Регистрация / Вход
Прислать материал

Новый низкотемпературный подход к формированию многопереходных солнечных элементов на основе интеграции соединений АIIIВV и кремния

Номер контракта: 14.616.21.0040

Руководитель: Гудовских Александр Сергеевич

Должность: Ведущий научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии СПб АУ НОЦНТ РАН

Организация: федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки «Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук»

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
многопереходные солнечные элементы, гетроструктуры, соединения aiiibv, тонкие пленки, атомно-слоевое осаждение, молекулярно-пучковая эпитаксия

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение проблемы разработки научно-технического задела и технических средств для создания перспективных источников энергии на основе полупроводниковых многопереходных солнечных элементов. 2. Целью проекта является разработка базовых технологических принципов формирования высокоэффективных многопереходных фотопреобразовательных структур на основе согласованных по параметру решетки GaP(NAs)/Si гетероструктур на подложках кремния при температуре не превышающей 400 °С.

Основные планируемые результаты проекта:
По окончанию проекта будут достигнуты следующие результаты:
- Будет разработана новая технология роста полупроводниковых соединений АIIIВV на подложках кремния при низких температурах.
- Будет получена исчерпывающая информация о свойствах гетероструктур АIIIВV/Si, используя экспериментальные данные, собранные в обеих лабораториях.
- Будут найдены оптимальные параметры роста, используя методы исследований материалов и границ в СПбАУ РАН (Санкт-Петербург, Россия), а также компьютерное моделирование и уникальные методики в GeePs (Париж, Франция), для существенного улучшения характеристик солнечных элементов на основе АIIIВV /Si гетеропереходов.
- Будет достигнуто высокое качество пассивации подложек кремния со временем жизни более 0,8 мс, используя низкотемпературный рост GaP слоёв методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения.
- Будут отработаны методы процессирования гетероструктур GaPN(As)/Si в прототипы солнечных элементов, включая формирование наноструктурированных антиотражающий покрытий.
- Используя разработанную низкотемпературную технологию будет разработана технология формирования фотопреобразовательной структуры на основе гетероперехода АIIIВV/Si, обеспечивающей напряжение холостого хода более 0.65 В.
- Будет разработана технология формирования гетероструктуры верхнего фотопреобразовательного перехода на основе GaPN(As) с использованием низкотемпературного процесса атомно-слоевого плазмохимического осаждения.
- Будет разработана технология формирования тандемной GaPN(As)/Si фотопреобразовательной структуры, обеспечивающей напряжение холостого хода более 1.55 В.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Существующие на сегодняшний день высокоэффективные многопереходные солнечные элементы на основе соединений AIIIBV и Ge по величине КПД уже приблизились к своему теоретическому пределу. Дальнейшее развитие многопереходных солнечных элементов требует новых подходов к конструкции и технологии их изготовления, которые, во-первых, позволят существенно повысить значение достижимого КПД и, во-вторых, использовать более доступные и дешевые подложи. В связи с этим, многопереходные AIIIBV СЭ, созданные на подложках Si, представляют большой интерес, поскольку они позволят снизить стоимость подложки, по сравнению СЭ на основе GaAs и Ge, и обеспечат интеграцию с существующей кремниевой технологией.
Работы по формированию решеточно-рассогласованных АIIIВV СЭ на подложках Si (в частности рост GaAs на Si) ведутся интенсивно на протяжении нескольких десятилетий. Но проблема наличия значительной плотности дислокаций в таких приборах за счет несоответствия постоянных решетки приводит к низкому качество слоёв соединений АIIIВV и их сильной деградации со временим, что ограничивает их использование для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.
Одним из перспективных подходов является рост согласованных по постоянной решетки азотсодержащих соединений типа Ga-P-N-As в качестве активных слоев верхних каскадов на подложках кремния (GaP/GaNxP1-x-yAsy/Si). Согласно теоретическим оценкам, такая структура каскадов обладает более высоким пределом КПД по сравнению с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) на GaAs-согласованных системах. Однако, несмотря на то, что решеточно согласованные AIIIBV солнечные элементы на подложках Si являются предметом интенсивных исследований во всем мире, значительных успехов в создании дешевых СЭ с высоким КПД с их помощью достигнуто не было по ряду причин. В процессе роста в слоях фосфида галлия и на гетерогранице возникают упругие напряжения, приводящие к появлению большого количества пронизывающих дислокаций в материалах. Это связано, прежде всего, с проблемой роста полярных соединений на неполярной