Глава 5. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ И ГЕТЕРОСТРУКТУРАМИ

В этой главе обсуждается критерий выбора материалов для солнечных элементов на основе гетеропереходных структур. Будет предложена количественная мера степени пригодности различных материалов для изготовления гетеропереходных пар.

Как будет показано, путем использования материалов с малым несоответствием параметров кристаллических решеток для создания изотипного гетероперехода (т. е. гетерофазной границы раздела), в котором используется эффект окна, можно существенно снизить потери, связанные с поверхностной рекомбинацией носителей заряда в прямозонных материалах. В качестве примера подобной структуры будет рассмотрен солнечный элемент применяемый также в концентраторных системах. Наконец, солнечный элемент на основе структуры станет иллюстрацией конструкции, в которой в анизотипном переходе непосредственно используется преимущество контактирования материалов с малым несоответствием параметров решеток.

5.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В первом приближении при выборе материалов для создания гетероструктурной пары можно руководствоваться следующими правилами:

1. Должны отсутствовать на краях зоны проводимости (или

валентной зоны), ухудшающие прохождение фотогенерированных носителей. Это условие выполняется, если и 2.3.2).

2. Для максимального увеличения (или в случае поглощающего слоя -типа) должна быть как можно ближе к нулю.

3. Для повышения эффективности преобразования ширина запрещенной зоны поглощающего слоя должна находиться в интервале от 1,4 до 1,6 эВ.

4. Для расширения спектрального диапазона пропускания солнечного излучения ширина запрещенной зоны поверхностного слоя должна быть как можно больше, при этом материал должен оставаться низкоомным.

5. Необходимо выбирать материалы с малым несоответствием параметров кристаллических решеток.

6. Материалы должны иметь близкие значения коэффициентов теплового расширения, поскольку в большинстве случаев гетеропереходы образуются при повышенных температурах.

Проблема несоответствия параметров решеток достаточно сложна. Хотя при малых несоответствиях не гарантируются большие значения КПД, а при больших иногда встречаются солнечные элементы с высоким КПД, тем не менее, как правило, предпочтительнее материалы с меньшим несоответствием решеток. Примером, когда малое несоответствие параметров решеток еще не означает возможность получения высокого КПД, служит структура . До сих пор солнечные элементы на основе этой структуры не оправдывали возлагавшихся на них надежд из-за недостаточной эффективности собирания фотогенерированных носителей заряда. Влияние несоответствия параметров решеток и дефектов на границе раздела обсуждалось в гл. 2 (см; также Fahrenbruch, Aranovich, 1979]. Как правило, необходимо, чтобы относительные деформации обусловленные этим несоответствием, не превышали 1%, тем не менее при нет строгой корреляции между свойствами перехода и значением Во многих случаях при больших несоответствиях параметров кристаллических решеток квантовая эффективность снижается лишь незначительно, однако появляются токовые утечки, снижающие

Тройные соединения типа дают дополнительную степень свободы в выборе ширины запрещенной зоны или постоянной решетки. Четверные соединения типа представляют две степени свободы и в принципе позволяют одновременно подобрать оптимальные ширину запрещенной зоны и параметр кристаллической решетки. Конечно, цена этих степеней свободы — дополнительное усложнение системы.

Поскольку в высокоэффективных солнечных элементах коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики почти постоянен простой количественной мерой качества гетеропереходных пар по

отношению к эффективности фотоэлектрического преобразования может служить произведение Предполагая, что значение при известной разности можно приблизительно оценить, проинтегрировав поток фотонов, воспользовавшись данными рис. 3.3. Напряжение холостого хода пропорционально контактной разности потенциалов где причем в рассмотрение не включены гетеропереходы с Неполный список гетероструктурных пар, являющихся возможными кандидатами для создания на их основе высокоэффективных солнечных элементов, а также их параметры приведены в табл. 5.1. Количественная мера качества гетеропереходов, названная мерой эффективности преобразования вычислена при

Аналогичные таблицы составлялись и ранее [Milnes, Feucht, 1972; Fahrenbruch, 1977], в том числе подробные с указанием характеристик солнечных элементов, изготовленных на основе как гомогенных, так и гетерогенных -переходов.

При изготовлении гетеропереходных солнечных элементов возникают дополнительные проблемы, связанные со взаимной диффузией элементов, образованием соединений на межфазной границе раздела, влиянием удельного электрического сопротивления материалов, эффектом фиксации уровня Ферми на границе раздела и влиянием оксидных слоев, образующихся до и в процессе выращивания структур.

