Физико-технологические основы создания трехкаскадных фотопреобразователей GaInP/GaAs/Ge с повышенной радиационной стойкостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Скачков Александр Федорович

• Скачков Александр Федорович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Скачков Александр Федорович

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние в области разработки технологии многокаскадных солнечных элементов

1.1 Многокаскадные солнечные элементы на основе соединений А3В5

1.1.1 Конструкция и принцип действия многокаскадного СЭ

1.1.2 Текущий уровень развития технологии изготовления каскадных солнечных элементов на основе соединений А3В5

1.1.3 Тенденции развития многокаскадных СЭ в мире

1.2 Полупроводниковые соединения А3В5, применяемые в многокаскадных солнечных элементах

1.2.1 Соединение GaInP

1.2.2 Соединения GaAs и InGaAs

1.2.3 Соединение AlGaAs

1.2.4 Соединения AlGaInP и AlInP

ГЛАВА 2. Технология получения структур каскадных СЭ методом МОС -гидридной эпитаксии

2.1 Методы in situ контроля процесса МОСГФЭ

2.2 Разработка основ МОСГФЭ технологии получения каскадных СЭ

ГЛАВА 3. Технология пост-ростовой обработки эпитаксиальных структур каскадных солнечных элементов

3.1. Обзор типового пост-ростового процесса изготовления СЭ

3.1.1 Формирование лицевых контактов

3.1.2 Формирование тыльного контакта

3.1.3. Травление мезы

3.1.4. Напыление просветляющего покрытия

ГЛАВА 4. Радиационная стойкость солнечных элементов

4.1 Радиационная стойкость трёхкаскадного солнечного элемента

4.2 Увеличение радиационной стойкости трехкаскадного СЭ

ГЛАВА 5. Разработка технологии изготовления трехкаскадных солнечных элементов с повышенной радиационной стойкостью

5.1 Исследование соединения GaInP, легированного примесью сурьмы

5.2 Исследование соединения AlGaInPSb

5.3 Исследование диффузионногор-п перехода в подложкеp-Ge

5.4 Трехкаскадный СЭ с повышенной радиационной стойкостью

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Расчет коэффициентов отражения

Введение

Актуальность исследования

Основным видом бортовых энергоустановок на подавляющем большинстве существующих и разрабатываемых в нашей стране и за рубежом космических аппаратов (КА) являются солнечные батареи (БС) с полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями (ФП), которые уже более 50 лет успешно обеспечивают решение разнообразных задач космическими средствами.

В современных условиях происходит постоянное возрастание электрической мощности, потребляемой бортовыми системами отдельных орбитальных космических аппаратов в связи с расширением круга задач, решаемых космическими средствами, и повышением требований к качеству их выполнения, а также необходимостью увеличения сроков активного существования солнечных батарей дорогостоящих космических аппаратов с целью снижения темпов роста затрат на финансирование космических программ, что приводит к необходимости улучшения эффективности и радиационной стойкости солнечных элементов (СЭ).

В настоящее время основным солнечным элементом, применяемым в космической отрасли, является трехкаскадный солнечный элемент из А3В5 соединений Оа1пР/ОаЛв/Ое. Данный тип солнечных элементов практически полностью вытеснил из направления космической фотоэнергетики устаревшие кремниевые фотопреобразователи. Обладая большей эффективностью фотопреобразования, трехкаскадные солнечные элементы также являются более радиационно-стойкими, в сравнении с кремниевыми солнечными элементами, что делает их наиболее привлекательными для применения в космической отрасли.

Степень разработанности

Активное исследование полупроводниковых соединений Л3В5, полученных методом МОС-гидридной газофазной эпитаксии (МОСГФЭ) началось с середины 1990-х годов. Связано это, в первую очередь, с развитием технологического оборудования, которое позволило получать эпитаксиальные слои высокого

качества. За прошедший период были достаточно хорошо исследованы оптические и электрические свойства полупроводниковых соединений, применяемых в структурах многокаскадных солнечных элементов, GaAs, AlGaAs, GaInP, AlInP, AlGaInP [1]. Среди наиболее перспективных соединений не только для фотовольтаики, но и для светодиодов и фотодиодов, работающих в коротковолновом диапазоне, авторами выделялось соединение AlGaInP. Однако наличие алюминия, как утверждают авторы работ [69], приводило к ухудшению электрических характеристик соединения, за счет активного включения в растущий слой кислорода. При исследовании перспективного материала GaInPSb авторами [2] был проведен анализ включения легирующих примесей в растущие слои. Однако не был освещен вопрос влияния концентрации сурьмы на ширину запрещенной зоны и подвижность носителей зарядов эпитаксиальных слоев GaInPSb, выращенных на подложках Ge.

Исследования структуры трехкаскадного солнечного элемента велись и проводятся в настоящий момент ведущими лабораториями мира: институтом Фраунгофера, компанией Spectrolab и SolAero (Emcore). Определены неотъемлемые составляющие компоненты и основные материалы, применяемые в структуре СЭ [3, 4, 5]. Однако общепринятой единообразной конфигурации не существует, так как ключевые слои могут изменяться в зависимости от последовательности элементов структуры, а также области применения каскадного солнечного элемента.

Распределенный брэгговский отражатель (РБО или БО) является хорошо изученной слоистой структурой, которая часто применяется в опто- и микроэлектронике. В ряде работ [105] предлагалось использование Брэгговского отражателя в структуре однокаскадных солнечных элементов на основе арсенида галлия, с целью увеличения длинноволновой спектральной чувствительности. Также была отмечена перспективность применения БО в структуре многокаскадных солнечных элементов. Однако не была рассмотрена возможность внедрения туннельного диода в структуру брэгговского отражателя, для предотвращения паразитного поглощения отраженного излучения во

вспомогательных слоях.

Таким образом, исследование оптических и электрических свойств полупроводниковых соединений GaInPSb и ЛlGaInPSb и разработку структуры трехкаскадного солнечного элемента с повышенной радиационной стойкостью можно считать оригинальной. Цель и задачи диссертации

Целью работы являлась разработка технологии эпитаксиального наращивания структур трёхкаскадных солнечных элементов с КПД 30% космического назначения на основе полупроводниковых соединений А3В5 методом МОС-гидридной эпитаксии. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. определить оптимальные электрические и оптические параметры отдельных эпитаксиальных слоев многокаскадного солнечного элемента;

2. исследовать оптические и электрические параметры полупроводниковых материалов А3В5, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии, при различных параметрах роста;

3. разработать конфигурацию структуры многокаскадного солнечного элемента, обеспечивающую высокую эффективность фотопреобразования;

4. определить пути увеличения радиационной стойкости многокаскадных солнечных элементов;

5. разработать структуру многокаскадного солнечного элемента с повышенной радиационной стойкостью.

