7.2. Арсенид галлия

Среди различных типов массивных солнечных элементов на основе GaAs наиболее подробно изучены элементы с гомогенным -переходом. Для их изготовления обычно применяют полированные монокристаллические пластины материалов с проводимостью -типа и концентрацией легирующей примеси около -переход формируют посредством введения диффузионным методом в поверхностный слой толщиной — акцепторных примесей или Кроме того, изготовляют элементы с мелкозалегающим переходом (расположенным на расстоянии от поверхности), которые в наземных условиях обладают наиболее высоким [1]. Измерения спектральной чувствительности солнечных элементов с гомогенным переходом показывают, что потери фототока связаны главным образом с небольшой диффузионной длиной неосновных носителей заряда как в так и -слоях GaAs, а также с высокой скоростью их рекомбинации на поверхности -слоя.

На основе арсенида галлия недавно разработаны элементы новых типов: с гетероструктурой [2] и гетеропереходом [3], КПД которых составляет соответственно (в условиях и 19% (в условиях Солнечные элементы со структурой предназначенные для преобразования концентрированного излучения, имеют при коэффициенте концентрации, равном 9,9, и температуре 30 °С [4]. При наличии слоя образуется отражающий потенциальный барьер для электронов, генерируемых в благодаря чему снижаются их потери вследствие поверхностной рекомбинации; кроме того, этот слой служит прозрачным низкоомным контактом к уменьшающим последовательное сопротивление элемента.

На основе GaAs также изготовлены солнечные элементы с барьером Шоттки и структурой металл — диэлектрик — полупроводник. Согласно данным Стирна и Йе [5], КПД монокристаллических элементов со структурой металл — диэлектрик — полупроводник на основе составляет 15%.

После перечисления наиболее важных сведений о характеристиках и основных результатах разработок солнечных элементов на основе монокристаллического арсенида галлия перейдем к рассмотрению тонкопленочных элементов.

7.2.1 Процесс изготовления

Тонкие пленки GaAs получают методом химического осаждения из паровой фазы [6—14], в том числе из паров металлорганических соединений [11 —14], и на их основе создают элементы

с гомогенным переходом [6], гетероструктурой и гетеропереходом [11], барьером Шоттки [7, 9, 12—14], а также структурой металл — диэлектрик — полупроводник [7, 10]. В качестве подложек применяют легированные цинком монокристаллы GaAs, поверхность которых ориентирована относительно направления и легированные кремнием монокристаллы GaAs с аналогичной ориентацией поверхности [11]; кроме того, используют подложки из графита (без каких-либо покрытий [8] и со слоем вольфрама [7, 9, 10]) и молибдена [12—14]. Монокристаллические подложки имеют высокую стоимость и служат исключительно для исследовательских целей.

Тонкопленочные элементы на основе GaAs со структурой металл — оксид — полупроводник, как правило состоящие из слоев оксид — графит, изготовляют следующим образом [7]. Пленку GaAs осаждают на покрытую слоем вольфрама графитовую подложку химическим методом из паров с применением водорода в качестве газа-носителя. Температура подложки составляет а температура источника осаждаемого вещества Скорости потоков равны соответственно В образующемся слое толщиной значения концентрации носителей заряда заключены в пределах При введении в химически активную смесь газообразного сероводорода получают легированный серой слой толщиной с концентрацией носителей который обеспечивает низкое контактное сопротивление между элементом и подложкой. Термообработка образца в атмосфере кислорода или смеси кислорода с аргоном продолжительностью при температуре осуществляемая непосредственно после осаждения пленки GaAs, приводит к формированию на ее поверхности слоя оксида, выращивание которого продолжают затем в кислороде, насыщенном водяным паром, при температуре в течение [8].

Для улучшения характеристик элементов перед окислением пленки GaAs на ее поверхность осаждают слой переменного состава толщиной в процессе химической реакции между [7]. Затем методом вакуумного испарения при давлении менее Па наносят пленку золота толщиной 6... 10 нм и посредством испарения (через металлическую маску) серебра создают контактную сетку. С помощью гидролиза тетраизопропилтитаната в атмосфере аргона при температуре 80... 100 °С создают слой толщиной 60... 70 нм, который служит просветляющим покрытием элемента [8].

7.2.2 Фотоэлектрические характеристики

Согласно данным Бозлера и Фэна [6], солнечные элементы (снабженные просветляющими покрытиями) с гомогенным переходом на основе арсенида галлия, выращиваемого на монокристаллических подложках методом химического осаждения из паровой фазы, в условиях (интенсивность излучения — имеют при Недавно и др. [6] сообщили о том, что при использовании технологического процесса тонкопленочных солнечных элементов на основе GaAs повышается до 17%. У солнечных элементов с гетероструктурой (без просветляющих покрытий), создаваемых на кристаллических подложках из легированного кремнием арсенида галлия методом химического осаждения из паров металлорганических соединений, в условиях при интенсивности света получены следующие характеристики: [11].

