Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0033

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0033
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью специальное конструкторско-технологическое бюро "ИНВЕРСИЯ"
Название доклада
Разработка научно-технических и технологических решений получения фотоэлектрических преобразователей нового поколения на основе наногетероструктур InAs/GaAs для высокоэффективных возобновляемых источников энергии
Докладчик
Чеботарев Сергей Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования: Разработка и получение наногетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками для фотоэлектрических преобразователей нового поколения методом ионно-лучевой кристаллизации и повышение их эффективности до 10%.

Задачи исследования:
Провести аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему. Провести патентные исследования. Разработать научные основы получения
фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками методом ионно-лучевой кристаллизации. Провести математическое моделирование процесса ионно-лучевой кристаллизации для получения гетероструктур с квантовыми точками. Разработать эскизную программную документацию на программную модель расчета функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками. Разработать эскизную конструкторскую документацию на экспериментальные образцы фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками. Разработать программу и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками. Разработать лабораторный регламент на получение экспериментальных образцов фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками. Разработать маршрутно-операционную технологическую карту. Провести исследовательские испытания экспериментальных образцов фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками. Разработать предложения и рекомендации по использованию результатов.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность – теоретическая эффективность классического однопереходного фотопреобразователя в условиях неконцентрированного солнечного освещения ограничена 31%. Это обусловлено неиспользованием фотонов с энергией меньше ширины запрещенной зоны полупроводникового материала. Наиболее полезную работу совершают фотоны с энергией незначительно больше ширины запрещенной зоны. Высокоэнергетичные фотоны порождают электронно-дырочные пары, некоторая часть энергии которых расходуется на термализацию. В последнее время развитие получил новый подход к решению проблемы термализации. Он основан на применении полупроводниковых структур с самоорганизующимися квантовыми точками. Управляя размерами, формой квантовых точек и составом матрицы, можно контролируемо модифицировать край зоны поглощения дополнительного перехода, что позволит расширить спектральный диапазон чувствительности и увеличить фототок. Весьма интересным подходом является идея использования энергетических уровней в квантовых точках в качестве промежуточной зоны для реализации эффективного фотоэлектрического преобразования фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Устройства, реализующие этот эффект, получили название фотоэлектрических преобразователей с промежуточной энергетическогой подзоной. На практическую реализацию этой идеи и направлена эта научно-исследовательская работа.
Новизна ПНИ заключается в разработке оригинального технологического метода ионно-лучевой кристаллизации и конструкции фотоэлектрического преобразователя на наногетероструктурах с квантовыми точками: p+-GaAs/p-GaAs/i-GaAs/i-InAs(КТ)/i-GaAs/i-InAs(КТ)/i-GaAs/i-InAs(КТ)/i-GaAs/n-GaAs/n+-GaAs.
Описание исследования

Обобщены результаты расчетов характеристик и свойств фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками; Показано, что промежуточную подзону необходимо размещать в нелегированной области для повышения эффективности использования низкоэнергетичных фотонов. Толщина слоя с промежуточной подзоной должна быть достаточно большой (> 1 мкм). Однако, для уменьшения рекомбинационных процессов эта толщина для каждой конкретной конструкции должна быть оптимизирована. Энергии EH и Eg должны также быть оптимизированы. Это достигается подбором технологических условий в которых размеры квантовых точек будут обеспечивать нужное расположение энергетической подзоны EH. Величина ширины запрещенной зоны зависит от типа матричного полупроводникового материала. Полупроводники с большой шириной запрещенной зоны обеспечивают генерацию меньшего фототока, но приводят к формированию больших напряжений холостого хода. Разработана эскизная программная документация  и программная модель расчета функциональных характеристик фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками. Проведены испытания программной модели PVcell solver в соответствии с разработанной Программой и методиками испытаний ПКФТ.210033.001 ПМ. Разработан метод получения полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур. Представлены и проанализированы результаты экспериментальных исследований закономерностей ионно-лучевой кристаллизации наногетероструктур с квантовыми точками InAs-QD/GaAs(001), изучена их морфология и оптические свойства. Определены энергетические и угловые зависимости коэффициентов распыления арсенида галлия и арсенида индия аргоновым пучком с энергией 100–500 эВ и углах падения от 0 до 80°. Показано, что в диапазоне энергий от 100 до 300 эВ энергетическая зависимость для этих материалов практически линейна, что может быть использования для создания управляемых ростовых массопотоков со скоростями в доли монослоев в секунду. Разработан лабораторный регламент на получение фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками, включающий описание назначения, краткую характеристику сырья, полупродуктов, готового продукта, описание технологической схемы и расположения аппаратуры, описание схемы контрольно-измерительных приборов, описание схемы электроснабжения. Разработана маршрутная карта на единичный технологический процесс изготовления экспериментальных образцов фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками.