Объект и предмет исследования

Объектом диссертационной работы являются эпитаксиальные структуры трехкаскадных солнечных элементов на основе соединений А3В5. Предметом исследования являются оптико-электрически свойства многослойной эпитаксиальной структур трехкаскадного солнечного элемента. Методологическая и теоретическая основа исследования Теоретическую основу диссертационного исследования составляют классические и современные труды отечественных и зарубежных ученых в области

фотовольтаики и физики полупроводников. Использовались материалы научных периодических изданий, конференций и семинаров. В ходе исследований применялись методы: анализа, математического моделирования, измерения, сравнения и экспериментальный метод.

Научная новизна диссертации

1. Получена зависимость значения ширины запрещенной зоны GaInP1-ySby от концентрации изовалентной примеси сурьмы, выращенных на подложках p-Ge методом МОС-гидридной эпитаксии.

2. Получены зависимости концентрации и подвижности носителей заряда в слоях GaInP1-ySby легированных теллуром, выращенных на подложках GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии, от соотношения потоков DETe и Ш-ей группы.

3. Получена зависимость значения ширины запрещенной зоны GaInP1-ySby легированных теллуром, выращенных на подложках GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии, от соотношения потоков DETe и Ш-ей группы.

4. Показано, что подвижность носителей заряда в слоях AЮaInP1-ySby, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии на подложках GaAs, при у = 1,44-10-4 возрастает на 11% при температуре 300 К.

5. Впервые предложено использование соединения AlGaInPSb в качестве материала слоя тыльного потенциального барьера каскада на основе GaInP1-ySby в структуре трехкаскадного солнечного элемента.

6. Показано, что в случае использования слоя n-GaInP1-ySby в туннельном диоде трехкаскадного солнечного элемента перед каскадом на основе GaAs приводит к увеличению спектральной чувствительности последнего на 25% в диапазоне длин волн 650-850 нм.

7. Впервые предложено использование слоев n-GaAs / p-AlGaAs в качестве туннельного диода, являющего одновременно частью распределенного брэгговского отражателя.

8. Показано, что проведение отжига подложек p-Ge в потоке фосфина в температурном диапазоне 650-670 °С приводит к дополнительному возрастанию напряжения холостого хода Ge субэлемента.

Теоретическая и практическая значимость работы

Результаты проведенных исследований использованы при разработке первых отечественных трехкаскадных солнечных элементов с повышенной радиационной стойкостью, которыми будут комплектоваться солнечные батареи космических аппаратов для всех типов орбит (Приложение А).

Научные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная эпитаксиальная структура трехкаскадного солнечного элемента GaInP/GaInЛs/Ge с повышенной радиационной стойкостью обеспечивает среднее значение эффективности фотопреобразования на уровне 29,5% при АМ0 1367Вт/м2, 28°С.

2. Коэффициент деградации значения максимальной мощности трехкаскадных солнечных элементов GaInP/GaInЛs/Ge, на основе разработанной структуры, находится на уровне 0,63 при воздействии потом электронов с энергией 1 МэВ и флюенсом 11016 эл/см2.

3. Коэффициент деградации значения максимальной мощности трехкаскадных солнечных элементов GaInP/GaInЛs/Ge, на основе разработанной структуры, находится на уровне 0,69 при воздействии потом протонов с энергией 21 МэВ и флюенсом 11013 пр/см2.

4. Сурьма в малой концентрации у = 1,44 10-4 в слоях GaInP1-ySby, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии на подложках p-Ge, увеличивает ширину запрещенной зоны на 0,089 эВ. Дальнейшее увеличение концентрации сурьмы приводит к уменьшению значения ширины запрещенной зоны GaInP1-ySby.

5. Теллур в соотношении к мольному потоку третьей группы равному 0,75 10-3 увеличивает на 0,06 эВ значение ширины запрещенной зоны материала GaInP, полученного методом МОС-гидридной эпитаксии на подложках GaAs.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными

радиационными испытаниями трехкаскадных солнечных элементов GaInP/GaAs/Ge и выполненными измерениями вольтамперных характеристик (ВАХ) СЭ. Исследование эпитаксиальных слоев A3B5 выполнены общепринятыми методами фотолюминесценции, рентген-дифрактометрии и методом Холла.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы создания трехкаскадных фотопреобразователей GaInP/GaAs/Ge с повышенной радиационной стойкостью»

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014), Всероссийской молодежной конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (ЗАТО поселок Звездный городок, ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2011, 2013, 2016, 2019), Научно-технической конференции «Космическая энергетика» (Краснодар, 2011, 2014, 2017), Научно-практической конференция «Автономная энергетика: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2014), Научно-технической конференция молодых специалистов ОАО «ИСС» имени академика Решетнева» (Железногорск, 2014), Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Королев, 2014), 10-й Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления" (Домбай, 2015), 12-ой российской конференции "Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики" (Санкт-Петербург, 2016), Всероссийской конференции молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (Новосибирск, 2017), 53-их Научных чтениях памяти К.Э. Циалковского (Калуга, 2018), 20-й Всероссийской молодежной конференции "Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто - и наноэлектроника" (Санкт-Петербург, 2018), 22-й Всероссийской научно-технической конференции "Радиационная стойкость электронных систем" (Лыткарино, 2019), 18-й Международной конференции "Авиация и космонавтика" (Москва, 2019).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Объем работы составляет 1 54 страницы, включая 66 рисунков, 15 таблиц. Список цитированной литературы содержит 110 наименований.

ГЛАВА 1. Современное состояние в области разработки технологии многокаскадных солнечных элементов

Текущий уровень коэффициента полезного действия (КПД) имеющихся на рынке современных трехкаскадных солнечных элементов GaInP/GaAs/Ge находится в диапазоне 28% - 32% для космических солнечных элементов и 38% -41% для наземных солнечных элементов, измеряемых в условиях концентрирования солнечного излучения (CPV). Данный уровень КПД сохраняется уже на протяжении последних 10 лет и дальнейшее увеличение эффективности возможно только с внедрением новых конфигураций СЭ и технологий их производства. Поэтому подавляющее большинство компании и научно-исследовательских учреждений, работающие над разработкой многокаскадных СЭ, ведут поиск новых составов материалов и технологий их производства для того чтобы продолжить улучшать эффективность каскадных солнечных элементов. Примечательно, что среди основных производителей солнечных элементов, нет согласия о том, какой технологии лучше придерживаться. Каждый из них следует разным подходам. Azur Space следует подходу прямометаморфных (UMM) и обратнометаморфных (IMM) СЭ, SolAero подходу IMM, а Spectrolab следует подходу IMM и бондингу (SBL), т.е. склеиванию пластин. Это наблюдение сделано на основании опубликованных данных этих компаний, и не означает, что ими не разрабатываются другие технологические подходы. Фактически разработки ведутся, но с более низким приоритетом.

