5.3. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ lnP

Структура является примером истинного гетероперехода, в котором совпадение периодов кристаллических решеток и чистота границы раздела играют важную роль в прохождении через него тока. Высокоэффективные солнечные элементы на основе этой структуры получали методами испарения в вакууме, химического осаждения из паровой фазы и газотранспортной реакции в замкнутом объеме.

Фосфид индия — прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,34 эВ, близкой к оптимальной для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Как во всех гомопереходах на основе прямозонных полупроводников, эффективность элементов на основе гомоперехода в ограничена потерями, обусловленными рекомбинацией на освещаемой поверхности [Galavnov е. а., 1967]. Тем не менее потенциальные возможности можно реализовать в конструкциях элементов с гетеропереходами.

Индий — сравнительно дорогой металл (по данным 1980 г. стоимость небольших партий составляет 2000 долл. за 1 кг), в земной коре содержится этого металла (содержание меди ). Фосфор, несмотря на распространенность и дешевизну в неочищенном виде, стоит после очистки дорого (при продаже небольшими партиями стоимость полупроводниково-чистого фосфора — 4000 долл. за 1 кг). Кристаллы выращивают методом Чохральского, причем во избежание нарушения стехиометрии над расплавом поддерживают высокое давление или покрывают его жидким защитным составом.

Исследования гетеропереходов до 1974 г. не проводили, возможно, ввиду отсутствия высокосовершенных монокристаллов -типа проводимости. В первом солнечном элементе на основе гетероструктуры был получен КПД 12,5% [Wagner е. а., 1975]. Выбор сульфида кадмия для создания этого гетероперехода не случаен: постоянная решетки фосфида индия, имеющего структуру цинковой обманки, равна 0,586 нм, а соответствующий ему параметр сульфида кадмия, имеющего структуру вюрцита, равен 0,586 нм, и поэтому между плоскостью и базисной плоскостью гексагонального кристалла несоответствие параметров решеток составляет всего лишь 0,32%. Более того, длины тетраэдрических атомных связей в равны 0,2533 и 0,2532 нм соответственно, и, следовательно, характер ориентации некритичен, что и было экспериментально подтверждено.

В первых солнечных элементах слои осаждали путем испарения в вакууме на монокристаллы с удельным сопротивлением 0,4 Ом•см, легированные кадмием. Квантовая эффективность в спектральном диапазоне от 0,55 до 0,91 мкм составляла 0,70, а малое значение

при рекомбинационно-генерационном механизме прохождения тока свидетельствовало о хорошем соответствии параметров решеток материалов, образующих гетеропереход. Коэффициент полезного действия 12,5% получен при относительно низкой солнечной освещенности (облачный день в Нью-Джерси); другие характеристики: просветления).

Было обнаружено, что термический отжиг при в неокисляющей среде улучшает характеристики солнечного элемента со структурой приводя их к значениям [Shay е. а., 1976]. Последующий -минутный отжиг при температурах ниже 550° С не оказывал никакого воздействия на свойства -перехода, указывая на высокую стабильность работы элемента. Предполагая, что оптимальные характеристики -перехода получают при формировании гомоперехода в путем экстраполяции получили расчетные максимальные значения выходных параметров фотопреобразователя

Дальнейшее улучшение характеристик фотопреобразователей было достигнуто за счет применения метода химического осаждения на в потоке в проточной системе [Shay е. а., 1977; Bettini е. а., 1978]. При соответствующей молярной концентрации (около 2%) в газовом потоке поверхность непрерывно подвергается травлению при образовании и сублимации сульфидов индия; на этой чистой поверхности происходит образование сульфида кадмия, который предохраняет поверхность от взаимодействия с При осаждении на монокристалл были получены солнечные элементы со следующими характеристиками: при Емкостные измерения этих элементов подтвердили наличие резкого перехода с контактной разностью потенциалов .

Солнечные элементы со структурой изготовляли, кроме того, путем испарения в вакууме на монокристаллические гомоэпитаксиальные слои выращенные в свою очередь методом химического осаждения из паровой фазы на монокристаллических подложках Были изготовлены солнечные элементы с КПД от 8 до 12%. Для лучшего фотопреобразователя получили следующие характеристики: (без просветления, условия освещения, близкие к мощность падающего солнечного излучения с учетом только активной поверхности элемента). Экстраполяцией напряжения холостого хода к 0 К получено значение контактной разности потенциалов 1,06 эВ.

