автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Исследование каскадных солнечных элементов и высоковольтных фотопреобразователей на основе GaAs-AlGaAs

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ФЙЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ иы. C.B.СТРАДУБИЕВА НПО " ФИЗИКА - СОЛНПЕ " ии. С.А.АЗИМОВА

На правах рукописи

ХРАИШАТ ИЯД С Л А И M А H

ИССЛЕДОВАНИЕ КАСКАДНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ gaAS - ALGAAS.

специальность 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергии и установки на их основе

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

ТАШКЕНТ

I Э 9 6

Работа выполнена в Физико - техническом институте гад. С. В. Страдубцева НПО "Физика - Солнце" им. С. А. Азимова АН РУз.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: - Член корр. АН РУз, доктор физико-

латеязшнеских наук, профессор

Р. А.МУМИНОВ

- доктор фазшю-лшелатичесних наук

Ф.А.АХМЕДОВ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:- Член корр. АН РУз, доктор физико-

лателашчесиих наук, профессор

А.Т. НАМАДАЛИМОВ

- Кандидат физино - жтежвгшесних наук, доцент Х.К. АРЙПОВ

ведущая организация: - ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ АН РУз

Защита состоится « ХН..... .1996г. в ЙГ. часов на

заседании специализированного совета Д 015.08.01 при Физико -технической институте им. С. В. Страдубцева НПО "Физика - Солнце" ии. С. А. Азимова АН РУз. 700048, г. Ташкент, ул. Г. Мавля-нова, 2Б, НПО "Физика-Солнце" АН РУз.

С диссертацией иохно ознокониться в библиотеке Физико -технического института им. С. В. Страдубцева НПО "Физика -Солнце" им. С. А. Азшгова АН РУз.

Автореферат разослан « и\ »

.1996г.

Ученый секретар специализированного ^у /

совета, д.ф. - и.н. ¡^^ЖИУ АХМЕДОВ

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Прямое преобразование солнечной энергии в

электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) выгодно отличается от других способов преобразования. Это справедливо как с точки зрения неисчерпаемости солнечной энергии, так и с экологической. Для создания высокоэффективных СЭ необходимо разработать новые технологические способы получения СЭ с высокой воспроизводитель ностью, а также совмещения в одном приборе широкой области спектральной чувствительности с низким внутренним сопротивлением. Кроме этого необходимо уменьшить тепловые потери возникающие при поглощении коротковолновых квантов излучения. Одним из путей уменьшения указанных потерь является каскадирование различных солнечных элементов, выполненных на основе различных полупроводниковых материалов. Однако из-за заметного различия в ширинах запрещенных зон известных полупроводников каскад солнечных элементов выполненный на их основе необеспечивает существенного уменьшения вышеупомянутых потерь. Поэтому имеется необходимость в разработке единокриста-ллического каскадного фотопреобразователя (ФП) с малым различием в энергетических зазорах между элементами каскада. Это требует применения сложных технологических приемов позволяющих формировать необходимые слои из непрерывного ряда твердых растворов с возможностью регулируемо изменять ширину запрещенной зоны в наперед заданных пределах. Этим требованиям отвечают йаАэ и твердые растворы ИСаАй на его основе. СаАв является самым оптимальным по ширене запрещенной зоны полупроводникнвым материалом для изготовления высокоэффективных солнечных элементов. Подтверждением этого можеть служить то, что самые высокие КПД преобразования были получены у солнечных элементов на основе гетеросистемы ОаАз - АЮаАз. Однако, достигнутые результаты не являются предельными и есть возможность дальнейшего усовершенствования конструкций СЭ и технологических методов изготовления структур ФП, что требует проведения дальнейших исследовательских работ в этом направлении.

Другая область преобразования солнечного излучения связана с использованием высоковольтных ФП. Высоковольтные ФП состоящие фактически из гальванически связанных отдельных элементов, но

на основе единого материала характеризуются высоким значением удельного выходного напряжения снимаемого с единицы площади, что делает их удобными для практического применения в различных областях науки и техники. Существующее разработки высоковольтных ФП неудовлетворякгг возросшим требованиям современной науки и техники, прежде всего, значениями темновых токов, неспособностью работать при низких уровнях освещенности, а также при повышенных температурах. Поэтому на данном этапе стоит задача разработки высоковольтных ФП отвечающие вышеуказанным требованиям. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют ФП на основе GaAs и AIGaAs. Основным фактором в решении указанной задачи является возможность использования изолирующей подложи из GaAs, которая играет роль не только как изолятор между отдельными элементами, но и как основа всей структуры ВФП создаваемой на этой подложке. Кроме того, GaAs и AIGaAs являясь широкозонными материалами обеспечивают устойчивую работу при высоких уровнях температур и радиации. Из всего вышесказанного становится очевидной актуальность выбранной темы диссертационной работы.