В данной главе представлен обзор состояния развития технологии изготовления многокаскадных солнечных элементов, результаты исследований ведущих лабораторий мира, направленные на увеличение эффективности фотопреобразования, а также достигнутый уровень КПД. Рассмотрена структура каскадных солнечных элементов, с освещением ее ключевых компонентов.

Проведен обзор основных электрических и оптических свойств полупроводниковых соединений, оказывающих влияние на выходные характеристики каскадных солнечных элементов. Приведено подробное описание электрических и оптических свойств соединений A3B5, применяемых в структуре каскадных солнечных элементов, а также рассмотрены особенности их получения методом МОС-гидридной эпитаксии

1.1 Многокаскадные солнечные элементы на основе соединений А3В5

Требования, предъявляемые к перспективным солнечным элементам, прежде всего, высокий коэффициент полезного действия, в обозримом будущем могут быть выполнены лишь при создании многокаскадных солнечных элементов на основе полупроводниковых гетероструктур А3В5.

Увеличение в структуре солнечного элемента количества р-п переходов, выполненных из материалов с различной шириной запрещенной зоны, позволяет значительно расширить спектр фотоактивного поглощения солнечного излучения и уменьшить потери энергии, характерные для однокаскадных солнечных элементов.

Наряду с высокой эффективностью многокаскадные солнечные элементы имеют пониженный коэффициент температурной деградации КПД, относительно низкое внутреннее сопротивление, достаточно высокую радиационную стойкость.

Увеличение числа переходов в каскадном солнечном элементе является основным направлением по увеличению эффективности фотопреобразования, которое может быть реализовано в обозримом будущем. При разработке конструкции многокаскадных элементов необходимо особое внимание уделять балансу энергий, которые преобразуются отдельными каскадами. В противном случае, увеличение количества каскадов может не только не давать прирост КПД, но и приводить к его уменьшению. При определенном выборе материалов, а,

следовательно, ширины запрещенных зон отдельных элементов многокаскадного преобразователя, КПД двухкаскадного элемента может оказаться выше КПД трехкаскадного [6, 7]. Связано это с тем, что при увеличении спектрального диапазона, который преобразуется в отдельном переходе, увеличиваются потери при нагреве кристаллической решетки "горячими" электронами, появляющимися вследствие поглощения фотонов с энергией, превышающей значение ширины запрещенной зоны материала. Также, увеличение значения ширины запрещенной зоны материала нижнего субэлемнта приводит к потере значительной части солнечного спектра. Таким образом, одним из критериев, который необходимо учитывать при разработке конструкции каскадного солнечного элемента, является определение оптимальных значений ширины запрещенной зоны, т.е. выбор материалов для переходов каскадного элемента.

Кроме того, необходимо опираться на имеющиеся в природе полупроводниковые соединения и их параметры, в первую очередь, на ширину запрещенной зоны и постоянную кристаллической решетки. Получение полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны, находящейся в требуемом для создания каскадных солнечных элементов диапазоне, не является серьезной технологической проблемой. Однако, эпитаксиальное выращивание гетероструктур надлежащего качества, возможно только при использовании материалов, которые имеют одинаковые (или очень близкие) значения постоянных кристаллической решетки и коэффициентов температурного расширения. Как показано на рисунке 1 , полупроводниковые соединения, удовлетворяющие вышеуказанным требованиям, сосредоточены в, достаточно, узком разрешенном диапазоне (на рисунке 1 диапазон выделен двумя вертикальными прямыми).

Рассогласование постоянных кристаллической решетки и коэффициентов температурного расширения будет приводить к возникновению дефектов и дислокаций несоответствия в полупроводниковой структуре, вследствие чего будет наблюдаться сильное падение КПД фотопреобразователя.

Рисунок 1 - Значения постоянной кристаллической решетки и ширины запрещенной зоны основных полупроводниковых материалов

1.1.1 Конструкция и принцип действия многокаскадного СЭ

Структура многокаскадного солнечного элемента представляет собой несколько последовательно соединенных р-п переходов, часть из которых напрямую участвует в генерации тока отдельными каскадами. Значение ширины запрещенной зоны материалов активных р-п переходов уменьшается в пространственном направлении, совпадающем с направлением распространения света. Эквивалентная схема трехкаскадного солнечного элемента приведена на рисунке 2. Токи JPhoto(top), и Jphoto(bot), являются токами, генерируемыми

в верхнем, среднем и нижнем каскадах, в результате воздействия света. Вследствие последовательного соединения каскадов, ток короткого замыкания солнечного элемента ограничивается наименьшим током, генерируемым в отдельном каскаде.

В свою очередь, на значение тока короткого замыкания многокаскадного солнечного элемента оказывают влияние токи утечки и J02, вследствие рекомбинационных процессов на границе раздела эпитаксиальных слоев и в самих слоях. Также наличие резистивных JRS потерь и параллельной проводимости JRP, относительно р-п перехода, уменьшают ток через весь элемент.

Рисунок 2 - Эквивалентная схема трехкаскадного солнечного элемента

Для работы многокаскадного солнечного элемента должна обеспечиваться электрическая развязка р-п переходов отдельных каскадов, так как прямое соединение элементов приведет к возникновению р-п-р-п-р-п.... структуры представленной на рисунке 3, в которой не будет создано условий для протекания тока при преобразовании солнечной энергии.

Рисунок 3

Электрическую развязку переходов каскадного СЭ возможно осуществить двумя способами: посредством механической стыковки или с помощью встречно включенного туннельного перехода. Применение механической стыковки СЭ позволяет наибольшим образом приблизиться к оптимальным для каждого каскада значениям ширины запрещенной зоны, так как возможно использование широкого спектра материалов без учета значений постоянной кристаллической решетки. Однако такая стыковка является весьма сложным технологическим процессом, а многокаскадные солнечные элементы, полученные таким способом, являются весьма дорогостоящими. Кроме того, в такой конструкции возрастают резистивные потери.

Использование обратно включенных туннельных диодов позволяет получить монолитную структуру многокаскадного СЭ, выращенную за один эпитаксиальный процесс. Однако получение структуры туннельного перехода так же приводит к некоторым технологическим трудностям. Такой диод представляет собой р-п переход с высоким уровнем легирования, при котором происходит вырождение полупроводника, и уровень Ферми заходит в зону проводимости для п-типа и в валентную зону для р-типа. Кроме того, слои туннельного диода должны быть как можно тоньше для предотвращения паразитного поглощения фотонов [8, 9]. Создание внутри монолитной структуры тонких слоев с очень высоким уровнем легирования затрудняется тем, что большинство используемых в МОС-гидридной эпитаксии примесей при температурах роста обладают высокими коэффициентами диффузии. Однако возможность изготовления всей структуры многокаскадного солнечного элемента за один эпитаксиальный процесс сделало данный способ развязки отдельных каскадов наиболее распространенным.

