Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка концепции и технологии создания полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на основе гетеровалентных наноструктур соединений групп А3В5 и А2В6

Номер контракта: 14.604.21.0008

Руководитель: Иванов Сергей Викторович

Должность: Заведующий Лабораторией Кватоворазмерных гетероструктур

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
многопереходные солнечные элементы, кпд, полупроводниковые соединения группы а3в5, полупроводниковые соединения группы а2в6, гетеровалентные гетероструктуры, псевдоморфные гетероструктуры, метаморфный слой, наногетероструктуры, сверхрешетки, молекулярно-пучковая эпитаксия.

Цель проекта:
Основная цель: cоздание научно-технологического задела, обеспечивающего существенное повышение эффективности современной концентраторной солнечной энергетики: наземной и космической. Основные задачи проекта: Разработка оригинальной конструкции 4х-переходного солнечного элемента на основе германия, соединений группы A3B5 (InGaAs, InAlGaAs) и соединений группы A2B6 (ZnCdSSe), оптимизированного по величине коэффициента полезного действия (КПД) в условиях высокой концентрации солнечного излучения; Разработка технологии изготовления 4х-переходного солнечного элемента на основе германия, соединений группы A3B5 (InGaAs, InAlGaAs) и соединений группы A2B6 (ZnCdSSe), включающие в себя: разработку производственных методик технологий изготовления 4х-переходного солнечного элемента (СЭ), разработку программ и методик его исследовательских испытаний, патентные исследования, изготовление и испытание лабораторных образцов СЭ, разработку ТЗ на ОКР, выработку рекомендаций по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

Основные планируемые результаты проекта:
Результатом работы является оформленная в виде комплекта эскизной конструкторской документации и производственной методики (лабораторного регламента) технология создания 4х-переходного солнечного элемента, на основе псевдоморфной гетеровалентной гетероструктуры, включающей Ge, соединения группы A3B5 и соединения группы A2B6, оптимизированного по величине коэффициента полезного действия (КПД) в условиях 500 солнц - не менее 38%, что на 9% превышает типичные параметры промышленно изготавливаемых в России 3х-переходных солнечных элементов и является рекордным значением для российских лабораторных разработок, изготовленные и исследованные лабораторные образцы СЭ.
Результаты проекта отражены в 4-х научных публикациях, 1-ой кандидатской диссертации, 2-х патентах на изобретение и представлены на 3-х научных мероприятиях.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Ведущие компании в мире, работающие в области солнечной энергетики, ведут активные исследовательские работы по разработке и созданию фотоэлектрических модулей на основе многопереходных фотоэлектрических преобразователей и концентраторов солнечного излучения. Наибольший КПД преобразования сконцентрированного солнечного излучения получен в 3х-переходных метаморфных структурах InGaP/GaAs/InGaAs (43.5%) и GaInP/GaAs/GaInNAs (44.0%). Лучшие результаты в РФ получены на традиционных 3х-переходных солнечных элементах InGaP/InGaAs/Ge в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (лаб. Андреева В.М.) и составляют 38%. Главным ограничением здесь является отсутствие разработанной системы полупроводниковых соединений с близкими значениями постоянной решетки полупроводника, которая позволила бы изготовить псевдоморфную монолитную гетероструктуру с оптимальными значениями ширины запрещенной зоны каждого фотоактивного p-n перехода. Дальнейшее увеличение КПД связывается с увеличением числа фотоактивных переходов и/или оптимизацией ширин запрещенной зоны полупроводников, используемых в каждом фотоактивном p-n переходе, а также с уменьшением плотности протяженных и точечных дефектов.

Перспективным развиваемым нами научным подходом к увеличению эффективности каскадного солнечного модуля является расширение диапазона используемых полупроводниковых соединений по сравнению с традиционно применяемыми материалами. В отличие от современных приборов, в основе которых лежат 3х-переходные гетероструктуры полупроводников группы А3В5 и, в некоторых случаях, германия, предложено использовать более широкий набор полупроводниковых соединений групп А3В5 и А2В6, объединенных в рамках одной гетеровалентной гетероструктуры, выращенной на подложках Ge. Основным преимуществом таких структур является возможность конструирования многопереходных солнечных элементов с оптимизированными значениями ширины запрещенной зоны полупроводников,
формирующих отдельные каскады, как при выполнении условия псевдоморфности, так и с применением технологий метаморфного роста.