Цель и задачи работы являются разработка научно-технологических основ получения новых высокоэффективных каскадных СЭ и высоковольтных ФП на базе многослойных структур в системе GaAs-AlGaAs. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработка новой конструкции ФП с внутрикристаллическим соединением элементов в каскад;

- определение условий формирования многослойных структур с гетеропереходами и варизонными слоями в едином технологическом процессе ;

- определение технологических условий формирования рабочих переходов отдельных элементов составляющих каскад;

- исследование квантовой эффективности элемента с вари-зонным верхним слоем из AIGaAs;

- исследование возможности достижения максимальной эффективности преобразования каскадного ФП с учетом разделения спектрального состава солнечного излучения на энергетические полосы поглощаемые в отдельных элементах каскада;

- разработка высоковольтного фотопреобразователя с верхним

варизонным слоем и вертикальными переходами;

- разработка и исследование высоковольтных ФП с вертикальным и горизонтальным совмещением рабочих р-п переходов;

- комплексные исследования электрических, фотоэлектрических и спектральных характеристик разработанных приборов.

Научная новизна:

-Показаны научно-обоснованные физические принципы работы' многослойных полуповодниковых структур, позволяющх создать эффективные фотопреобразователи различного назначения на основе гетеросистемы СаАв - АЮаАз;

- Впервые на основе оригинальной конструкции были разработаны и исследованы монолитные каскадные ФП с варизонным верхним слоем из АЗЛаАз;

- Экспериментально показана возможность оптимального регулирования разделения спектра солнечного излучения между элементами каскада для увеличения доли преобразуемой энергии более широкозонными элементами и таким образом уменьшения шунтирующего влияния элемента с наименьшим ихх;

- Исследована роль варизонного слоя в каскадных ФП в увеличении коротковолновой чувствительности и показаны преимущества таких элементов при работе в космическом пространстве;

- Впервые экспериментально установлена независимость КГЩ преобразования фотопреобразователей с варизонным верхним слоем и вертикальными р-п переходами от спектрального состава солнечного излучения; ^

- Впервые разработана оригинальная конструкция высоковольтного ФП с вертикальным и горизонтальным расположением рабочих р-п переходов;

- Впервые предложен технологический способ улучшающий коротковолновую чувствительность ФП с варизонным верхним слоем и вертикальными р-п переходами.

Основные защищаемые положения:

I. При параллельном соединении составляющих каскад элементов необходимо создание условий позволяющих снижение внутренних сопротивлений широкозонных частей каскада с тем, чтобы получить максимальное значение и общего каскада. Другими словами необ-

ходимо создать условия большого освещения широкозонных элементов, чем узкозонных, с тем, чтобы обеспечить минимальное воздействие элемента с наименьшим значением и^ на общее и^ целого каскада. Это достигается подбором ширины запрещенных зон слоев элементов каскада с учетом реального спектра солнечного излучения;

2. Последний верхний элемент каскада желательно выполнить из варизонного слоя, Ед которого увеличивается к освещаемой поверхности. Формирование последнего слоя варизонным за счет благоприятного действия квазиэлектрического поля кристаллической решетки на генерируемые носители позволит резко уменьшить поверхностную рекомбинацию, увеличить Ъа неосновных носителей генерирующих в поверхностном слое и заметно поднять коротковолновую чувствительность и в итоге увеличить КПД в целом каскадного элемента;

3. Вертикальные, по отношению к освещаемой поверхности, расположение рабочих р-п переходов из-за выхода на поверхность заметно увеличивает коротковолновую чувствительность прибора. Вертикальное расположение р-п перехода в варизонном слое обеспечивает постоянство квантовой эффективности, практически, для всех длин волн в солнечном спектре имеющих энергию большую чем Ед самой узкозонной части варизонного слоя. Благодаря этому обеспечивается независимость КПД преобразования фотоэлемента от спектрального состава солнечного излучения. Увеличение полезной площади вертикально расположенных р-п переходов и соответственно рост фототока достигается за счет плотности линий р-п переходов на единицу освещаемой поверхности;

