Кремниевые фотопреобразователи для космической и авиационной отрасли

Высокоэффективные фотовольтаические преобразователи как источники энергии для летательных аппаратов вызывают большой интерес со стороны разработчиков космической и авиационной техники. Для космических аппаратов солнечные батареи являются широко применяемым источником энергии, в авиационной технике их использование также является перспективным для некоторых видов изделий, например, для легких беспилотных летательных аппаратов.

Основными используемыми базовыми материалами для фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) являются кремний и арсенид галлия. Несмотря на то, что кремниевые ФЭП имеют худшие эксплуатационные характеристики, чем арсенидгаллиевые, кремний продолжает оставаться главным материалом фотовольтаической солнечной энергетики. Это обусловлено широкой распространенностью исходного сырья и развитой технологией изготовления самого материала и приборов на его основе, что обеспечивает существенно меньшую стоимость кремниевых ФЭП по сравнению с аналогичными устройствами на основе

Яровой Геннадий Петрович, президент, доктор физико-математических наук, профессор

и фториды редкоземельных элементов арсенида галлия. Актуальной проблемой кремниевых ФЭП является повышение их КПД, ныне составляющий в среднем 15-17%. Интенсивные исследования в этом направлении в последнее десятилетие привели к тому, что темп роста КПД, составлявший в начале десятилетия примерно 0,3-0,4% в год, резко возрос и в 2008 г. уже сообщается о создании кремниевого фотоприемника с эффективностью 42,8% [1]. Высокие темпы роста КПД связаны с переходом к кремниевым ФЭП так называемого третьего поколения, представляющих собой многослойные, многобарьерные структуры, в которых присутствуют материалы с различной шириной запрещенной зоны Еg, благодаря чему удается уменьшить фундаментальные потери в кристалле, связанные с непогло-щением фотонов с энергией меньшей, чем ширина запрещенной зоны кристалла, и термализацией кристаллической решетки при поглощении фотонов с энергией большей, чем Еg и превысить теоретический предел фотовольтаического преобразования энергии для монокристаллического кремния в 27% [2].

Увеличить спектральную чувствительность кремниевого ФЭП в длинноволновой части спектра может применение покрытий из оксидов и фторидов редкоземельных элементов (РЗЭ), благодаря наблюдаемому в этих материалах эффекту перепоглощения: возбуждения низкоэнергичными фотонами люминесцентных центров, связанными с ионами РЗЭ, которые генерируют фотоны с более высокими энергиями [3]. Кроме того, нанесение покрытий из пленок оксидов и фторидов РЗЭ позволяет значительно снизить рекомбинационные потери. Обладая высокой прозрачностью (98-99%) во всем видимом диапазоне солнечного спектра и подходящим значением показателя преломления (1,8-2,2), эти материалы проявляют и хорошие пассивирующие свойства на поверхности кремния благодаря высокой геттери-рующей способности редкоземельных ионов, входящих в их состав. Нанесение пленки оксида или фторида РЗЭ на рабочую поверхность кремниевого фотопреобразователя позволяет снизить коэффициент отражения для излучения с длиной волны 620 нм с 30% до 3%-4% и увеличить фототок более чем на 50% [4]. На рис. 1 а, б приведены люкс- и вольт-амперные характеристики диодных структур с покрытиями из фторидов РЗЭ и без покрытий. Из рисунка видно, что лучшие характеристики имеют структуры с покрытиями.

Рис. 1. Люкс-амперные (а) и вольт-амперные I          II          III          IV         V

(б) характеристики диодных структур с полированной (ПП) и текстурированной (ТП) поверхностью: I – ТП со слоем DyF3; II – ТП со слоем ErF3; III – ПП с покрытием из ErF3; IV – ТП без покрытия; V – ПП без покрытия

Уменьшить термализацию можно использованием в многослойных структурах более широкозонных, чем кремний, материалов. Таким материалом может выступать слой широкозонного материала карбида кремния или слой с нанокристаллами кремния, в которых Еg определяется квантово-размерными эффектами и может быть заметно больше, чем Еg объемного монокристаллического кремния. Применение этих материалов позволяет расширить область спектральной чувствительности кремниевого ФЭП в более коротковолновую часть спектра солнечного излучения по сравнению с традиционными кремниевыми ФЭП.