В 2009 г. группа американских исследователей из Университета Аризоны во взаимодействии с компанией "First Solar Ltd." рассмотрела возможность построения 3х- и 4х- переходных солнечных элементов на основе псевдоморфных гетеровалентных гетероструктур, включающих слои четверных твердых растворов групп А3В5 (AlGaAsSb) и А2В6 (ZnCdSeTe), выращенных на подложках GaSb. Проведенные теоретические оценки показали возможность достижения в таких структурах КПД порядка 55% в условиях “1000 солнц”. Однако, предложенные конструкции солнечных элементов представляются практически нереализуемыми из-за невозможности технологического контроля с необходимой точностью состава четверных твердых растворов ZnCdSeTe и достижения в них достаточно высоких уровней легирования p- и n-типа одновременно.

В проекте оптимизировались параметры многопереходных солнечных элементов за счет использования в рамках одной гетеровалентной структуры германия, соединений A3B5 и соединений A2B6. Т.е. в отличие от американских исследователей создавались структуры с параметром решетки, близким к GaAs или InGaAs c содержанием In (25-35%). А3В5 часть структуры содержит два каскада, выращенные на структуре с p-n переходом на основе Ge, тогда как А2В6 часть включает дополнительный псевдоморфный каскад на основе широкозонных соединений системы (Zn,Cd)(S,Se). Реализация такой структуры осуществлялась с использованием установки МПЭ, включающей две отдельных камеры для роста соединений групп A3B5 и A2B6, вакуумно соединенных между собой .

Важной задачей проекта было формирование протяженных областей (Zn,Cd)(S,Se) с шириной запрещенной зоны 2.1-2.5 эВ. Существенным преимуществом технологии МПЭ в данном случае является возможность замены объемного слоя ZnCdSSe, рост которого трудно контролировать, короткопериодной сверхрешеткой ZnSSe/CdSe. Составы слоев выбирались таким образом, чтобы деформации растяжения в барьерах точно компенсировали деформации сжатия в ямах. Достаточно сложной проблемой при создании фотоактивного перехода в системе (Zn,Cd) (S,Se) является обеспечение относительно высокого уровня легирования p-типа с помощью азота. Легирование азотом ZnSe при МПЭ осуществляется с использованием активации азотных молекул в ВЧ плазменном источнике с индуктивной обратной связью, входящем в состав МПЭ камеры для роста соединений А2В6. Для получения легирования n-типа использовался Cl, позволяющий получить концентрацию электронов вплоть до n=10^{19} см-3.

А3В5 часть структуры, выращенная псевдоморфно с постоянной решетки германия, включала два перехода на основе тройного твердого раствора InGaAs и четверного твердого раствора InGaAlAs. В обоих случаях добавление порядка 1% индия необходимо для точного согласования параметра решетки слоя с параметром решетки Ge. Рост структур методом МПЭ проводился поверх гетероструктур Ge-(In)GaAs, изготовленных методом МОС-гидридной газофазной эпитаксии с использованием ранее развитых методик. Псевдоморфный слой InGaAs, выращенный на подложке Ge, не позволяет получить оптимальную ширину запрещенной зоны нижнего А3В5 каскада (1.05-1.2 эВ), принципиально необходимую для полной оптимизации характеристик 4-х переходного солнечного элемента с верхним А2В6 переходом. Для решения этой проблемы в рамках проекта велась параллельная разработка технологии формирования метаморфного перехода А3В5 с использованием твердого раствора InGaAs с содержанием In в диапазоне 25-30%. Большое рассогласование параметров кристаллической решетки такого соединения с подложками GaAs или Ge (Δa/a>2%) неминуемо приводит при требуемой толщине перехода ~2 мкм к возникновению большой плотности прорастающих дислокаций 10^8-10^9 см-2 вблизи гетерограницы Ge/InGaAs. Для решение этой проблемы в проекте использовались «метаморфные» буферные слои, которые позволили уменьшить плотность прорастающих дислокаций к границе слоя объемного заряда p-n перехода со стороны p- InGaAs активного слоя до уровня менее 10^6 см-2 и снизить утечки в нижнем А3В5 переходе 4х-переходного солнечного элемента. В структуре с метаморфным буфером ширина запрещенной зоны последующих переходов А3В5 на основе четырехкомпонентного твердого раствора AlGaInAs варьировалась в пределах от 1.6 до 1.9 эВ, сохраняя точное согласование кристаллической решетки с первым А3В5 метаморфным переходом за счет варьирования концентрации металлов. Для последующей коммутации p-n перехода на основе AlGaInAs и p-n перехода на основе ZnCdSSe использовался туннельный диод на основе GaInAs, выращенный поверх n-AlGaInAs. Лабораторные образцы солнечных элементов изготавливались с помощью оптимизированных для данных материалов методов фотолитографии и напыления металлических контактов с использованием разработанной топологии.