4. Рост коротковолновой чувствительности при одновременном сохранении высокой эффективности в длинноволновой области за счет наличия горизонтального р-п перехода у основания варизонного слоя делают такие ФП перспективными для использования их для широкого применения в космическом пространстве, высокогорных местностях и т.д. Совмещение вертикальных и горизонтальных рабочих р-п переходов в единой структуре ФП возможно при наличии гальванически разделяющих полосках на полуизолирущей подложке;

5. Для достижения малой плотности поверхностных дефектов при формировании р-п перехода методом диффузии процесс терми-

ческой диффузии цинка осуществляется через буфферный СаАя слой. Такая технология формирования вертикальных р-п переходов в варизонном слое обеспечивает квантовую эффективность достигающей до 0,3 при длинах волн падающего света А. и 350 + 400 нм.

Практическая ценность. Все разработанные фотоэлементы как

каскадные солнечные элеменеты, так и высоковольтные фотопреобразователи имеют большое значение как источники энергии для ряда потребителей находящихся вдали от традиционных источников питания. Каскадные солнечные элементы благодаря перспективности достижения предельных эффективностей преобразования могут существенно уменьшить стоимость вырабатываемой электрической энергии и тем самым обеспечить широкое внедрение таких приборов в народное хозяйство. Варизонный верхний слой в каскадном солнечном элементе позволит заметно поднять коротковолновую чувствительность и в связи с этим открывает большие возможности использования таких фотопреобразователей, в частности в регионах расположенных высоко над уровнем моря. Высоковольтные фотопреобразователи с вертикальными р-п переходами позволяют получать достаточно высокие плотности удельного выходного напряжения достигающего более 100 Вольт с единицы площади - 1см2. Поэтому открываются большие возможности миниатюризации независимых источников питания для микроэлектронных приборов. С другой стороны фотопреобразователи с варизонным верхним слоем и вертикальными р-п переходами показывают независимость КПД преобразования от спектрального состава солнечного излучения. Поэтому такие фотопреобразователи показывают одинаковую эффективность в течении всего светового дня. Кроме того разработанные фотопреобразователи на основе СаАз - АЮаАз благодаря большей ширины запрещенной зоны по сравнению с обладают более высоким температурным пределом эффективной работы, что позволяет более широкое использование таких приборов в различных условиях эксплуатации.

Полученные научные результаты по настоящей работе могут быть основой для дальнейших исследований по разработке высокоэффективных фотопреобразователей на основе йаАз - А1СаАз. Разработанное решение внутрикристаллического соединения элементов в каскад позволит в недалеком будущем создать фотопреобразсва-

тели с эффективностью близкой к предельным значениям.

Результаты работы могут быть использованы на предприятиях электронной промышленности (ПО "Фотон", НПО "Зенит" и т.д.) и в ряде отраслей народного хозяйства (Мин.Связи, Мин.Энерго, Гос.Ком.Природы и т.д.), а также в Иордании в решении вопросов энергообеспечения бытовых нужд и сельхоз производств.

Публикации я доклады. Материалы диссертационной работы

опубликованы в ?~ми научных работах и доложены:

- в Международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков" - Ташкент, 1995.

- в научно практической конференции посвященной 600 летию Мирзо Улугбека. г.Гулистан, 1994 г.

- в международном симпозиуме по сложным полупроводникам, г.Санкт-Петербург, 1998 г.

- на семинарах лабораторий полупроводникового направления Физико-технического института АН РУз.

Структура и объем диссертации. Работа по своей структуре

состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет I5Q страниц, из них 100 страниц машинописьного текста, 2 таблицы и 40 рисунков, на 38 страницах, и список литературы из 105 наименований на 12 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность исследования высокоэффективных СЭ полученных на основе гетеросистемы Gaás - ÁlGaAs. В нем же приведены научная новизна, практическая ценность и сформулированы цель работы и основные научные положения выносимые на завдту.

Первая глава носит обзорный характер и состоит из пята параграфов, в которых рассматриваются электрофизические свойства и конструкции некоторых СЭ полученных на основе GaAs.