КПД тонкопленочных элементов с барьером Шоттки площадью на основе арсенида галлия, выращиваемого на покрытых слоем вольфрама графитовых подложках методом химического осаждения из паровой фазы, составляет около [9], причем в условиях Следует отметить, что параметры конструкций этих элементов не оптимизированы. Верной и др. [13] изготовили солнечные элементы с барьером Шоттки на молибденовых подложках методом химического осаждения GaAs из паров металлорганических соединений и в условиях получили Элементы аналогичного типа с пассивированными (посредством анодирования) границами зерен обладают лучшими характеристиками: при отсутствии просветляющих покрытий в условиях их КПД составляет 5,45% при [14].

Чу и др. [7, 10] изготовили солнечные элементы со структурой металл — оксид — полупроводник (площадью посредством нанесения на графитовую подложку с покрытием из вольфрама методом химического осаждения из паровой фазы слоев которых в условиях достигает 4,4%. Элементы, не снабженные просветляющими покрытиями, имеют При осаждении на поверхность слоя тонкой пленки их напряжение холостого хода

повышается до 0,63 В, а КПД - до 5 % (при плотности тока короткого замыкания Полагают, что при нанесении просветляющего покрытия КПД элементов увеличится до 7,5%. Полученные этими же авторами методом химического осаждения из паровой фазы (на графитовых подложках) солнечные элементы со структурой металл — оксид — полупроводник площадью при наличии просветляющего покрытия в условиях имеют КПД 6,1 %, которому соответствуют

Недавно изготовлены тонкопленочные поликристаллические солнечные элементы площадью на основе слоев GaAs толщиной 10 мкм (средний размер зерен составляет -5 мкм) с КПД до 8,5% при [41].

Сообщалось о создании солнечных элементов на основе монокристаллических пленок GaAs толщиной выращиваемых на монокристаллах арсенида галлия [41]. После изготовления элементы крепились к стеклянной пластине, отделялись от подложки, а затем на тыльную поверхность наносился металлический контакт. При общей площади элементы имели следующие выходные параметры:

Измерения спектральных характеристик чувствительности тонкопленочных солнечных элементов со структурой металл — оксид — полупроводник на основе GaAs показывают, что наиболее высокие значения коэффициента собирания носителей (без учета отражения света от поверхности элемента), составляющие соответствуют интервалу длин волн 0,6 ... ... 0,7 мкм [8]. Значения эффективной диффузионной длины неосновых носителей заряда, найденные из измеренных спектральных характеристик чувствительности, заключены в пределах

7.2.3 Анализ характеристик перехода

Изучению электронных свойств переходов и их зависимости от структурного совершенства пленок в солнечных элементах на основе GaAs посвящено лишь несколько работ. Чу и др. [8] измерили вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики элементов со структурой металл — оксид — полупроводник (изготовленных на подложках из графита), исходя из которых определили соответственно диодный коэффициент и высоту барьера Полагают, что в элементах со структурой металл — оксид — полупроводник, получаемых на покрытых слоем вольфрама графитовых подложках [7], процесс протекания темнового тока (плотность обратного тока

насыщения составляет ) обусловлен рекомбинацией носителей на границах зерен. Однако под влиянием границ зерен фототок уменьшается незначительно. При введении цинка диффузионным методом в область границ зерен происходит компенсация донорных уровней, и благодаря этому устраняется эффект шунтирования перехода [10]. Высокие значения напряжения холостого хода солнечных элементов со структурой металл — оксид — полупроводник на основе обеспечивает большая высота барьера. Согласно результатам измерений вольт-фарадных характериристик, что на больше высоты барьера у элементов с такой же структурой, но на основе лишь При наличии слоя плотность обратного тока насыщения уменьшается на порядок величины.

Гандхи и др. [12, 14] установили, что солнечные элементы с барьером Шоттки имеют по существу аналогичные характеристики. Значения их диодного коэффициента равны 2,7 и 1,3 соответственно при низких и высоких прямых напряжениях смещения. При плотность обратного тока насыщения составляет . Высота барьера, найденная по результатам измерений темновых вольт-амперных характеристик при различных температурах, равна 0,85 эВ. Концентрация носителей, определенная с помощью вольт-фарадных характеристик (при обратном напряжении смещения), составляет Особенности темновых вольт-амперных характеристик можно объяснить, предположив, что протекание тока обусловлено рекомбинацией носителей заряда на границах зерен. Однако, поскольку в процессе осаждения пленки в область границ зерен внедряется большое количество примеси, их влияние на процесс собирания носителей оказывается несущественным. Эффект шунтирования перехода границами зерен, приводящий к увеличению обратного тока насыщения, ослабляется благодаря их пассивации посредством избирательного анодирования. Авторами работ (12, 14] отмечено существование зависимости фототока от напряжения смещения, что может быть вызвано рекомбинацией носителей на энергетических состояниях в области границы раздела металла и полупроводника.