Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

Солнечные элементы из арсенида галлия

с гомо- и гетеропереходами

К арсениду галлия с середины 50-х годов, когда начались активные исследования в области фотоэлектричества, привлечено внимание большого числа ученых и инженеров, поскольку в солнечных элементах из этого полупроводникового материала с гомогенным p-n-переходом сразу удалось получить достаточно высокий КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию (η=4÷6 %). Создание p-n-перехода осуществлялось диффузией примеси р-типа — кадмия (впоследствии цинка) — в исходные пластины n-типа.

Несмотря на некоторые недостатки (хрупкость, большая плотность), у арсенида галлия имеются несомненные преимущества перед кремнием. В силу большой ширины запрещенной зоны способность арсенида галлия преобразовывать длинноволновое солнечное излучение ограничена (арсенид галлия поглощает излучение с длиной волны менее 0,9 мкм). Однако это же обстоятельство приводит к существенно меньшим значениям обратного тока насыщения Io=10-9÷10-1°A∕cм2 (в то время как у солнечных элементов из кремния I0=10-6÷10-7 А/см2), что, в свою очередь, дало возможность в настоящее время получить большие, чем у кремниевых солнечных элементов, значения напряжения холостого хода Ux.x (0,7–0,8 В для p-n-перехода в гомогенном материале) и достаточно высокий КПД даже для серийно выпускаемых элементов (10–12 % при измерениях на имитаторах внеатмосферного солнечного излучения). Эти же особенности данного полупроводникового материала обусловливают значительно более медленное падение КПД с ростом температуры, составляющее у солнечных элементов из арсенида галлия 0,25 %/oC (у кремниевых элементов 0,45—0,46 %/°C).

Эти преимущества арсенида галлия были полностью подтверждены в ходе более чем десятимесячной эксплуатации солнечных батарей, снабжавших электроэнергией советские межпланетные автоматические аппараты «Луноход-1, -2», о чем разработчики этих батарей сообщили на Всемирном электротехническом конгрессе в Москве в 1977 г.

Солнечные батареи из арсенида галлия при температуре 130–140oC на поверхности Луны генерировали выходную электрическую мощность, более чем в два раза превосходившую мощность, ожидаемую, по расчетным данным, для кремниевых солнечных батарей в этих условиях. В данном случае было особенно важно иметь высокую эффективность батарей, поскольку решение задачи осложнялось ограниченной площадью, на которой могла быть размещена солнечная батарея (откидная крышка космического аппарата). На радиатор космического аппарата было нанесено зеркальное теплоотражающее покрытие из радиационно стойких стекло-пленок со слоем алюминия или серебра на внутренней поверхности, позволявшее улучшить тепловой режим работы электронной аппаратуры этого автоматического межпланетного аппарата. Отношение интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения αc к интегральному коэффициенту собственного теплового излучения поверхности ε данного покрытия составляло менее 0,2.

В начале и конце лунного дня при малых углах подъема Солнца над лунным горизонтом солнечное излучение, отражаясь от зеркального радиатора, попадало на откинутую крышку космического аппарата. В эти моменты с помощью телеметрической информации было четко зафиксировано увеличение тока солнечных батарей и повышение их температуры от 120 до 140oC. Радиатор использовался одновременно как своеобразный концентратор-отражатель.

Солнечные элементы с p-n-переходом в гомогенном арсениде галлия целесообразно устанавливать на космических аппаратах, направляемых как в сторону Солнца, так и к дальним планетам Солнечной системы. При росте фототока за счет увеличения плотности падающего потока излучения (например, при приближении к Венере или Меркурию) и уменьшении исходного значения обратного тока насыщения I0 температурный градиент мощности элементов может составить 0,15 %/°C, что в три раза меньше, чем у кремниевых солнечных элементов обычной конструкции. Эффективность использования солнечных элементов из арсенида галлия в условиях низкой освещенности (не только в космосе, но и на Земле, например при создании высокочувствительных кино- и фотоэкспонометров, а также малогабаритных солнечных батарей для электронных часов и калькуляторов) тоже связана с малыми значениями Iо, крутой люкс-амперной характеристикой, резким ростом Ux.x и напряжения нагрузки при небольшом увеличении потока излучения в области весьма низкой освещенности (от нескольких единиц до десятков люкс).

Следует сказать, что основные пути усовершенствования солнечных элементов с р-n-переходом в гомогенном кремнии и арсениде галлия практически совпадают: дальнейшее уменьшение глубины залегания p-n-перехода до значений 0,1–0,2 мкм; увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовом слое; использование встроенных электростатических тянущих полей и дополнительных изотипных барьеров и p-n-переходов; оптимизация контактной системы, особенно для работы в условиях концентрированных световых потоков, создаваемых с помощью параболических зеркальных отражателей или плоских линз Френеля на основе прозрачного сравнительно светостойкого акрилового пластика.

Для созданного в лаборатории солнечного элемента из гомогенного арсенида галлия с мелкозалегающим p-n-переходом получено η=21,1 % при освещении солнечным излучением со спектром наземного Солнца в условиях AM1 (степень концентрации 24) и η = 16,9 % (степень концентрации 325). При однократном потоке солнечного излучения со спектром AM1 и температуре 80o C для такого элемента характерны следующие значения параметров: η=15,4 % и Ux.x=0,97 В. Компоненты, образующие полупроводниковый материал арсенид галлия, входят еще в целый ряд двойных, тройных и четверных полупроводниковых соединений с близкой к арсениду галлия постоянной кристаллической решетки, но различной шириной запрещенной зоны, зависящей от химического состава соединения. Тем самым открывается возможность образования на поверхности солнечных элементов из гомогенного арсенида галлия слоя другого полупроводникового соединения и создания эффективного гетероперехода, причем в силу близости постоянных решетки контактирующих материалов в таком гетеропереходе будут отсутствовать механические напряжения и рекомбинационные центры. В то же время плавное изменение химического состава и, следовательно, ширины запрещенной зоны Eg по глубине верхнего слоя гетероперехода позволяет создать так называемую варизонную структуру. Можно, например, получить структуру, в которой значение Eg у поверхности велико и уменьшается в глубину, — оптимальный случай для элементов, преобразующих солнечное излучение, поскольку высокоэнергичные фотоны ультрафиолетовой или коротковолновой видимой областей излучения Солнца поглощаются в самых верхних слоях элементов.

Такие гетероструктуры служат не только для изменения (как правило, расширения) спектральной чувствительности; они позволяют создавать в солнечных элементах из арсенида галлия значительные тянущие электростатические поля как за счет градиента распределения легирующей примеси по глубине элемента (что является единственно возможным способом получения тянущих полей в случае кремниевых солнечных элементов), так и за счет градиента ширины запрещенной зоны полупроводника.

Один из наиболее простых и оригинальных технологических приемов создания такой плавной варизонной структуры на поверхности солнечного элемента из арсенида галлия был разработан советскими авторами еще в середине 60-х годов. При этом для получения структуры использован не метод жидкостной или газовой эпитаксии, а хорошо отработанная техника термодиффузии. Для изготовления солнечного элемента применяли пластинку из арсенида галлия n-типа с концентрацией носителей Nn=1÷5×1017 см-3, в которой путем термодиффузии фосфора в эвакуированной кварцевой ампуле (остаточное давление 10-6 мм рт. ст.) при температуре выше 900o C создавались поверхностный слой фосфида галлия и