§1.1. имеет вступительный характер, где приводятся некоторые данные из истории развития фотоэлектрического преобразования световой энергии в электрическую полупроводниковыми

солнечными элементами.

В 1.2. рассматривается принцип работы простого полупроводникового солечного элемента (СЭ)с одним р-п переходом и его конструкционное оформление в виде прибора.

В 1.3. приводятся основные характеристики солнечных элементов, по которым определяется класс солнечного элемента, условия и область его применения, а также обсуждения этих характеристик.

В 1.4. приводятся разновидности СЭ, где обсуждаются их преимущества и недостатки как с экономической точки зрения, так и технологическойРассмотрено состояние разработок к настоящему времени в области преобразования солнечной энергии.

В 1.5. исходя из приведенных литературных данных, сформулирована постановка задачи исследования. Она заключается в разработав высокоэффективных каскадных и высоковольтных ФП на основе многослойной гетероструктуры баАз - А1СаАз.

Вторая глава диссертационной работы носит характер описания технолгических методов получения структур солнечных элементов совмещением методов жидкофазной эпитаксии и диффузии цинка из газовой фазы, путей формирования этих полученных структур в виде готового прибора.

В 2.1. описывается метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЗ) получения структур исследуемых полупроводниковых солнечных элементов и приводятся его преимущества.

В 2.2. приводится установка получения структур исследуемых полупроводниковых солнечных элементов методом жидкофазной эпитаксии и газофазной диффузии 2п, а также конструкции кассет для выравдвания многослойных структур и проведения диффузии цинка из газовой фазы.

В 2.3. показывается технологические операции и маршрут получения многослойных структур солнечных элементов и формирования их в виде готового прибора.

В 2.3.1. приводятся некоторые проблемы возникающие при получении структур СЭ с тонкими слоями йаАз и АЮаАз и методы их решения, в частности закорачивание р-п перехода металлом омического контакта вследствие наличия "микропроколов" в эпитак-сиально выращиваемых слоях. С целью сохранения высоких параметров СЭ с такими "проколами" предлагается способ термообработки

структур в атмосфере паров цинка перед нанесением металла омического контакта.

В 2.4. приводится способ создания структур СЗ совмещением методов 1ФЭ и диффузии цинка из газовой фазы. Приводятся преимущества метода газофазной диффузии цинка при получении р-н переходов и способ его проведения с помощью квазизамкнутой графитовой кассеты пенального типа. Показывается, что глубина залегания р-п перехода полученного таким способом зависит не

только от времени как ЦТ, температуры проведения процесса, но и от уровня легирования исходного материала.

В 2.5. приводятся методы получения омических контактов, технологические операции и пути их формирования.

В 2.5.1. приводятся особенности применения метода фотолитографии при изготовлении многослойных структур ФП, а также установка для проведения процесса фотолитографии и последовательность его этапов.

Третья глава посвящена разработке, изготовлению и исследованию многослойных каскадных СЭ на основе гетеропереходов в системе СаАя - АЛХЗаАз.

В 3.1. рассматриваются конструкционные особенности трех-каскадного ФП в монолитном виде. Приводится структура трехкас-кадного ФП с параллельным внутрикристаллическим соединением составных элементов.

В 3.1.1. приводятся способы межэлементного соединения в каскадных структурах. Приводятся преимущества параллельного соединения рабочих р-п переходов в каскадном ФП, а также описывается конструкция трехкаскадного ФП с верхним широкозонным "окном", где элементы составляющие каскад внутрикристаллически соединены между собой параллельно. Она имела вид: п-СаАв -гИЗаАз - П-А10>1аа0>эАз - п-СаАз - р-АЛ-^^ - п-АЛ^Са^Аз - р-А^й^Ав'- р-А1чаа1_С1Аз.