Согласно теоретическим оценкам, КПД оптимизированных 4х-переходных солнечных элементов может превышать 50%. Однако достижение таких высоких значений требует проведения большого объема дополнительных исследований, связанных с разработкой воспроизводимой пост-ростовой технологии, специально адаптированной для процессирования гетеровалентных гетероструктур. Предполагается выполнение этих исследований в рамках последующей ОКР, проводимой индустриальным партнером. На этапе ПНИ предполагается достижение КПД не менее 38%. Эти значения вплотную приближаются к современному мировому рекорду и превышают эффективность любых солнечных элементов, когда-либо производившихся в России.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Реализация проводимых исследований позволит экспериментально проверить работоспособность выбранного подхода и сформировать опережающий научно-технологический задел для создания солнечных элементов, не имеющих аналогов на мировом уровне. Будет разработан ряд технологических ноу-хау и поданы заявки на патенты. Область применения результатов данной ПНИ очевидна - проведение ОКР силами Индустриального партнера (ЗАО “Светлана-Рост”, С.Петербург), имеющего необходимое оборудование, нацеленной на разработку опытных образцов - прототипов устройств концентраторных фотоэлектрических преобразователей с КПД порядка и более 50%, для дальнейшего развития высокотехнологичного производства концентраторных гетероструктурных фотоэлектрических преобразователей нового поколения для космической и наземной солнечной энергетики. Конечным изделием, в состав которого входит 4х-переходный гетеровалентный солнечный элемент, является компактный, мобильный, автономный источник энергии, востребованный в различных областях народного хозяйства, где требуется обеспечение энергией локальных потребителей в сравнительно небольших объемах (до 100 кВт). С другой стороны, модульный принцип построения устройств на основе концентраторных многопереходных фотоэлектрических преобразователей обеспечивает возможность создания крупных энергетических станций мощностью до МВт и более, характеризующихся высокой экологичностью. Потенциальными потребителями данной разработки являются ОАО «НПП «Квант» (Москва) и ОАО «Сатурн» (Краснодар). Результаты ПНИ должны быть также внедрены в образовательный процесс (курсы лекций на кафедрах в СПб ГПУ, СПбГЭТУ). По теме ПНИ будет подготовлена к защите диссертация на соискание ученой степени кандидата наук.
Программа исследований полностью соответствует современной энергетической стратегии России и приоритетному направлению модернизации российской экономики: “Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива”, критической технологии Российской Федерации: “Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику”, а также Технологической Платформе “Перспективные технологии возобновляемой энергетики”. Ее успешная реализация будет способствовать улучшению экологической обстановки в нашей стране.

Текущие результаты проекта:
- Разработана производственная методика изготовления тестовых структур ФЭП в системе (Zn,Cd) (S,Se), включающих электронно-ограничивающий слой p-Zn(Mg)Se c концентрацией дырок (2-7)х10^17, легированную азотом СР p-ZnSSe/CdSe с шириной запрещенной зоны <2.5 эВ и концентрацией дырок в диапазоне (1-2)х10^17 см-3, легированную хлором СР n-ZnSSe/CdSe с концентрацией электронов в диапазоне (2-5)х10^18 см-3, а также легированные хлором контактные слои c концентрацией электронов свыше 1х10^19 см-3.
- Изготовлены три тестовых структуры ФЭП в системе (Zn,Cd)(S,Se).
- Разработана производственная методика изготовления лабораторных образцов псевдоморфных и метаморфных 4х-переходных гетеровалентных СЭ, включающих фотоактивные переходы на основе Ge, GaInAs, AlGaInAs и СР ZnSSe/CdSe, а также соединительные туннельные переходы и контактные слои.
- Отработаны элементы постростовой планарной технологии для макетов ФЭП на основе наноструктур соединений А2В6.
- Проведены измерения электрооптических характеристик тестовых структур ФЭП в системе (Zn,Cd)(S,Se), показавшие соответствие определенных электрических параметров значениям, заданным в разработанной “Программе и методиках электрооптических испытаний структур ФЭП”.
- Разработана ЭКД лабораторных образцов 4-переходных гетеровалентных солнечных элементов.
- Изготовлены лабораторные образцы 4-переходных гетеровалентных солнечных элементов и проведены измерения их электрооптических характеристик, показавшие соответствие определенного КПД преобразования – 38.2% –значению, заданному в ТЗ ПНИ.
- Проведено обобщение результатов выполнения ПНИ, а также оценка полноты решения задач, достижения поставленных целей и эффективности полученных результатов. Показано соответствие результатов требованиям ТЗ и современному научно-техническому уровню.
- Разработаны технические требования (проект технического задания) к проведению дальнейшей ОКР и рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.