подложке, что приводит к формированию антифазных доменов, а также с высокими температурами роста и различными коэффициентами температурного расширения фосфида галлия и кремния. Современные методы формирования полупроводниковых AIIIBV структур, такие как, молекулярно-пучковая и газофазная эпитаксия требуют высоких температур роста на уровне 500-800 °С, что приводит к неудовлетворительному качеству гетероинтрефейса, деформации слоев при охлаждении подложки и, ухудшению объемных свойств кремния. Следует также заметить, что высокие температуры приводят к взаимной диффузии в процессе роста элементов III, V и IV группы, являющимися легирующими примесями друг для друга. В итоге происходит размывание гетерограницы и формирование дополнительных областей легирования, негативно влияющих на фотоэлектрические свойства фотопреобразователей.
В данном проекте предлагается использовать новый технологический подход к созданию гетероструктур на основе кремния, который заключается в формировании на поверхности Si тонкого легированного эпитаксиального слоя GaP(N) при низкой температуре (менее 400 С). Эпитаксиальный слой GaP(N), согласованный по параметру кристаллической решетки с Si, выращенный при низкой температуре должен обеспечить необходимую пассивацию поверхностных состояний на границе с Si и одновременно играть роль широкозонного эмиттера. Помимо этого слой GaP(N) будет использоваться как нуклеационный слой для последующей эпитаксии слоев GaP(NAs), согласованных по параметру кристаллической решетки с Si, с целью формирования верхнего перехода для двух- и трехпереходных солнечных элементов на Si подложке. Для роста слоев GaP(N) на поверхности подложки Si при температурах ниже 400 °С будет использован активно развивающийся метод синтеза тонких пленок - атомнарно-слоевое осаждение с плазменной активацией (далее атомно-слоевое плазмохимическое осаждение). Основная идея предлагаемого метода заключается в использовании временной модуляции процесса роста, т.е. разделении во времени этапов транспорта атомов или прекурсоров к растущей поверхности, миграции по поверхности и релаксации кристаллической решетки для каждого монослоя. Временные интервалы между каждым этапом являются дополнительной степенью свободы, позволяющей управлять процессом роста. Близкий подход используется на начальных этапах роста в эпитаксиальных методах для создания нуклеационного слоя фосфида галлия при росте на кремниевых подложках. В случае молекулярно пучковой эпитаксии (МПЭ) его принято называть MEE (migration enhanced epitaxy), а для газофазной эпитаксии – ALE (atomic layer epitaxy). Данный подход заключается в поочередном взаимодействии поверхности подложки с потоком фосфора и потоком галлия: это позволяет получать атомарно- гладкий послойный рост без срыва в островковый рост. Ранее, в работе была показана возможность ALE роста в камере ГФЭ, но процесс требовал больших температур (более 500 °С) для разложения прекурсоров, что ограничивало использование низких температур. В предлагаемом в данной работе методе такая проблема не возникает, так как разложение прекурсоров происходит в плазме, а не на поверхности подложки. С другой стороны, отсутствие требования к сверхвысокому вакууму в сравнении с МПЭ, низкая стоимость и высокая производительность оборудования делают рост в камере плазмохимического осаждения более привлекательным.
Технология роста и создания структур методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения будет разработана с использованием установки Oxford Plasmalab 100 PECVD. В качестве источника атомов Ga и P будут использованы триметиллгаллий (металлорганическое соединение Ga) и фосфин (PH3). Разложение прекурсоров будет происходить в плазме тлеющего разряда в среде водорода.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные в ходе выполнения НИР результаты закладывают основу технологического процесса изготовления выскоэффективных многопереходных солнечных элементов. Разработанная в ходе проведения последующих ОКР технология представляет большой интерес с точки зрения коммерциализации. Разрабатываемые в ходе выполнения НИР солнечные элементы представляют большой интерес не только с точки зрения их наземного использования, но и для использования в качестве источников энергии космических летательных аппаратов, расположенных на малых орбитах. Этот факт обуславливает дополнительное преимущество предлагаемого направления исследований с точки зрения коммерциализации результатов проекта.

Текущие результаты проекта:
Проведен аналитический обзор информационных источников.
Проведено патентное исследование.
Разработана технология осаждения нелегированных слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения.
Разработана конструкция фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода GaP/Si.
Разработана программа-методика испытаний качества пассивации экспериментальных образцов кремниевых подложек с нанесенными слоями GaP (нелегированные, легированные n- и p- типа проводимости).