Наибольшее значение было получено в [Yoshikawa, Sakai, 1977], где элементы изготовляли методом газотранспортной реакции в замкнутой системе.

Фотопреобразователи имели . В отличие от ранее рассматривавшихся элементов слой осаждали не на грани (111), а на

Рис. 5.14. Энергетическая зонная диаграмма гетероперехода в котором пленка осаждалась на монокристаплическую подложку методом газотранспортной реакции в замкнутой системе [Yoshikawa A., Sakai Y. S. Solid State Electron. Pcrgamon Press, 1977, vol. 20)

Температуру подложки при этом поддерживали около 710°С. Контактная разность потенциалов соответствовала значению наблюдавшемуся и другими исследователями, и более того, почти точно совпадала с табличными параметрами электронного сродства для Емкостные измерения указывали на наличие резкого перехода в соответствии с зонной диаграммой, представленной на рис. 5.14.

С учетом влияния степени соответствия параметров кристаллических решеток между на характеристики фотопреобразователей вызывает удивление тот факт, что они получаются очень близкими в случае структуры где велико несоответствие между параметрами решеток входящих в нее материалов. Солнечные элементы, в которых слои ITO с удельным сопротивлением получали ионно-лучевым осаждением на кристаллы легированные цинком, имели (использовали просветляющее покрытие ) [Sree Harsha е. а., 1977].

Аналогичные результаты получены в случае слоев ITO, осажденных с помощью катодного распыления на гомоэпитаксиальные слои выращенные методом химического осаждения из паровой фазы на подложках [Manasevit е. а., 1978]. Наиболее совершенный фотопреобразователь имел следующие характеристики: (условия освещения, близкие к AM 1,5, мощность падающего светового потока просветляющие покрытия не наносились). Экстраполяцией напряжения холостого хода к установлено, что , т. е. совпадает с ранее указанным значением; для получения максимального КПД требуется отжиг. Хорошие характеристики солнечного элемента, полученные несмотря на несоответствие параметров решеток ITO и обусловлены, по-видимому, формированием скрытого гомоперехода в

Свидетельства о наличии скрытого гомоперехода получены при анализе солнечных элементов, в которых слой ITO осаждали методом ВЧ-распыления [Bachmann е. а., 1979]. С помощью ионнозондовых измерений было установлено, что атомы проникают в подложку при температуре 250° С и изменяют тип ее проводимости. Если температуру подложки при осаждении ITO поддерживали около 27°С, в ней отсутствовал, хотя это не исключало возможности формирования очень тонкого гомоперехода.

Установлено, что в структуре скрытый гомопереход может образовываться в результате воздействия самого процесса распыления.

Диоды Шоттки изготавливали путем термического испарения в вакууме тонких пленок на подложки Если подложки предварительно подвергали очистке путем ионного распыления в среде аргона при условиях, идентичных условиям осаждения ITO, спектральная чувствительность диодов Шоттки резко снижалась в области больших энергий фотонов и приобретала вид, типичный для гомопереходов. Более того, она становилась идентичной для диодов Шоттки и солнечных элементов . Однако если барьеры Шоттки формировали на подложках, не подвергавшихся после химического травления ионной очистке, спектральная чувствительность в коротковолновой области спектра возрастала и соответствовала чувствительности совершенных полупроводниковых устройств с барьером Шоттки.

Указанные результаты следует сравнить с полученными в случае гетеропереходных структур с применением метода химического осаждения из паровой фазы (несоответствие параметров кристаллических решеток в случае этих структур достигает примерно 3,5%) [Bettini е. а., 1978; Yoshikawa, Sakai, 1975]. Для получения совершенных диодов требуются, конечно, травление и отжиг. Хотя получены диоды с относительно неплохими характеристиками при [Bettini е. а., 1978], значения оказались слишком малыми, чтобы считать солнечные элементы с гетеропереходной структурой конкурентоспособными по отношению к остальным. В солнечных элементах на основе ITO - изготовленных с применением методов высокочастотного распыления, магнетронного распыления и ионно-лучевого осаждения, значения параметров оказались хуже, чем в По-видимому, особенности формирования -перехода при наличии большого несоответствия решеток в одних случаях позволяют добиться высоких значений а в других или ITO - — нет.