Каждый каскад помимо слоев р-п перехода, эмиттера и базы, содержит вспомогательные слои - широкозонное окно и тыльный потенциальный барьер (ТПБ), представленные на рисунке 4.

Рисунок 4 - Зонная диаграмма отдельного каскада многокаскадного

солнечного элемента

Основной функцией широкозонного окна является пассивация поверхностных состояний, возникающих на границе эмиттера. Такие поверхностные состояния являются ловушками для неосновных носителей зарядов и характеризуются величиной, называемой поверхностной скоростью рекомбинации. Высокая скорость поверхностной рекомбинации слоя эмиттера приводит к снижению квантовой эффективности каскада, как правило, в коротковолновой части спектра. При выборе материала для изготовления широкозонного окна эмиттера необходимо руководствоваться следующими правилами:

- постоянные кристаллических решеток широкозонного окна и эмиттера должны быть близкими по значению;

- ширина запрещенной зоны должна быть значительно больше, чем у эмиттера;

- валентная зона должна быть сильно смещена относительно валентной зоны эмиттера для обеспечения потенциального барьера для неосновных носителей;

- достаточно высокая концентрация основных носителей, порядка > 1018 см-3;

- высокое качество материала, обеспечивающее низкую скорость рекомбинации на границе раздела «широкозонное окно/эмиттер».

Тыльный потенциальный барьер предназначен для пассивации границы раздела между базой р-п перехода и прилегающим слоем туннельного диода. Также, в некоторых случаях, ТПБ снижает обратную диффузию легирующих примесей из базы р-п перехода. Большая скорость рекомбинации на границе раздела базы р-п перехода и слоя туннельного диода снижает не только внешний квантовый выход (ВКВ) в длинноволновой части спектра, но и напряжение холостого хода. Влияние скорости поверхностной рекомбинации на напряжение холостого хода представлено на рисунке 5 на примере р-п перехода Оа!пР.

Т-1-1-1-

(см/с)

с.

1.32

\ 1 0.5

1

1

3 4 5

толщина базы, ыкм

Рисунок 5 - Зависимость напряжения холостого хода от скорости поверхностной рекомбинации и толщины базы р-п перехода Оа!пР

Требования, к слоям тыльного потенциального барьера, аналогичны требованиям, предъявляемым к слоям широкозоанных окон.

1.1.2 Текущий уровень развития технологии изготовления каскадных солнечных элементов на основе соединений А3В5

Одним из первых типов многокаскадных фотопреобразователей (КФП) были Al.rGab.rAs/GaAs двухкаскадные солнечные элементы, изготовленные как с помощью механической стыковки, так и в виде единой эпитаксиальной структуры с туннельным диодом. Двухкаскадные солнечные элементы на основе Al.rGab.rAs/GaAs весьма активно исследовались и постоянно улучшались, в результате чего эффективность фотопреобразования данного типа солнечных элементов превысила 20 % [10]. Также предлагались иные различные модели каскадных фотопреобразователей, однако КПД преобразования таких солнечных элементов оставался на прежнем уровне.

Развитие технологии изготовления многокаскадных солнечных элементов продолжилось после создания двухкаскадного фотопреобразователя на основе монолитной структуры GaInP/GaAs [11, 12]. Реализация такой эпитаксиальной структуры позволила проводить исследования по созданию трехкаскадных солнечных элементов, первые из которых состояли из монолитной эпитаксиальной структуры GaInP/GaAs механически состыкованной с однокаскадным солнечным элементом GaInAs [13].

1.1.2.1 СЭ с согласованной кристаллической решеткой

Следующим этапом развития технологии изготовления многокаскадных СЭ стала структура GaInP/GaAs/Ge монолитного трехкаскадного фотопреобразователя, типичная структура которого представлена на рисунке 6.

Данный тип солнечных элементов, обладая КПД 28-30 % для космического применения при АМ0 1367 Вт/м2 и 38-41% для наземного применения в CPV

системах (АМ1.5 1000 Вт/м2), в настоящий момент являются наиболее распространенными многокаскадными солнечными элементами, которые промышленно выпускаются методом МОС-гидридной эпитаксии рядом фирм в Европе и США.

Рисунок 6 - Структура GaInP/GaAs/Ge трехкаскадного солнечного элемента

Активный р-п переход в подложке Ge создается, как правило, посредством диффузии элементов пятой группы в р-подложку германия. Обычно такая диффузия происходит при выращивании арсенида галлия на германии. Однако, глубина залегания р-п перехода оказывается достаточно большой, что обуславливается высоким коэффициентом диффузии мышьяка в германий при температурах роста.

Возникновение при этом глубокого р-п перехода ухудшает характеристики КФП. В первую очередь это приводит к снижению радиационной стойкости ФП, так как для эффективного разделения носителям требуется большие диффузионные длины.

Для создания оптимального перехода в германии было предложено использование в качестве буферного слоя Оа1пР, изопериодичного с подложкой германия [14]. При выращивании этого слоя происходит создание мелкого р-п перехода за счет диффузии фосфора, обладающего меньшим коэффициентом диффузии, чем мышьяк, в подложку германия (рисунок 7).

0.7

0,6

СО 0,5

ф

■& 0.4 о

Р 0,3

г

о: 0,2

ф х СО

0,1

0.0

/ ч

/ и : V

1 ; 6 \

Г \Ч V* V

, 1

. . .

300

550

800

1050

1300

1550

1800

Длина волны (нм)

сплошная линия - легирование Р, глубина 100нм, пунктирная - легирование лб, глубина 1000нм

Рисунок 7 - Внешняя квантовая эффективность трехпереходного Оа1пР/Оа1пЛв/Ое ФП с различными р-п переходами в Ge

Такой р-п переход позволяет повысить КПД преобразования трехкаскадного ФП [15] и увеличить его радиационную стойкость за счет снижения влияния падения диффузионной длинны носителей на параметры германиевого элемента КФП.

Основным недостатком трехкаскадных СЭ является ограничение в выборе материалов для создания трёх рабочих р-п переходов. Это ограничение ведет к

неоптимальному преобразованию солнечного излучения. Верхний элемент и средний элемент обычно согласованы по току, а нижний элемент генерирует избыточный ток, который должен быть рассеян в виде тепла в солнечном элементе (рисунок 8).

