0.1,5 см2. Концен-
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА GaAs/AlGaAs СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, «ПРОЗРАЧНЫХ.» ЗА ДЛИННОВОЛНОВЫМ КРАЕМ ОСНОВНОЙ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ
Абдукадыров М. А., Ахмедова Н. А., Ганиев А. С., Муминов Р. А.
трирование солнечных потоков осуществлялись с помощью линз Френеля.
Рис. 1. Структура СЭ «прозрачной» конструкции. 1 - р AlGaAs, 2 - рGaAs, 3 - nGaAs, 4 - nAlGaAsР, 5 - nGaР; 6,7 - омические контакты к слоям п- и р- типа проводимости.
Рассматриваемые СЭ обладают максимальной степенью полезного использования потенциала запрещенной зоны базового полупроводника.
Этот характеристический параметр, при определенной температуре определяемый как отношение максимальной величины напряжений холостого хода Ц« и ширины запрещенной зоны ДЕг, составляет 0,75. Такое свойство СЭ связано спецификой электрических характеристик, а именно низкими значениями темновых токов в области их рабочих напряжений. Зависимости Ыхх. тока короткого замыкания 1кз и коэффициента полезного действия (КПД) р-п перехода от температуры изучены в диапазоне уровня освещенности 80-8000 мВт/см2.
Экспериментальные исследования показали, что температурный коэффициент Цхх в заданном интервале освещенности, имея отрицательное значение, изменяется от (-1,75...1,98)40-3 В/К, тогда как температурный коэффициент 1кз, имея положительное значение, растет от 1,9.10-5 до 2,4.10-5 А/К и зависит от формы спектральной характеристики СЭ. В частности, в структурах, характеристики которых имеют постоянную область фоточувствительности по току в широком спектральном диапазоне, изменение температурного коэффициента весьма слабо. У СЭ, где в спектральной характеристике имеется узкая область постоянной фоточувствительности, наблюдается рост тока с увеличением температуры. Анализы температурного изменения коэффициента полезного действия показали, что при температурах 300-310К данная величина составляет Дп/ДТ = - 0,05 %/К, а при 315...350К Дп/ДТ = - 0,03 %/К.
В диапазоне концентрации солнечного потока 80.250 мВт/см2 происходит рост величины Цхх. В дальнейшем, увеличение освещенности до 8000 мВт/см2 не приводит к изменению Цхх, что свидетельствует об отсутствии существенного нагрева в СЭ.
Как показали проведенные исследования, благодаря малой суммарной толщине сильно поглощающего узкозонного СаДБ слоя и наличия широкозонного СаР с непрямой зонной структурой, поглощение тепловых фотонов в исследованных структурах существенно ослабляется. Это способствует ослаблению роста температуры р-п перехода и улучшению теплового режима СЭ, в результате чего спад КПД смещается в сторону высокой концентрации солнечного потока (рис.2).
Рис. 2. Зависимости КПД от КС для GaAs/AlGaAs СЭ в режиме без специального охлаждения. 1 - известный СЭ с подложкой GaAs; 2 - СЭ c подложкой GaP.
Улучшению теплового режима исследованных СЭ способствует также относительно высокий коэффициент теплопроводности (0,77 Вт/см-К) [4] GaP по сравнению с кристаллами GaAs (0,46 Вт/см-К). Так как, в структурах «прозрачной» конструкции поток тепла в сторону подложки возрастает более чем, в 1,5 раза по сравнению с GaAs СЭ традиционной конструкции, эффективность отвода тепла заметно возрастает.
Результаты экспериментов показывают, что при коэффициенте концентрации Кс = 1.100 относительный рост температуры p-n перехода в исследованных структурах не превышает 90 К, что почти в 2 раза ниже, чем в известных СЭ на основе GaAs. Поэтому, при одинаковом уровне освещенности потери по напряжению и мощности в СЭ «прозрачной» конструкции в 2 раза ниже. Данное свойство СЭ можно улучшить также путем выбора оптимальной ширины структуры.
Проведенные исследования показали, что на основе GaAs/AlGaAs гетероструктур с подложкой GaP можно создать СЭ, работающие в режиме естественно-конвективного теплообмена в условиях воздействия до 100 кратной концентрации солнечного потока.
Список литературы:
1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука.1989. 310с.
2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь. 1990. 312с.
3. Уфимцев Б.Ф., Акчурин Р.Х. Физико-химические основы жидкофазной эпитак-сии. М.: Металлургия. 1983. 211с.
4. Марина Л.И., Нашельский А.Я., Колесник Л.И. Полупроводниковые фосфиды АШВУ и твердые растворы на их основе. М.: Металлургия.1974. 232с.
ОТЗЫВ
на статью авторов Абдукадырова М.А., Ахмедовой Н.А., Ганиева А.С., Муминова Р.А. «Тепловые свойства GaAs/AlGaAs солнечных элементов, прозрачных за длинноволновым краем основной полосы поглощения»
Определение эффективной работы солнечных элементов (СЭ) при преобразовании концентрированных световых потоков требует изучения их теплового режима. Так как, данная работа посвящена экспериментальному исследованию зависимости Vxx, тока короткого замыкания 1кз и коэффициента полезного действия р-n перехода от температуры в диапазоне уровня освещенности 80-8000 мВт/см2 в СЭ на основе GaAs/AlGaAs гетероструктур с широкозонным несущим кристаллом GaP в режиме без специального охлаждения, представляет большой практический интерес.
Исследованные СЭ имеют следующие особенности:
Область сильного поглощения квантов, т.е. общая толщина GaAs р-ип типа проводимости ограничена в пределах суммы длины диффузии электронов и дырок, что резко ограничивает поглощению тепловых фотонов.
В конструкции СЭ применен непрямозонный несущий кристалл GaP с большой шириной запрещенной зоной и высокой теплопроводностью.
Данные особенности СЭ сыграл важную роль в улучшении их теплового режима и создании специально неохлаждамых СЭ для диапазона концентрации солнечного потока до 100 крат.
Данная работа может быть опубликована в журнале «Computational nanotechnology».
Доктор физико-математических наук,
профессор
Имамов Э.З