Результаты исследования

Рассчитаны оптические свойства и функциональные характеристики фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками. Модель предназначена для расчета распределения электрического поля в многослойной структуре при облучении фотоэлектрической структуры оптическим излучением произвольного спектрального состава, также модель призвана рассчитать основные параметры фотоэлектрических преобразователей на гетероструктурах с квантовыми точками: фототока, тока насыщения, тока короткого замыкания, коэффициента полезного действия и фактора заполнения, вольт-амперных и спектральных характеристик.

Разработана эскизная конструкторская документация на фотоэлектрический преобразователь с квантовыми точками, которая состоит из ведомости оснащения проекта (ИН.ФПКТ.01.00.00.000.ЭП), пояснительной записки (ИН.ФПКТ.01.01.00.000.ПЗ), чертежа общего вида (ИН.ФПКТ.01.02.00.000.ВО), схемы электрической функциональной (ИН.ФПКТ.01.03.00.000.Э2), схемы электрической соединений (ИН.ФПКТ.01.04.00.000.Э4), схемы электрической подключений (ИН.ФПКТ.01.05.00.000.Э5).

Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками ИН.ФПКТ.01.06.00.000.ПМ. Разработанная программа испытаний включает 7 этапов: проверка технической документации на соответствие установленной комплектности и оценка её качества; проверка соответствия объекта испытаний его конструкторской документации; проверка размеров и общего вида объекта испытаний; проверка плотности тока короткого замыкания в режиме световой засветки (AM1.5 D); проверка напряжения холостого хода в режиме световой засветки (AM1.5 D); проверка фактора заполнения FF в режиме световой засветки (AM1.5 D); проверка коэффициента полезного действия в режиме световой засветки (AM1.5 D); проверка спектральной зависимости внешнего квантового выхода в условиях световой засветки (AM1.5 D).

Разработана маршрутно-операционная карта на единичный технологический процесс изготовления экспериментальных образцов ‑ фотоэлекрических преобразователей на гетероструктурах с квантовыми точками. Установлены технологические процессы для изготовления экспериментальных образцов, средства выполнения технологических процессов, исходная заготовка, основные и вспомогательные материалы;

Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов фотоэлектрических преобразователей с квантовыми точками ФПКТ. Использование разработанной конструкции ФПКТ позволило достичь в условиях неконцентрированного солнечного излучения (AM 1.5 D) средней величины плотности тока короткого замыкания 20.024 мА/см2, напряжения холостого хода 0.916 В, фактора заполнения FF=77.51%, КПД - 14.21%.  Результаты исследовательских испытаний спектральных зависимостей внешнего квантового выхода объектов испытаний в режиме световой засветки в условиях АМ 1.5 D показывают на значительное расширение спектральной чувствительности в инфракрасной области (950-1200 нм). Величина внешнего квантового выхода в указанном диапазоне изменяется с 41,7 % до 11,4 %, что достигается дополнительным поглощением длинноволновых фотонов, не утилизируемых в классических фотоэлектрических преобразователях, с последующей генерацией неосновных носителей заряда, приводящих к повышению интегрального тока ФПКТ.

Практическая значимость исследования
Проведенная технико-экономическая оценка показала, что разрабатываемые мультикаскадные солнечные элементы на основе квантоворазмерных гетероструктур соответствуют мировому научно-техническому уровня (для всех случаев коэффициент конкурентоспособности Kотн > 1), а разрабатываемая продукция является конкурентоспособной на отечественном и мировом рынке солнечной энергетики. Лидерами рынка солнечной энергетики стали Германия, Китай, Италия, США, Япония. Производство солнечных элементов в России за последние три года существенно выросло. Однако, доля России на мировом рынке производства батарей составляет менее 0,15 %. Основными потребителями предлагается рассматривать индивидуальных потребителей (70%) и социальные объекты, подключенные в рамках действующих региональных и муниципальных программ (25%) в регионах с высокой плотностью населения и уровнем инсоляции: Южный федеральный округ, Северо-Кавказский федеральный округ, Московская область, Алтайский край, южная часть Дальневосточного федерального округа. ФКА "Роскосмос" (5%).

Таким образом, полученные результаты являются научным заделом для разработки технологии и организации опытного производства высокоэффективных солнечных панелей с расширенным спектром поглощения. 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.