длина волны, нм

Рисунок 8 - Представление распределения по току в спектре АМ1,5 подэлементов 3-х каскадного солнечного элемента с согласованной решеткой [16]

В настоящее время можно выделить три направления развития многокаскадных солнечных элементов:

- прямо- и обратно-метаморфные солнечные элементы;

- увеличение числа каскадов СЭ до 4 - 6;

- разработка новых элементов структуры, таких как квантовые ямы и квантовые точки.

1.1.2.2 Солнечные элементы с рассогласованной кристаллической решеткой

На рисунке 9а показана зонная диаграмма солнечного элемента с согласованной кристаллической решеткой и солнечного элемента с

рассогласованной кристаллической решеткой: виден сдвиг в значении постоянной кристаллической решетки между этими двумя типами солнечных элементов. Этот сдвиг формируется в буферном слое (градиентный метаморфный (ММ) буфер) между Ое субэлементом и средним субэлементом Оа1пЛБ. Верхний и средний элементы в обоих случаях согласованы по кристаллической решетке друг с другом [17]. При этом солнечный элемент с рассогласованной решеткой имеет более высокое значение постоянной кристаллической решетки, чем СЭ с согласованной решеткой.

а - зонная диаграмма СЭ б - типичная конфигурация СЭ с согласованной и рассогласованной кристаллической решеткой [17]

Рисунок 9 - Параметры материалов СЭ с согласованной и рассогласованной

кристаллической решеткой

На рисунке 9б приведено схематическое изображение солнечного элемента с согласованной кристаллической решеткой (вверху) и рассогласованной

кристаллической решеткой (внизу) с их типичным составом применяемых материалов.

В таблице 1 приведен обзор текущего состояния хода разработки солнечных элементов с рассогласованной кристаллической решеткой ведущими организациями, а также достигнутые промежуточные результаты.

Как видно из представленных данных в таблице 1 существует два технологических подхода по созданию метаморфных солнечных элементов: прямо-метаморфные и обратно-метаморфные СЭ.

Таблица 1 - Обзор применяемых материалов, составов и результатов

разработки солнечных элементов с рассогласованной кристаллической решеткой

Нижний элемент Средний I элемент э верхний Ссылка и основные результаты лемент

Конфигурации 3-каскадных прямометаморфных СЭ (UMM)

Ge (0,67 эВ) Ga0,92ln0,08As (1,29 эВ) Ga0,44In0,56P (1,8 эВ) Spectrolab [18], 40,7%, AM1,5D, Ихх=2,911В, Jsc=3,832мА/см2, 240 Солнц

Ge (0,67 эВ) Ga0,83ln0,17As (1,18 эВ) Ga0,35In0,65P (1,67 эВ) Fraunhofer ISE [19] Azur Space [20], 31,8% при 1 Солнце AM1,5d

Ge (0,67 эВ) GaInAs GaInP Spectrolab [21], 41,6%, AM1,5D, 484 Солнц

Конфигурации 3-х каскадных обратнометаморфных СЭ (IMM)

Gao,73lno,27As (1эВ) GaAs (1,41 эВ) Ga0,50In0,50P (1,84 эВ) NREL [22], [23]

GalnAs (0,89 эВ) Ga0,96ln0,04As (1,34 эВ) Ga0,51In0,51P (1,83 эВ) NREL [23] (double IMM), 40,8%, AM1,5G, 326 Солнц

InGaAs (1эВ) GaAs InGaP Sharp [24], 43,5%, AM1,5d, 306 Солнц

InGaAs (1 эВ) InGaAs AlGaInP Emcore [25], AM0, 32%, Uxx=3,05m, Jsc=16,6мА/см2, FF=85,7%

InGaAs (1эВ) InGaAs (1,43 эВ) AlGaInP (1,95 эВ) Spectrolab [26], [27], 31,5% AM0, ихх=3,04В, Jsc= 16.7мА/см2 26см2

В прямо-метаморфных гетероструктурах было предложено использовать твердые растворы Оа1пЛБ в качестве материала градиентного буфера [28]. В данном подходе верхний и средний каскады согласованы между собой по величине

постоянной кристаллической решетки, но не согласованы с нижним Ge элементом (подложкой). При этом значения ширины запрещенной зоны двух верхних каскадов уменьшаются относительно «стандартной» согласованной структуры, для обеспечения возможности генерации большего значения тока, жертвуя величиной генерируемого тока в германиевом каскаде. В окончательной конструкции все три каскада в этом типе солнечного элемента согласованы по току друг с другом (рисунок 10).

«XJ «ОС MW 1ЭСО 12U» 14W ХКЮ **»

длина волны, нм

Рисунок 10 - Представление распределения по току в спектре AM1,5 субэлементов трёхкаскадного солнечного элемента с рассогласованной решеткой

(LMM) [16]

Оптимальным составом материалов для получения трёхкаскадного UMM солнечного элемента, в котором токи верхнего, среднего и нижнего элементов согласованы, является In0,65Ga0,35P и In0,nGa0,83As, который имеет рассогласованную на 1,1% решетку с германиевой подложкой [20]. Результаты, представленные компанией Azur Space, показывают, что с данной конфигурацией каскадов они получили 99% релаксированную структуру с плотностью дислокаций 3 105 см-2.

Ожидаемый коэффициент полезного действия прямо-метаморфных трехкаскадных СЭ на Ge составляет 31-32% [29].

Недостатком технологии UMM является необходимость роста градиентного буфера на основе соединения Ga1-xInxAs (при х от 0,01 до 0,17) между нижним и средним субэлементами. Все дефекты, возникающие вследствие отличающихся значений постоянных кристаллических решеток, идеально аккумулируются в этом буферном слое и оказывают негативное воздействие на качество кристаллической структуры верхнего и среднего элементов, которые растятся на нем. Это означает, что качество кристаллической структуры верхнего и среднего элементов хуже, чем, если бы оба субэлемента были выращены на подложке с такой же точно постоянной кристаллической решетки. Потери, создаваемые дефектами буферного слоя, должны быть сверхкомпенсированны более высокими характеристиками верхнего и среднего элементов. Это причина, по которой солнечные элементы UMM имеют превосходящие характеристики по отношению к традиционным трехкаскадным СЭ с согласованной решеткой только при концентрированном солнечном свете, но не при условиях AM0 1367 Вт/м2 при 1-ом Солнце.

Другой недостаток в том, что обычно используемые в производстве трехкаскадных СЭ германиевые подложки толщиной 145 - 175 мкм использовать невозможно. Согласно результатам от Fraunhofer ISE [17], для роста эпитаксиальных структур UMM СЭ с рассогласованной кристаллической решеткой должны применяться германиевые пластины толщиной не менее 300 мкм. Причина в том, что разница в значении постоянной кристаллической решетки подложки и эпитаксиального слоя заставляет пластину искривляться во время эпитаксиального процесса, что отрицательно влияет на конечный результат.