В 3.1.2. описывается технология изготовления трехкаскадного ФП с верхним широкозонным "окном" на основе гетеросистемы йаАз - АЮаАз. Она состоит из двух этапов. На первом этапе выращиваются слои: п-СаАз; п-СаДя(буфферный слой); п-А1хаа1_хАз (изотипный гетеропотенциальный барьер для ННЗ); п-ЧаКБ (базовый слой первого элемента); р-А1у0а1_уАв (эмиттер первого элемента

и база второго элемента). После чего химическим травлением используя метод фотолитографии вскрываются пятачки под коммутирующее каналы слоев n-GaAs нижнего и n-Al^Ga^ _2Аз верхнего элементов. На втором этапе вырашивакггся слои: n-Al^Ga^As (эмиттер второго и база третьего верхнего элемента); p-AILGaL_tAs (эмиттер третьего верхнего элемента); p-MqGa^As (широкозонное "окно"). После чего на поверхность образца наносится слой S102. Затем методом фотолитографии в слоях S102 и p-AlqGa1_qAa' вскрываются участии под коммутирующие канавки, где будут осаждаться фронтальные омические контакты. Применяя диффузии цинка в эти канавки производится параллельная коммутация эмиттерных слоев p-AlyGa1_yAs и p-AltGa1_tAs нижнего и верхнего элементов каскада.

В 3.2. приводятся и обсуждаются результата исследований основных характеристик трехкаскадных ФП с верхним широкозонным "окном". В этой структуре общая ЭДС каскада будет определяться от внутренных сопротивлений элементов каскада и при условии их равенства она выражается'в следующем виде:

V V + Еп

Е = ---

II

Отсюда видно, что в этом случае общая ЭДС будет больше Е^, т.е. суммарное выходное напряжение будет больше напряжения генерируемого самым узкозонным элементом. При освещении такого КФП единичным солнечным излучением (85 мВт/см2) получены следующие результаты: U = 1,02 В; = 23,4 мА/см3; Р? = 0,74; т) = 20,8%. Полученное значение Uxx заметно больше чем Uxx солнечного элемента с одним р-n переходом на основе GaAs, т.е. общая фото-ЭДС каскадного ФП больше чем фото-ЭДС самого узкозонного элемента.

В 3.3. рассматривается конструкция трехкаскадного ФП с верхним варизонным сдоем, которая имеет вид: n-GaAs - n-GaAs -п-А1ол Ga^gAs - n-GaAs - p-Al^Ga^^ _yAs - n-AlzGa1_zAs -p-AltGa1_tÂ3 - p-AlqGa1_qAs (q = 0,38 * 0,86). Такая структура отличается от структуры с широкозонным "окном" тем, что ее верхний слой является варизонным, в котором ширина запрещенной зоны увеличивается по направлению к поверхности. В такой структуре многослойные элементы каскада уменьшают потери связанные с генерацией "горячих" носителей тока, а верхний варизонный слой

улучшает преобразование коротковолновых квантов.

Здесь также приводится технологический маршрут изготовления такого КФП. Методика получения слоев структуры такая же как и у трехкаскадного КФП с верхним широкозонным "окном", отличием в этом случае является технология выращивания варизонного слоя, которая проводится с помощью специальной кассеты пенально-порш-невого типа.

В 3.4. приводятся и обсуждаются результаты исследований трехкаскадного ФП с верхним варизонныы слоем. Исследование световой ВАХ трехкаскадного КФП с верхним варизонным слоем показало, что такой КФП имеет следующие характеристики: напряжение холостого хода Uxx « 1,03 В; ток короткого замыкания 1КЗ » 24,9 мА/см2; фактор заполнения ВАХ К? « 0,74- и при этом КПД г) « 22,3%. Эти результаты показывают заметный рост фототока и напряжения холостого хода такого КФП. Это является следствием благоприятного влияния варизонного верхнего слоя.

Исследована спектральная характеристика такого КФП в зависимости от значения воздушной массы. Показано, что этот ФП эффективно работает, когда в общем энергетическом потоке преобладают коротковолновые кванты. Его коротковолновая чувствительность простирается до 350 нм и менее благодаря применения варизонного слоя. Здесь также для сравнения был исследован СЗ с одним р-n переходом и широкозонным "окном". Показано, что его эффективность уменьшается тогда, когда увеличивается доля коротковолновых квантов в общем энергетическом потоке.

Четвертая глава посвящена разработке, изготовлению и исследованию монолитных высоковольтных ФП на основе гетеросистемы GaAs - AlGaAs. Конструктивно все структуры полученных ВДП состоят из восьми последовательно соединенных единичных солнечных элементов, расположенных на единой монолитной подложке, изолированные друг от друга и выглядет как миниатюрная солнечная батарея.

В 4.1. приведена конструкция ВФП с вертикально расположенными р-n переходами в варизонном слое. Она имеет следующую структуру: n-GaAs - n-AJ^Ga^^As - n-GaAs - n-AlyGa1 _yAs.

