Фізика/ фізика твердого тіла

Сімченко С.В., Кирилаш О.І., Мосійко Д. І.

Бердянський державний педагогічний університет, Україна

ВИКОРИСТАННЯ НАНОСТРУКТУРОВАНИХ ШАРІВ АРСЕНІДУ ГАЛІЯ В ЯКОСТІ АКТИВНОГО ПОКРИТТЯ ПРИСТРОЇВ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ.

У зв'язку з виснаженням природних енергетичних ресурсів більш актуальним стає питання про використання відновлюваних джерел енергії. Найбільший прогрес досягнуто в розробці пристроїв для перетворення сонячної енергії в електричний струм [1]. Але навіть при значних досягненнях в даному напрямку проблема збільшення ККД сонячних елементів стоїть досить гостро [2]. Для забезпечення зниження втрат використовують різні конструктивні і технологічні рішення. Найбільш поширеними є: утворення на поверхні сонячного елементу періодичного мікрорельєфу, нанесення на "лицьовий" шар антивідбиваючого покриття, формування на поверхні напівпровідникового перетворювача шару пористого матеріалу того ж складу.

В даній роботі наводяться переваги використання поруватого шару арсеніду галію (por-GaAs) в якості антивідбиваючого покриття для сонячних елементів.

До найбільш поширених методів створення пористого арсеніду галію відноситься: електрохімічне і хімічне травлення. Кожен з цих методів має певні переваги і недоліки з точки зору технологічності, відтворюваності результатів, трудомісткості, можливості групової обробки зразків, забезпечення однорідності, широкого діапазону пористості і товщини шарів por-GaAs [3].

В якості зразків фотоперетворювачів брались стандартні планарні p-n переходи на основі монокристалічного GaAs орієнтації (111) які використовуються в сонячних батареях. Товщина "верхнього" n-шару складала близько 2мкм, а "нижнього" p-шару ~ 70мкм. Концентрація основних носіїв в обох шарах склала приблизно 10¹⁶-10¹⁷ см^-3. Пористу поверхню отримували методом електрохімічного травлення.

Перед експериментом зразки ретельно очищалися. Процес очистки складався з наступних стадій:

1) промивання зразка в етиловому спирті;

2) промивання в дистильованій воді;

3) сушка пластин за допомогою центрифуги в потоці очищеного сухого повітря.

В якості електроліту для травлення нами використовувалися 45% фтористоводнева кислота і 96% спирт у співвідношенні 1:1.

Травлення здійснювалося в розробленій нами комірці (фторопласт марки Ф-10 з платиновим кільцевим електродом). Травлення проводилося при щільності струму анодування 80 мА/см², тривалістю 4-5 хв. у повній темряві. Джерелом напруги служив прецизійний блок живлення на основі модуля KIS-3R33S. Струмова кінетика процесу травлення реєструвалася АЦП оригінальної конструкції і відображалася на екрані комп'ютера в режимі реального часу.

Морфології отриманих пористих структур досліджувалися за допомогою растрового електронного мікроскопа REM-109.

Товщина отриманих шарів por-GaAs в експериментах складала від 40 до 80 нм.

Спектральні залежності коефіцієнта відбиття в діапазоні довжин хвиль 400-1150 нм вимірювали за допомогою спектрофотометра Perkin Elmer 330.

Вимірювання вольт-амперних характеристик і параметрів фотоперетворювачів здійснювалося на тестері контролю сонячних елементів з імпульсним освітленням ксеноновим лампою з тривалістю імпульсу 5 мс та інтенсивністю світлового потоку 1000 Вт/м² при температурі 200С.

Завдяки використанню пористих шарів арсеніду галію в якості антивідбиваючого покриття вдалося знизити поверхневе відбиття, розширити робочий спектральний діапазон перетворення світлової енергії і отримати зростання струму короткого замикання таких сонячних елементів, тим самим значного підвищення ККД.

На приготованих зразках спостерігалося явне збільшення поглинаючої здатності в шарах por-GaAs з ростом товщини пористої поверхні, що свідчить про збільшення ККД перетворення таким фотоелементом.

Значення струму короткого замикання в сонячних елементах з por-GaAs збільшувалася приблизно на 10% порівняно з таким же монокристалічним зразком, тоді як напруга холостого ходу не змінювалося.

За допомогою поруватих шарів вдалось зменшити поверхневе відбиття, розширити діапазон спектральної чутливості і тим самим отримати зростання струму короткого замикання фотоперетворювачів на основі por-GaAs.

Зростання струму короткого замикання обумовлено також збільшенням "активної" площі фотоперетворювача на основі por-GaAs за рахунок пористості поверхні.

Встановлено, що фотоперетворювачі з пористим верхнім шаром по ефективності можуть конкурувати з перетворювачами на поверхню яких нанесені просвітлюючі покриття "активної" поверхні, а по собівартості являються в рази дешевші.

Такі пристрої можуть бути використані при виготовленні сонячних елементів, сонячних батарей, фотоперетворювачів і фотодатчиків.

Література:

1. Greenpeace, Solar Generation, for the European PV Industries Assoc (2001).

2. Wiles J, PV Power Systems and the National Electric Code: Suggested Practices, SAN2001- 0674, Sandia Nat Labs, Albuquerque, NM, USA (2001).

3. Мямлин В.А. Электрохимия полупроводников: учеб. / В.А Мямлин, Ю.В. Плесков. М.: Наука, 1965. - 376 с.