В случае подхода по созданию обратно-метаморфных солнечных элементов, эпитаксиальная структура выращивается сверху вниз, сначала проводится рост верхнего и среднего элементов. Затем растится градиентный метаморфный буферный слой и, наконец, нижний элемент. На определенной стадии постростовой обработки подложка удаляется. На рисунке 11 дано схематическое изображение процесса изготовления обратно-метаморфных СЭ.

Рисунок 11 - Схематический вид процесса изготовления МОаР/ОаЛвЛпОаЛБ обратно-метаморфного солнечного элемента [24]

При таком подходе, по сравнению с прямо-метаморфной структурой, воздействию дефектов буферного слоя подвержен только нижний элемент, в то время как верхний и средний элементы растятся с согласованной решеткой по отношению к временной подложке и имеют, таким образом, хорошее качество кристаллической структуры. Еще одно преимущество по отношению к прямо-метаморфным СЭ в том, что материал и запрещенная зона нижнего элемента могут варьироваться и поэтому не ограничиваются использованием германиевого подложки в качестве нижнего субэлемента.

Кроме того, преимуществом является то, что готовый 1ММ СЭ гораздо тоньше любого традиционного каскадного СЭ с согласованной решеткой или иММ СЭ, что очень привлекательно для космических задач, поскольку вес солнечного элемента снижен, и тем самым увеличено отношение Вт/кг.

Еще одно потенциальное преимущество в том, что пластины, на которых растятся данные СЭ, можно использовать повторно, снижая стоимость их производства, или, по крайней мере, компенсируя дополнительные затраты на процесс отделения временной подложки.

Также существует возможность вырастить более одного градиентного буферного слоя в 5-ти или 6-ти каскадном СЭ, для того чтобы интегрировать

субэлемент, сделанный из подходящего материала. Это, фактически, подход, которому следуют Patel и др. [30] из компании SolAero в разработке 6-ти каскадного СЭ с тремя метаморфными градиентными буферными слоями и с 3 субэлементами, выполненными из InGaAs с разным составом (рисунок 12). Благодаря этой структуре была получена эффективность 33,7% при условиях AM0 1-но Солнце.

постоянная

ОгемШтЫНг

решетки

Рисунок 12 - Схематическое изображение шестикаскадного IMM СЭ с 3

ММ буферными слоями [30]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Скачков Александр Федорович, 2021 год

Список литературы

1 Razeghi, M. The MOCVD Challenge. A Survey of GaInAsP-InP and GaInAsP-GaAs for photonic and electronic device applications /M. Razeghi. - Illinois: CRC Press, 2017. - 799 p.

2 Patent Pub. No.: US 2007/0068572 A1. Isoelectronic surfactant induced sublattice disordering in optoelectronic devices : appl. 07.09.2006 : publ. 29.03.2007 / Fetzer C.M., Ermer J.H. ; inventor, rights US government - 5 p.

3 King, R. R. Band-Gap-Engineered Architectures for high-efficiency multijunction concentrator solar cells / R. R. King, A. Boca, W. Hong. // Proc. 24th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Hamburg, 21-24 September 2009). - Hamburg, 2009.

4 Navid, S. F. Radiation-Hard High-Efficiency Multi-Junction Solar Cells for Commercial Space Applications / S. F. Navid, Paul R. // Proc. 17th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Munich, 22-26 October 2001). - Munich, 2001.

5 Bedair, S.M. Analysis of p+-AlGaAs/n+-GaInP tunnel junction for high solar concentration cascade solar cells / S.M. Bedair, J.C. Roberts, D. Jung // Proc. of the 28th IEEE PSC (Anchorage, 15-20 September 2000). - New York: Publ. IEEE, 2000. - P. 1154-1156.

6 Welser, R.E., Guido, L.J. (AlxGa(1-x))0.65In0.35As monolithic multijunction solar cells / R.E. Welser, L.J. Guido // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 1995. - P. 349-356.

7 Meusell, M., Bensch, W., Bergunde, T., Kern, R. Development and production of European III-V multi-junction solar cells / M. Meusel1, W. Bensch, T. Bergunde, R. Kern // AZUR SPACE Solar Power GmbH. - 2006.

8 Pierret, R. Advanced Semiconductor Fundamentals / R. Pierret. - Ann Arbor: Adison-Wesley Publishing Company, 1987. - 240 p.

9 Киреев, П.С. Физика полупроводников / П.С. Киреев. - М.: Высш. школа, 1975. - 584 с.

10 Neaman, D.A. Semiconductor Physiscs and Devices: Basic principles / D.A. Neaman. - New York: McGraw-Hill, 2003. - 784 p. - ISBN 978-0073529585.

11 Кардона, Ю. П. Основы физики полупроводников / Ю. П. Кардона. - М.: Физматлит, 2002. -560 с.

12 Глиберман, А.Я. Кремниевые солнечные батареи / А.Я. Глиберман, А.К. Зайцева. - М.: Гос. эн. издат., 1961. - 73 с.

13 Green, M.A. Solar Cells. Operating Principles / M.A. Green // Tech. and Sys. App. - 1982.

14 Overstraeten, R.J., Mertens, R.P. Physics, Technology and Use of Photovoltaics / R.J. Overstraeten, R.P. Mertens. - Reading: CRC Press, 1986. - 288 p. - ISBN 0852744870.

15 Аут, И. Фотоэлектрические явления / И. Аут, Д. Генцов, К. Герман. - М.: Мир, 1980. - 208 с.

16 Yuen, H. High-Efficiency solar cells for CPV / H. Yuen // China-Am. Frontiers of Engineering Symp. (Sna Diego, 15 November 2013). - San Diego, 2013.

17 Philipps, S. Present status in the development of III-V multi-junction solar cells / S. Philipps, A.W. Bett, F. Dimroth // Springer Verlag. - 2012.

18 King, R.R. 40% efficient metamorphic GalnP/GalnAs/Ge multi-junction solar cells / R.R. King // Appl. Phys. Lett. - 2007. - 90 (18).

19 Guter, W. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency underconcentrated sunlight / W. Guter // Appl. Phys. Lett. - 2009. - 94 (22).

20 Guter, W. III-V Multi-junction Solar Cells - New lattice matched products and development of uprightmetamorphic 3J solar cells / W. Guter // 7th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems (Las Vegas, 4-6 April 2011). - Melville: Publ. AIP Proceedings, 2011.

21 King, R. Solar cell generations over 40% efficiency / R. King // 26th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Hamburg, 5-9 September 2011). - Hamburg, 2011.

