Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0040

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0040
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"
Название доклада
Новый низкотемпературный подход к формированию многопереходных солнечных элементов на основе интеграции соединений АIIIВV и кремния
Докладчик
Гудовских Александр Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка научно-технического задела и технических средств для создания перспективных источников энергии на основе полупроводниковых многопереходных солнечных элементов, разработка базовых технологических принципов формирования согласованных по параметру решетки A3B5 гетероструктур на подложках из монокристаллического кремния для создания многопереходных солнечных элементов.
Актуальность и новизна исследования
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.
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, 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.
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).
Описание исследования

В данном проекте используется 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). 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.  Для  роста слоев GaP(N) на поверхности подложки Si при температурах ниже 400°С используется активно развивающийся метод синтеза тонких пленок  ­- атомарно-слоевое плазмохимическое осаждение (PEALD). 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 делают рост в камере плазменно-стимулированного осаждения более привлекательным.

В ходе выполнения проекта была разработана технология роста и создания структур методом PE-ALD с использованием установки плазмохимического осаждения Oxford Plasmalab 100 PECVD. В качестве источника атомов Ga и P используются триметиллгаллий (металлорганическое соединение Ga) и фосфин (PH3). Разложение прекурсоров происходит в плазме тлеющего разряда в среде водорода. Для формирования легированных слоев GaP n-типа проводимости в газовую среду в промежутке времени между ростом двух монослоев GaP добавляется поток моносилана (SiH4) сильно разбавленного в водороде (H2), что позволяет внедрить в решетку GaP атомы донорной примеси - кремния. Для формирования легированных слоев GaP p-типа проводимости предложено аналогичным образом использовать источник атомов цинка (Zn) - диэтилцинк (Zn(С2H5)2), подаваемый в рабочую камеру с помощью потока водрода.

 

Результаты исследования

Продемонстрирована перспективность использования низкотемпературного атомарно-слоевого плазмохимического осаждения слоев GaP на подложках кремния для создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения.

Впервые показана возможность формирования с помощью метода атомарно-слоевого плазмохимического осаждения легированных слоев GaP.

Разработана технология формирования контактных и барьерных металлических слоев на поверхности гетероструктур методом вакуумного напыления. Изготовлены экспериментальные образцы нелегированных и легированных кремнием слоев GaP на подложках кремния и барьеры Шоттки к ним. Разработана технология изготовления фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si.

Впервые с помощью метода атомарно-слоевого плазмохимического осаждения при температуре менее 400 C изготовлены экспериментальные образцы фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si.

Разработана программа-методика испытаний экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов на основе GaP(N) и Si, однопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения и многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния. Проведены испытания экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si. 

 

Практическая значимость исследования
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. Повышение КПД фотоэлектрических преобразователей позволяет повысить уровень вырабатываемой электроэнергии всей солнечной энергоустановке при прежнем уровне затрат на их создание. Данный результат, позволяющий повысить экономическую эффективность производства солнечных энергоустановок, имеет не только краткосрочную экономическую ценность для конкретных производителей солнечных энергоустановок, но также имеет и долгосрочную значимость, заключающуюся в том, что снижение стоимости затрат на каждый Ватт вырабатываемой энергии способствует дальнейшему развитию возобновляемых источников энергии. Учитывая ограниченность мировых запасов энергоносителей, а также жесткие экологические требования, выполнение которых является необходимым условием в современном мире, развитие возобновляемых источников энергии является одной из приоритетных задач мирового сообщества. Исследования, проводимые на мировом уровне в области передовых технологий, направленные на решение глобальных экологических и экономических мировых вызовов, формируют ведущие научные школы и повышают их уровень, что, безусловно, повышает престиж научных и образовательных учреждений России.
Постер

Poster_2016.ppt