Эффективной системой нанокристаллов кремния может быть слой пористого кремния (ПК), так как стенки пор представляют собой неупорядоченную систему квантовых ям, нитей и квантовых точек [5]. Наличие этих квантово-размерных образований обеспечива-ет высокую чувствительность пористого кремния в коротковолновой части спектра, вплоть до ультрафиолетовой его части, к тому же, благодаря развитой системе пор, площадь поглощающей поверхности фотоприемника значительно увеличивается. Однако существует ряд проблем, которые препятствуют широкому использованию пористого кремния в ФЭП. Это низкая воспроизводимость результатов из-за неконтролируемых факторов технологического процесса, нестабильность параметров ПК из-за остающегося в его порах реактива, а также высокое электрическое сопротивление ПК. Решением этих проблем может быть создание пористого слоя локально на поверхности с затравками порообразования, а также использование стабилизирующих покрытий (SiC, ОРЗЭ, ФРЗЭ). В данной работе пористый слой создавался на текстурированных кремниевых подложках с поверхностью, заполненной правильными четырехгранными пирамидами [6, 7]. Порообразование на такой поверхности происходит только в местах соприкосновения оснований пирамид, поэтому в результате травления структур с заранее созданным мелкозале-гающим p-n-переходом исходный n- тип проводимости на гранях тетраэдрических вершин сохраняется, так что образующаяся структура представляет собой ряд вертикальных диодов, объединенных общей подложкой (рис. 2).

Такие структуры, обладая повышенной фоточувствительностью в коротковолновой части спектра, как пористый кремний [5], в тоже время имеют достаточно низкое электрическое сопротивление и хорошую стабильность. На рис. 3 приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) полученных образцов фоточувствительных структур с пористым слоем при различных уровнях освещённости: 800Lx (естественная), 2100Lx, 15000Lx (максимальная), измеренные спустя полгода хранения на воздухе в условиях естественного освещения. Специальных защитных покрытий структуры не имели, однако за время хранения сохранили свои электрические свойства практически без изменений.

Рис. 2. Изображение исходной текстурированной поверхности, полученное с помощью растрового электронного микроскопа (а) и схематичное изображение образца со щелевидными порами (б)

Рис. 3. Световые ВАХ ПК с текстурированной поверхностью, измеренные через полгода после изготовления: 1 – Si 800Lx, 2 – por-Si 800Lx, 3 – Si 2100Lx, 4 – por- Si 2100Lx, 5 – Si 15000Lx, 6 – por-Si 15000Lx

На поверхности слоя пористого кремния методом термической эндотаксии из газовой фазы выращивался слой карбида кремния, таким образом были получены гетерострук-туры SiC/Si, которые также имели высокие и стабильные фотоэлектрические параметры. При проведении процесса эндотаксии в условиях пересыщения газовой фазы углеродом на стенках существующих цилиндрических пор происходило образование углеродных нанотрубок (рис. 4), что облегчало создание омического контакта к слою карбида кремния. В табл. 1 приведены основные фотоэлектрические параметры изготовленных структур

Рис. 4. РЭМ-изображение поверхности гетероструктуры SiC /Si с углеродными нанотрубками

Из приведенных результатов видно, что использование разработанных методик изготовления слоев и структур позволяет создать фоточувствительные структуры с достаточно высокими фотоэлектрическими параметрами, сохраняющими свом значения в течение длительного времени.

Таблица 1. Основные параметры структур

Выводы: можно сделать вывод, что применение в конструкции ФЭП на кремниевой подложке слоев пористого нанокристалли-ческого кремния, широкозонного карбида кремния, диэлектрических покрытий из фторидов или оксидов РЗЭ позволяет повысить его эффективность практически до уровня ФЭП на основе арсенида галлия. В тоже время технология изготовления таких структур не сильно отличается от традиционной технологии изготовления кремниевых ФЭП, сохраняя ее очевидные преимущества: экономичность, экологичность, безопасность, доступность сырья, развитая индустрия производства.