22 Friedmann, D. J. 0.7-eV GaInAs Junction for a GaInPGaAsGaInAs(1-eV) GaInAs(0.7-eV) Four-JunctionSolar Cell / D.J.Friedmann // 4th World Conf. on PV Energy Conv. (Waikoloa, 7-12 May 2006). - New York: Publ. IEEE, 2006.

23 Geisz, F. 40.8% efficient inverted triple-junction solar cell with two independently metamorphicjunctions / F. Geisz // Appl. Phys. Lett. - 2008. - 93 (12).

24 Sasaki, K. Development of InGaP/GaAs/InGaAs inverted triple junction concentrator solar cells / K. Sasaki // 9th Intern. Conf. on Conc. PV Sys. (Miyazaki 15-17 April 2013). - Melville: Publ. AIP Proceedings, 2013.

25 Cornfeld, A. Development of a large area inverted metamorphic multi-junction (IMM) highly efficient AM0 solar cell / A. Cornfeld // 33rd IEEE PV Specialist Conf.(San Diego, 11-16 May 2008). - New York: Publ. IEEE, 2008. - P. 88-92.

26 Yoon, H. Progress of inverted metamorphic III-V solar cell development at Spectrolab / H. Yoon // 33rd IEEE PV Specialist Conf. (San Diego, 11-16 May 2008). - New York: Publ. IEEE, 2008. -P. 82-87.

27 Law, D.C. Recent Progress of Spectrolab High-Efficiency Space Solar Cells / D.C. Law // 38th IEEE PV Specialist Conf. (Austin, 3-8 June 2012). - New York: Publ. IEEE, 2012.

28 Jun, S.W. Bi surfactant effects on ordering in GaInP grown by OMVPE / S.W. Jun // Appl. Phys. Lett. - 2000. - 76 (19).

29 Shitara, T. Electronic properties of InGaP grown by solid-source molecular-beam epitaxy with GaP decomposition source / T. Shitara // Appl. Phys. Lett. - 1994. - Vol. 65. - P. 356.

30 Patel, P. Initial results of the monolithically grown six-junction inverted metamorphic multi-junctionsolar cell / P. Patel // 38th IEEE PV Specialist Conf. (Austin, 3-8 June 2012). - New York: Publ. IEEE, 2012.

31 Cornfeld, A. The 3J-IMM solar cell: Pathways for insertion into space power systems / A. Cornfeld // 34th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. (Philadelphia, 7-12 June 2009). - New York: Publ. IEEE,

2009.

32 Eltermann, F. The effect of accelerated aging tests on metamorphic III-V concentrator solar cells mounted on substrates / F. Eltermann // 26th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Hamburg, 5-9 September 2011). - Hamburg, 2011.

33 Schöne, J. Impact of thermal cycles on the material quality of metamorphic III-V solar cell structures / J. Schöne // 23rd European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Valencia, 1-5 September 2008). -Valencia, 2008.

34 Lee, H. S. Radiation tolerance of AlInGaP as a new top cell for super-high efficiency MJ space solar cells / H.S. Lee // 20th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Barcelona, 6-10 June 2004). -Barcelona, 2004.

35 Meusel, M. Development status of European multi-junction space solar cells with high radiation hardness / M. Meusel // 20th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Barcelona, 6-10 June 2004). - Barcelona, 2004.

36 Cho, B. IMM experimentation in the next frontier Emcore'S participation in the MISSE-8 program / B. Cho // 35th IEEE PV Specialist Conf. (Honolulu, 20-25 June 2010). - New York: Publ. IEEE,

2010. - P. 110-112.

37 Law, D. C. Future technology pathways of terrestrial III-V multi-junction solar cell for concentrator photovoltaic systems / DC. Law // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2010. - V. 94. - P. 13141318.

38 Ahrenkiel, R. K. Recombination lifetime and performance of III-V compound photovoltaic devices / R.K. Ahrenkiel // 23rd IEEE PV Specialists Conf. (Louisville, 10-14 May 1993). - New York: Publ. IEEE, 1993.

39 Sabnis, V. High-Eficiency Multi-junction Solar Cells Employing Dilute Nitrides / V. Sabnis // 8th Intl. Conf. on Conc. PV Sys. (Toledo, 16-18 April 2012). - Melville: Publ. AIP Proceedings, 2012. -P.1477.

40 Kurtz, S. Understanding the potential and limitations of dilute nitride alloys for solar cells / S. Kurtz // NREL publications. - 2005.

41 Baur, C. Development of a 1.0 eV (GaAs)(NAs) solar cell / C. Baur, A.W. Bett, F. Dimroth, S. van Riesen, B. Kunert, M. Traversa, K. Volt, W. Stolz // WCPEC-3 (Osaka, 11-18 May 2003). - New York: Publ. IEEE, 2003.

42 Алферов, Ж. И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики / Ж. И. Алферов // Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т.38. - Вып. 8. - C.938-948.

43 Fetzer, M.C. High-efficiency metamorphic GaInP/GaInAs/Ge solar cells grown by MOVPE / M.C. Fetzer, R.R. King, P.C. Kolter // J. of Cryst. Growth. - 2004. - P. 341.

44 Stan, M. Very high efficiency triple junction solar cells grown by MOVPE / M. Stan, D. Aiken, B. Cho // J. of Cryst. Growth. - 2008. - V. 310. - P. 5204-5208.

45 Baur, C. Analysis of the radiation hardness of triple- and quintuple-junction solar cells / C. Baur // 31st IEEE PV Specialist Conf. (Lake Buena Vista, 3-7 January 2005). - New York: Publ. IEEE, 2005.

46 Meusel, M. Development of Multi-junction Solar Cells for Application in Space: doctoral thesis: ISBN 978-3-8325-2575-0 / Markus Meusel : Tech. Un. of Berlin. - Berlin, 2007.

47 Meusel, M. European roadmap for the development of III-V multi-junction space solar cells / M. Meusel // 19th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Paris, 9 June 2004). - Paris, 2004.

48 Sharps, P. R. AlGaAs/GaInAlP tunnel junctions for multi-junction solar cells / P.R. Sharps, N.Y. Li, J.S. Hillsand, HQ. Hou // Proc. of the 28th IEEE PSC (Anchorage, 15-20 September 2000). - New York: Publ. IEEE, 2000. - P. 1185-1188.

49 King, R. Bandgap engineering in high-efficiency multi-junction concentrator cells / R. King // Intl. Conf. on Solar Concentrators for the Generation of Electricity or Hydrogen (Scottsdale, 1-5 May 2005). - Scottsdale: NREL, 2005. - P. 14.

50 King, R. Advanced III-V multi-junction cells for space / R. King // 4th World Conf. on PV Energy Conv. (Waikoloa, 7-12 May 2006). - New York: Publ. IEEE, 2006.