В 4.I.I. описывается технологический маршрут изготовления ВФП с вертикально расположенными р-n переходами в варизонном слое. Такой ВФП получается совмещением методов ЖФЭ и диффу-

эии цинка из газовой фазы. Для этого на полуизолирующей подложке СаАэ с р » 108 Ом-см последовательно выращиваются слои п-А1хСа1_хАз, п-ааАэ, п-А1уаа1_уАэ, п-СаАБ. Затем осаждается слой ЗЮг. После проведения диффузии цинка селективным травлением удаляются слои ЗЮ2 и п-СаАз, играющие роль масок при диффузии цинка. Затем методом анодного окисления определяют участки п- и р- типов проводимостей с целю совмешения рисунков фотошаблонов в процессе фотолитографии. После проведения фотолитографии селективным травлением удаляется слой АЗ^Са^Аз в местах открытых фотолитографией под омические контакты. Омические контакты получены термовакуумным напылением хрома (Сг) и сплава золота с германием (Аи+йе) и отожжены при температуре 350°С в течение 10 мин.

В 4.1.2. приводятся и обсуждаются результаты исследований ВФП с вертикально распложенными р-п переходами в варизонном слое. Такие ВФП показали следующие результаты: напряжение холостого хода ихх »6,8 В; ток короткого замыкания 1КЗ и 110 мкА и фактор заполнения РР « 0,57. Такое низкое значение фактора заполнения связано, скорее всего, с заметно большим переходным сопротивлением металл-АКаАБ, так как другие компоненты последовательного сопротивления прибора должны иметь малое значение сопротивления.

Исследования спектральных характеристик таких ВФП показали их высокую коротковолновую чувствительность. Особенно эффективны структуры, полученные с применением арсенид галлиевой маски перед диффузионным процессом. Такие ВФП показали, относительное постоянство КПД от времени дня, потому что при вертикальном, по отношению к освещаемой поверхности расположении р-п переходов в варизонном верхнем слое эффективность преобразования мало зависит от вида спектрального состава квантов излучения Солнца на поверхности Земли. Для того, чтобы поднять фототок и в целом КПД структуры необходимо увеличить площадь р-п перехода приходящийся под прямой угол к направлению распространения квантов излучения.

В 4.2. приводятся конструкция и технологический маршрут изготовления ВФП с рабочими переходами, сочетающе вертикальное расположение р-п переходов в варизонном и горизонтальное расположение в базовом слоях. Структура такого ВЫ! создавалась

совмещением методов 1ФЭ с диффузией цинка из газовой фазы. Она состоит из следующих слоев: 1) СаАв (полуизолирующая подложка, с р~108 Ом-см); 2) р-СаАз (базовый слой); 3) п-А^Ое^ _хАз (варизонный слой).

В 4.3. приводятся и обсуждаются результаты исследований фотоэлектрических и спектральных характеристик ВФП с рабочими переходами, сочетающие вертикальное расположение р-п переходов в варизонном и горизонтальное расположение в базовом слоях. Сравнительный анализ спектральных характеристик ВФП, сочетающих вертикальные р-п переходы с горизонтальными, с характеристиками ВФП только с вертикальными р-п переходами показал, что вклад горизонтального р-п перехода в квантовую эффективность оказался заметно большим, особенно в тех областьях длин волн, которые поглощаются в объеме варизонного слоя. Квантовые эффективности в области коротких волн близки. Это свидетельствует о малом влиянии квазиэлектрического поля кристаллической решетки варизонного слоя на генерируемые носители в приповерхностном слое. Исследование фотоэлектрических характеристик вновь разработанных ВВП показало существенный рост фототока по сравнению с элементами имеющими лишь вертикальные р-п переходы. Их параметры были следующими: « 2,2 мА/см2, ихх « 6,8 В, при этом т) « 12%.

В конце каждой главы приводятся выеоды к этим главам.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ.

