5.2.6. Арсенид-галлиевые солнечные элементы с переменной шириной зоны и барьерами Шоттки

Целесообразность создания переменной ширины запрещенной зоны путем варьирования состава обусловлена следующими различными, но взаимосвязанными причинами.

Во-первых, переменный состав слоя — естественное обобщение концепции широкозонного окна-фильтра, направленное на оптимизацию прохождения и поглощения света в слое, на тыльной стороне которого сформирован переход.

Во-вторых, переменный состав и обусловленные им электрические поля большой напряженности вблизи лицевой поверхности способствуют отражению носителей от нее и снижению потерь, связанных с поверхностной рекомбинацией.

В-третьих, наличие электрических полей высокой напряженности в генерационном объеме существенно повышает эффективное значение диффузионной длины неосновных носителей:

Эти идеи обсуждали уже давно, но воплотить их в жизнь стало возможным пить с появлением идеальной для этих целей системы Например, еще в 1975 г., по-видимому, Тайц впервые предложил идею снижения поверхностной рекомбинации за счет создания электрического поля в слое переменного состава. Им же объяснен эффект возникновения ЭДС в освещенном полупроводнике с переменной шириной запрещенной зоны.

Эта теория была затем распространена на случай, когда не только ширина запрещенной зоны, и подвижности, времена жизни, концентрации носителей и их эффективные массы зависели от положения в полупроводнике [Marfaing, Chevallier, 1971]. При сравнении расчетных и экспериментальных результатов для структур обнаружили почти полную их идентичность. При высоких уровнях освещенностей в зтих структурах наблюдали небольшую ЭДС (не более 1,5 мВ).

Был проведен детальный (и достаточно критический) анализ с помощью ЭВМ солнечного элемента на основе структуры с переменным составом [Hutchby, Fudurich, 1976]. При анализе использовали экспериментальные значения параметров материалов и учитывали все известные механизмы энергетических потерь, в том числе и в просветляющих покрытиях. Расчеты показали, что для получения максимального КПД = 17,7% при АМО состав слоя толщиной 1 мкм должен изменяться таким образом, чтобы менялся от 0,35 до 0. Переменный состав способствует повышению радиационной стойкости, несмотря на деградацию

Методом изотермической рекристаллизации с подтравливанием были выращены слои толщиной от 0,2 до 0,4 мкм с изменением состава от до по глубине. Помещенный над подложкой раствор был слегка недонасыщен. Поэтому на начальной стадии происходило небольшое подтравливание поверхности подложки, а затем начинался рост переменного по составу слоя из-за концентрационных градиентов, установленных в расплаве на стадии травления подложки. В результате диффузии в процессе выращивания формировался слой толщиной мкм. Солнечные элементы при имели КПД в условиях освещения АМО под имитатором) и повышенную чувствительность в коротковолновой части спектра.

При профилировании состава с помощью Оже-электронной спектроскопии в слоях толщиной 0,2 мкм, изготовленных тем же способом, было установлено, что переменный состав соответствует расчетным профилям, полученным в предположении диффузии алюминия через концентрационный градиент в расплаве вблизи ростовой границы [Kordos е. а., 1979]. Исследования показали, что толщину слоя переменного состава (а также глубину травления поверхностного слоя подложки можно варьировать в диапазоне от 0,15 до 0,25 мкм изменением степени недосыщения расплава. Этим способом получены солнечные элементы со значительной улучшенной спектральной чувствительностью в диапазоне больших энергий фотонов [Kordos, Pearson, 1981].

Среди солнечных элементов с барьером Шоттки стоит упомянуть интересную структуру [Shen, Pearson, 1979]. Теоретически в этом случае (рис. 5.12) значение должно быть таким же большим, как в обычном элементе со структурой — значительно превышать напряжение холостого хода обычного элемента. В эксперименте было получено увеличение от 0,53 до 0,70 с ростом мольной доли от 0 до 0,5.

Разница между шириной запрещенных зон эВ при препятствует движению дырок к (рис. 5.12, а), и поэтому слой должен быть настолько тонким, чтобы и были обеднены вблизи гетероперехода, а сама его граница попадала в область сильного электрического поля. Из рис. 5.13 видно, как сильно зависит спектральная чувствительность элемента от толщины слоя Семейство подобных кривых наблюдается при изменении обратного смещения в элементах с более

Рис. 5.12. Энергетическая зонная диаграмма солнечного элемента на основе структуры с барьером Шоттки: а - толщина слоя превышает ширину обедненной области; б - толщина слоя меньше ширины области обеднения

Рис. 5.13. Нормированная зависимость коэффициента собирания Q от энергии (длины волны X) фотонов в случае солнечного элемента с барьером Шоттки. Варьируемая переменная - толщина Для сравнения показана спектральная зависимость коэффициента собирания элемента

толстым слоем (например, d = 200 нм), так как с ростом VR снижается влияние различия ширины запрещенных зон в

Снижению способствует наличие области переменного состава на границе гетероперехода. Подобные измерения вновь возрождают интерес к моделям, основанным на концепции скачков потенциала в гетеропереходных структурах.

Неоптимизированный солнечный элемент имел (имитатор АМ), без просветления, толщина слоя нм) [Yang е. а., 1980]. Более полное рассмотрение устройств, содержащих двухслойную гетероструктуру с барьером Шоттки, проведено в [Lee, Pearson, 1980].