Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических и технологических решений получения фотоэлектрических преобразователей нового поколения на основе наногетероструктур InAs/GaAs для высокоэффективных возобновляемых источников энергии

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
фотоэлектрический преобразователь, солнечный элемент, квантовые точки, ионно-лучевая кристаллизация, наногетероструктуры, солнечная энергетика, возобновляемые источники энергии.

Цель проекта:
разработка и получение наногетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками плотностью не менее 10E10 см-2 для фотоэлектрических преобразователей нового поколения методом ионно-лучевой кристаллизации и повышение их эффективности до 10%.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему в области получения фотоэлекрических преобразователей с промежуточной подзоной (ФЭП-ПП);
- результаты патентных исследований; обоснование выбора направления исследований, методов и средств получения и исследования ФЭП-ПП;
- научные основы получения ФЭП-ПП,
- модель расчета функциональных характеристик ФЭП-ПП;
- лабораторный регламент и маршрутная карта на изготовление экспериментального образца ФЭП-ПП;
- методика и результаты исследовательских испытаний экспериментальных образцов ФЭП-ПП,
- оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем, рекомендации по использованию результатов ПНИ.
Основные характеристики экспериментальных образцов ФЭП-ПП:
- материалы: полупроводниковые соединения A3B5 - арсенид галлия, арсенид индия;
- конструкция экспериментальных образцов: p-i-n структура на основе InAs/GaAs;
- i-область структуры должна содержать не менее 3 вертикально-связанных массивов квантовых точек InAs;
- барьерные слои должны быть выращены из GaAs;
- разрабатываемые экспериментальные образцы фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точкам должны функционировать в наземных условиях;
- экспериментальные образцы должны иметь расширенный спектр поглощения излучения 340 - 1200 нм;
- экспериментальные образцы должны иметь фронтальную контактную сетку и сплошной тыльный контакт;
- площадь элемента: не более 5×5 мм2;
- плотность тока короткого замыкания: не менее 17 мА/см2;
- напряжение холостого хода: не менее 0,65 В;
- фактор заполнения FF: не менее 70%;
- КПД: не менее 10% (AM1.5 D, при плотности излучения 1000 Вт/м2).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт: фотоэлектрические преобразователи с промежуточной энергетической подзоной, полученные методом ионно-лучевой кристаллизации и обладающие расширенным спектром поглощения в инфракрасной области солнечного спектра.
Новизна предлагаемых научно-технических решений: заключается в разработке оригинального технологического метода ионно-лучевой кристаллизации и конструкции фотоэлектрического преобразователя.
Сопоставление ожидаемых результатов с разработками аналогичных работ: Общепризнанными и хорошо исследованными технологическими методами получения наногетеструктур с промежуточной подзоной являются молекулярно-лучевая (МЛЭ) и газофазная эпитаксии (ГФЭ МОС). Помимо этих методов активно адаптируются классические ростовые методы: жидкофазная эпитаксия, распыление лазерными, электронными и ионными пучками. Последний из вариантов использован нами для выращивания фотоэлектрических наногетероструктур с промежуточной подзоной. Результаты предварительных экспериментальных исследований показывают, что размеры, однородность и поверхностная плотность наноостровков сопоставими с результатами лучших и более дорогих ростовых методов (МЛЭ и ГФЭ МОС). Разработанные научные основы получения и предложенные конструкционные решения позволят повысить эффективность фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками не менее, чем на 3,5 % по отношению к существующим аналогам и повысить энергоэффективность не менее, чем на 7 % путем расширения поглощения в инфракрасной области солнечного спектра.
Способы достижения заявленных результатов: проведение экспериментальных исследований по получению гетероструструктур с квантовыми точками методом ионно-лучевой кристаллизации, разработка лабораторного регламента и маршрутной технологической карты на получение экспериментальных образцов ФЭП-ПП, разработка методики и проведение испытаний экспериментальных образцов ФЭП-ПП.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения: фотоэлектрические преобразователи наземного применения.
Практическое внедрение результатов разработки: будет создан научный задел для разработки технологии и организации опытного производства высокоэффективных солнечных панелей с расширенным спектром поглощения.
Оценка влияния планируемых результатов: Выполнение ПНИ будет способствовать достижению целей государственной программы «Развитие науки и технологий на 2013-2020 годы» - формирование конкурентоспособного и эффективно функционирующего сектора исследований и разработок и обеспечение его ведущей роли в процессах технологической модернизации российской экономики и позволит решить следующие задачи государственной программы: создание научно-технологического задела на приоритетных направлениях научно-технологического развития – разработка высокоэффективных возобновляемых источников энергии (фотоэлектрических преобразователей третьего поколения с квантоворазмерными объектами), а также позволит обеспечить рациональную интеграцию российского сектора исследований и разработок в международное научно-технологическое пространство.

Текущие результаты проекта:
Проведено моделирование процесса ионно-лучевой кристаллизации наногетероструктур с промежуточной подзоной. Разработана компьютерная модель, обеспечивающая прогнозирование пространственного распределения массопотока вблизи поверхности подложки в процессе ионно-лучевой кристаллизации модельных полупроводниковых материалов. Продемонстрировано, что низкоэнергетичное распыление позволяет обеспечить однородность массопотока не хуже: для арсенида галлия – 4%, для арсенида индия – 7%. Выполнен расчет оптических свойств и функциональных характеристик ФЭП-ПП. Разработана модель однопереходного фотоэлектрического p-i-n ФЭП-ПП, сочетающая метод переходных матриц и квазидиффузионно-дрейфовую модель. Модель предназначена для расчета распределения электрического поля в многослойной структуре при облучении фотоэлектрической структуры оптическим излучением для солнечного спектра AM1.5. Проведены теоретические исследования влияния числа рядов квантовых точек и толщины спейсерного слоя на время жизни носителей заряда. Получена теоретическая формула для расчета времени жизни носителей заряда в квантовых точках при безызлучательной рекомбинации, зависящая от числа рядов квантовых точек и расстояния между рядами. Разработана эскизная программная документация на программную модель расчета функциональных характеристик ФЭП-ПП. Для проведения моделирования функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками предложено использовать интерполяцию кусочно-полиномиальных функций (спектральных зависимостей коэффициентов поглощения, отражения и преломления) методом прогонки. Разработан и описан общий алгоритм моделирования поставленной задачи. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы ФЭП-ПП. Разработана программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных образцов ФЭП-ПП. Разработан лабораторный регламент на получение экспериментальных образцов ФЭП-ПП. 8) Разработана программная модель расчета функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками PVcell solver. На этапе рабочего проектирования проведены программирование и отладка кода программы PVcell solver. Программирование выполнялось на языке SciLab. Проведены испытания программной модели PVcell solver в соответствии с разработанной Программой и методиками испытаний ПКФТ.210033.001 ПМ. На этапе внедрения оформлена заявка на получение свидетельства о государственной регистрации программы ЭВМ «Расчет функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками». Создан объект интеллектуальной собственности – программная модель расчета функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками PVcell solver. Получен охранный документ - свидетельство о регистрации программы ЭВМ "Расчет функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками PVcell solver.