- Одним из основных видов потерь при фотоэлектрическом преобразовании солнечного излучения являиггся тепловые потери, связаннные с генерацией "горячих" носителей тока. Для снижения этих потерь и в связи с тем, что спектр солнечного излучения имеет непрерывный ряд энергий квантов излучений в достаточно широком диапазоне показана целесообразность каскадных структур СЗ составленных из различных полупроводниковых материалов с различным значением Ед. При этом необходимо иметь единокристап-лический каскад элементов охватывающий достаточно широкий диапазон энергий;

- Установлено, что формирование последнего верхнего элемента каскадной структуры на основе варизонного слоя позволит заметно увеличить коротковолновую чувствительность ФП;

- Показано, что использование оригинальных разработанных

конструкций кассет позволяет создавать многослойные структуры со сверхтонкими слоями и управляемые варизонные слои. Именно использование такой кассеты с тонким зазором (500 мкм) и снижение температуры кристаллизации до уровня 500'С позволили получение совершенных и тонких (0,15 мкм) слоев тверда растворов А10аАз;

- Показано, что использование метода анодного окисления баАз и А1СаАБ в ряде случаев оказывается единственно возможным способом для определения толщин сверхтонких слоев и глубин проникновения примесей. Кроме того, собственный окисел СаАл или АЮаАз обеспечивает просветление освещаемой поверхности;

- Созданные трехкаскадные ФП на основе гетеропереходов в системе СаАз - МйаАв показали следующие результаты (освещенность - 85 мВт/см2 (АМ1.5)):

а) трехкаскадный ФП с верхним широкозонным "окном"- напряжение холостого хода и = 1,02 В,, ток короткого замыкания 1=

О ЛА К.О

23,4 мА/скг, фактор заполнения ВАХ РР= 0,74; КПД 7) = 20,8%.

б) трехкаскадный ФП с верхним варизонным слоем: напряжение холостого хода ихх » 1,03 В; ток короткого замыкания ^ « 24,9 мА/см2 ; фактор заполнения ВАХ РР « 0,74; КПД т) и 22,3 %. Высокая коротковолновая чувствительность достигающая значения 0,3 - 0,4 при длине волны 400 нм разработанных элементов позволяет надеятся на их успешное применение в космических аппаратах и в качестве датчиков ультрафиолетового излучения. Для улучшения достигнутых результатов по основным параметрам каскадного ФП необходимо оптимизировать, кроме описанных выше значений ширины запрещенных зон слоев отдельных элементов, толшины и уровни легирования как базовых, так и эмиттерных слоев элементов каскада для того, чтобы уменьшить как омические, так и физические потери связанные с рекомбинационными процессами. Достижение близкой к предельной эффективности преобразования возможно на основе многослойных структур с предложенной конструкцией и малыми ступеньками ширин запрещенных зон смежных слоев, образующих элементы каскада;

- Разработанные ВФП на основе GвAз - АЮаАз с верхним варизонным слоем и вертикальными р-п переходами обладают необходимым фото-ЭДС и фототоком для широкого их использования во многих областях науки и техники. Квантовая эффективность разра-

ботанных элементов, достигающая значения 0,3 - 0,4 при длине волны 400 нм делает такие Ш перспективными датчиками для ультрафиолетового излучения.

- Впервые разработаны ВФП, сочетающие вертикальное расположение р-n переходов в варизонном и горизонтальное их расположение в базовом слоях. Параметры разработанных элементов были следующими: 1к 3= 2,2 шА, Uxx= 6,8 В . rj= 12Ж .Такая конструкция ВФП позволила существенно увеличить фототок, и тем самым энергетический выход прибора, и открыла большие возможности их использования не только как фотоприемников ультрафиолетового диапазона, но и как источников энергопитания ряда различных маломощных потребителей;

- на основе проведенных исследований можно сделать вывод, что реализация фотопреобразователей солнечной энергии с эффек-тивностями близкими к теоретическому пределу преобразования является возможным в недалеком будущем.

Материалы, отраженные в диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ахмедов Ф.А., Муминов P.A., Савдов A.C., Кутлимратов А., Храйшат И.С. Трехкаскадные фотопреобразователи на основе гете-росистемы GaAs - AlGaAs.// Гелиотехника, 1994, № 2, стр. 14.

2. Ахмедов Ф.А., Кутлимратов А., Храйшат И.С. Высоковольтные фотопреобразователи с варизонным верхним слоем и высокой коротковолновой чувствительностью. // Гелиотехника, 1994, № 6, С.10.

3. Ахмедов Ф.А., Кутлимратов А., Храйшат И.С. Высокоэффективные трехкаскадные фотопреобразователи, полученные на основе гетеросистемы GaAs - AlGaAs. / Тезисы докладов на научно практической конференции посвященной 600 летаю Мирзо Улугбека, г.Гулистан, 1994 г., -С.167.