При температурах выращивания взаимная диффузия может проявляться слабо или сильно. В первом случае диффузионный перенос материала вызывает изменения лишь степени легирования. Здесь примером может служить диффузия Си и при изготовлении гетероперехода степень легирования медью в этом случае определяет свойства гетероперехода.

Во втором случае взаимная диффузия может привести к формированию на металлургической границе перехода промежуточного (третьего по счету) слоя. В качестве примера на рис. 5.1 показаны две спектральные зависимости чувствительности, соответствующие двум солнечным элементам на основе структур изготовленных методом газотранспортного осаждения в замкнутой системе при достаточно высоких температурах (около ) и двух слегка различающихся условиях [Buch е. а., 1977]. В одном из элементов имеется промежуточный слой эВ), который бесполезно поглощает фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны Спектральная зависимость чувствительности другого элемента указывает на наличие промежуточного слоя эВ), который сам по себе обусловливает относительно высокие значения однако препятствует собиранию всех фотогенерированных в носителей, кроме горячих.

Еще одна проблема — это несоответствие оптических свойств слоев, формирующих гетеропереход, что приводит к дополнительным потерям

Таблица 5.1. Расчетная эффективность некоторых гетеропереходных солнечных элементов (см. скан)

Рис. 5.1. Спектральная чувствительность двух гетеропереходных солнечных элементов изготовленных методом газотранспортного осаждения в замкнутой системе. Показаны также предполагаемые зонные диаграммы для каждого элемента

в эффективности преобразования из-за оптического отражения.

Этот эффект для большинства полупроводниковых соединений мал (не более ), однако в случае гетеропереходов, в состав которых входят пленки металлических оксидов потери на отражение могут достигать 5%. Конечно, эти потери можно устранить путем включения слоя «окна» в состав многослойного просветляющего покрытия или создания текстурированных границ раздела.

В широкозонных материалах, в особенности в созданных на основе соединений наблюдается тенденция к самокомпенсации, что затрудняет получение низкоомного материала. В основном это касается тонких поликристаллических пленок, в которых эффект самокомпенсации наиболее сильно проявляется в областях разупорядочения, в частности на границах зерен. Например, трудно изготовить пленки , в которых [Feigelsen е. а., 1977; Chynoweth, Bube, 1980].

Как было отмечено в гл. 2, поверхности большинства полупроводников имеют потенциал, отличающийся от потенциала в объеме. Электронные свойства поверхности ковалентных полупроводников определяются поверхностными состояниями, что обусловливает эффект фиксации уровня Ферми на поверхности. В ряде материалов сильное влияние поверхностных состояний приводит даже к перемене типа проводимости поверхности. Например, атомарно-чистая поверхность после воздействия кислорода даже при невысоких температурах [Weider, 1979] или после очистки с помощью ионов [Tsai е. а., 1980] приобретает «-тип проводимости. В результате соприкосновения ”чистой” поверхности полупроводника (образовавшейся после скола) с воздухом очень быстро образуется тонкая пленка оксида (в случае или при комнатной температуре оксидная пленка толщиной около 15 нм формируется в течение нескольких секунд), что также влияет на свойства перехода (иногда даже полезным образом).

Учет влияния поверхностных состояний крайне важен при изготовлении гетероструктур и обусловил появление метода травления структур без выноса на воздух, что необходимо для получения воспроизводимых результатов в случае гетеропереходных солнечных элементов на основе и способа стравливания части поверхности непосредственно

при получении гетероперехода, иногда применяемого при изготовлении гетеропереходных солнечных элементов AlGaAs - GaAs.

Как было указано в гл. 2 (см. также [Fahrenbrach, Aranovich, 1979]), зонная диаграмма и перенос заряда на границе раздела гетеропереходов значительно более сложны, чем это следует из рассмотрения пить различия электронного сродства по обе стороны от перехода. Несмотря на фундаментальный характер этого различия, оно играет второстепенную роль в транспортных свойствах перехода.

На самом деле свойства гетероперехода определяются другими причинами: локальным фиксированием уровня Ферми на границе раздела (обусловленным химической активностью компонентов гетероструктуры, заряженными пограничными состояниями и диполями); дефектной структурой вблизи границы раздела и преимущественной сегрегацией атомов легирующей примеси и других примесных атомов; наличием промежуточных изолирующих слоев, образованных при изготовлении гетероперехода, которые могут содержать захваченный заряд и выполнять роль буферных слоев в компенсации несоответствия параметров решеток материалов, входящих в состав гетероструктур.