4. Ахмедов Ф.А., Кутлимратов А., Храйшат И.С. Трехкаскадные фотопреобразователи с варизонным слоем на основе гетеросистемы GaAs - AlGaAs. / Тезисы докладов на международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков", г. Ташкент, 1995, -С.98.

5. Ахмедов ФЛ., Кутлимратов А., Храйшат И.С. Высоковольтные фотопреобразователи сочетающие вертикальное расположение р-n переходов в варизонном и горизонтальное в базовом слоях.

//Гелиотехника,1996,№ З.-С.ЗО.

6. Ахмедов Ф.А., Муминов Р.А., Кутлимратов А., Пайзиева Д.Э., Храйшат И.С., Исследование эффективностей преобразования различных структур СЭ от спектрального состава солнечного излучения. // Гелиотехника, 1996, № 4, -С.

7. Akhmedov p., Kutllmratov A., Hrayshat I. High-voltage photocells with graded hand gap layer on GaAs - AlGaAs base. / 23 th International Symposium on Compound Semiconductors. St Petersburg Russia, September 23-27, 1996, -?. 4.

GaAs - AlGals АСОСИДАГИ КАСКАДЛИК КУЕШ ЭЛЕМЕНТЛАРИ BA ЮЩРИ КУЧЛАНЙШШ ВДТ0УЗГАР1ГИЧДАРНИ ТАДКИК ЩПИШ.

Диссертацияда GaAs - AlGaAs гетеросистема асосидаги ички энергия иерофи кам булган янги узига хос булган каскадлик ва кщори кучланишлик фотоузгартгичларнинг конструкцияларини ишлаб чикиш ва уларни олиш технологиялари масалалари курилган.

Диссертацияда сущ фазалик эпитаксияни ва газ фазасидан рух (гп)ни диффузия щтт усулларини биргаликда адллаб кис^а тулкинлар создсида юцори сезгирликка эга булган структураларни олиш технологияси таклиф цилинган ва ишлаб чицилган.

Каскад элементлари кристалл ичида параллел уланган: юза патлами кенг зоналик "дераза"га эга булган ва юза патлами вари-зон (такик^анган зонасининг кенглиги юдорнга кдраб аста-секин ошиб борувчи) булган фотоузгартгичларнинг конструкциялари так-лиф килинган. Бундай фотоузгартгичларнинг кис^а тулк^нлар сохд-сидаги сезгирлигининг ошишида варизон катламнинг адамияти кур-сатилган.

Галлий арсениди асосида ярим изолятор тагликларда монолит куринишда олинган кщори кучланишлик фотоузгартгичларнинг конструкциялари таклиф этилган. Вертикал р-n утишга эга булган хжда варизон юза чатламда вертикал ва база катламида горизонтал р-п утишга эга булган юкори кучланишлик фотоузгартгичларни олиш технологияси келтирилган.

THE INVESTIGATION OF CASCADE SOLAR CELLS AND HIGH-VOLTAGE PHOTOCONVERTORS ON G-aAs-AlGaAs BASE.

URAYSHAT WAD SLAIUAN

ABSTRACT

In the dissertation the question of elaboration and investigation of new original deslgnes of cascade and high-voltage photoconvertors, which have a small value of internal losses on GaAs - AlGaAs base, as well as, of their fabricating technology-are considered.

Combining liquid phase epitaxy with gas-phase zinc diffusion technologies is suggested, and elaborated to obtain high sensitive solar cells In short-wavelength region.

Several construcrtlons of three cascade solar cells were suggested and fabricated. The cascade's elements of these constructions lntercrlstal are connect in parallel: 1) three cascade solar cells with upper "widegap window" . 2) three cascade solar cells with graded band gap upper layer. It was shown that, the high short-wavelength photosensitivity in these solar cells due to the graded band gap upper layer.

Several constructions of high-voltage photoconvertors In monolithic excutlon on semi-Insulating GaAs substrate are suggested and elaborated. The fabricating technology of highvoltage photoconvertors with vertical p-n junctions and of high-voltage photoconvertors, which combound vertical p-n junctions in the upper graded band gap layer, and horlsontal p-n junctions in the substrate is suggested and elaborated.