51 Chiu, P. T. Direct Semiconductor Bonded 5J Cell for Space and terrestrial applications / P.T. Chiu // J. of Photovoltaics. - 2014. - Vol. 4 (1).

52 Bett, A. Overview about technology perspectives for high efficiency solar cells for space and terrestrial applications / A. Bett // 28th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Villepinte, 30 September-4 October 2013). - Villepinte, 2013.

53 Dimroth, F. 5-Junction III-V solar cells for space applications / F. Dimroth // WCPEC-3 (Osaka, 1118 May 2003). - New York: Publ. IEEE, 2003.

54 Dimroth, F. 3-6 Junction photovoltaic cells for space and terrestrial concentrator applications / F. Dimroth // 31st IEEE PV Specialist Conf. (Lake Buena Vista, 3-7 January 2005). - New York: Publ. IEEE, 2005.

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

Patel, P. Experimental results from performance improvement and radiation hardening of IMM multi-junction solar cells / P. Patel // J. of Photovoltaics. - 2012. - Vol. 2 (3). King, R. Advances in high-efficiency III-V multi-junction solar cells / R. King // Research article in Advances in OptoElectronics. - 2007. - Vol. 2.

Fuhrmann, D. About 42% class CPV cells and pathways beyond / D. Fuhrmann // 9th Intern. Conf. on Conc. PV Sys. (Miyazaki 15-17 April 2013). - Melville: Publ. AIP Proceedings, 2013. Schöne, J. III-V solar cell growth on wafer-bonded GaAs/Si- substrates / J. Schöne // 31st IEEE PV Specialist Conf. (Lake Buena Vista, 3-7 January 2005). - New York: Publ. IEEE, 2005. Boisvert, J. Development of advanced space solar cells at Spectrolab / J. Boisvert // 35th IEEE PV Specialist Conf. (Honolulu, 20-25 June 2010). - New York: Publ. IEEE, 2010. - P. 123-127. Boisvert, J. Development of space solar cells at Spectrolab / J. Boisvert // 37th IEEE PV Specialist Conf. (Seattle, 19-24 June 2011). - New York: Publ. IEEE, 2011. - P. 1528-1531. Strobl, G. About Azur's "3G30-advanced" space solar cell and next generation product with 35% efficiency / G. Strobl // 27th European PV Solar Energy Conf. & Exhibit. (Frankfurt, 24-28 September 2012). - Frankfurt, 2012.

Chumney, D. Path to drop-in replacement for current technologies with the 33% large area IMM cell / D. Chumney // 35th IEEE PV Specialist Conf. (Honolulu, 20-25 June 2010). - New York: Publ. IEEE, 2010. - P. 113-116.

Kellenbenz, R. Development of radiation hard GaInP-GaInAs-Ge space solar cells with MQWs / R. Kellenbenz // 35th IEEE PV Specialist Conf. (Honolulu, 20-25 June 2010). - New York: Publ. IEEE, 2010. - P. 117-122.

Jones, R. Spectrolab Progress in Multi-Junction Cell Performance and Cost / R. Jones // 34th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. (Philadelphia, 7-12 June 2009). - New York: Publ. IEEE, 2009. Strobl, G. From Space to Earth: 3rd generation of photovoltaics / G. Strobl // CPV Sys Conc. PV Sum. (Madrid, 1-2 April 2008). - Madrid, 2008.

Köstler, W. Triple Junction Solar Cell with 30.0% Efficiency and Next Generation Cell Concepts / W. Köstler // 9th European Space Power Conf. (Saint Raphael, July 2011). - Saint Raphael, 2011. Sharps, P. The future of high efficiency, multi-junction space solar cells / P. Sharps // 33rd IEEE PV Specialist Conf. (San Diego, 11-16 May 2008). - New York: Publ. IEEE, 2008. - P. 2046-2051. DeLong, M.C. Bandgap of "completely disordered" Ga0.52In0.48P / M.C. DeLong // Appl. Phys. Lett. - 1995. - V. 66 (23). - P. 3185-3187.

Olson, J.M. High efficiency III-V multijunction solar cells / J.M. Olson, D.J. Friedman // Nat. Rew. En. - 2003. - P. 359-411.

70 Kurtz, S.R. Effect of growth rate on the bandgap of Ga0.5In0.5P / S.R. Kurtz // Appl. Phys. Lett. -1990. - Vol. 57 (18). - P. 1922-1924.

71 Su, L.C. Ordering of GalnP grown at low temperatures / L.C. Su // J. Crystal Growth. - 1995. -Vol. 146. - P. 558-563.

72 Gomyo, A. Mechanism for CuPt-type ordering in mixed III-V epitaxial layers / A. Gomyo // Appl. Phys. Lett. - 1987. - Vol. 50. - P. 673.

73 Capaz, R. Partial-Ordering Effects in InxGa1-xP / R. Capaz, B. Koiller // Phys. Rev. - 1993. -Vol. 47. - P. 4044-4047.

74 Zhang, Y. Effects of the orientational superlattice on the electronic and vibrational properties of CuPt ordered GalnP alloys / Y. Zhang, A. Mascarenhas, L. Wang // J. Raman Spectrosc. - 2001. -Vol. 32. - P. 831.

75 Cao, D.S. Effect of growth rate on properties of Ga0.51In0.49P grown by organometallic vapor phase epitaxy / D.S. Cao // J. Crystal Growth. - 1991. - Vol. 109. - P. 279-284.

76 Gomyo, A. Studies of GaxIni-xP layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy; effects of V/III ratio and growth temperature / A. Gomyo, K. Kobayashi, S. Kawata // J. Cryst. Growth. - 1986. -Vol. 77. - P. 367-373.

77 Fetzer, C. M. Effect of surfactant Sb on carrier lifetime in GaInP epilayers / C. M. Fetzer, R. T. Lee, G. B. Stringfellow, X. Q. Liu, A. Sasaki, N. Ohno // J Appl Phys. - 2001. - Vol. 91. - P. 199-203.

78 Chernyak, L. Transport anisotropy in spontaneously ordered GaInP alloys / L. Chernyak, A. Osinsky, H. Temkin, A. Mintairov // Appl. Phys. Lett. - 1997. - Vol. 70. - P. 2425-2427.

79 L.C. Su. Control of ordering in Ga0.50In0.50P using growth temperature / L.C. Su, I.H. Ho, G.B. Stringfellow // J. Appl. Phys. - 1994. - Vol. 76. P. - 3520-3525.

80 Mascarenhas, A. Effects of Ordering on Physical Properties of Semiconductor Alloys / A. Mascarenhas, S. Kurtz, A. Kibbler // J. Phys. Rev. Lett. - 1989. - Vol. 63. -P. 2108.

81 Luo, J. Annealing-Induced Near-Surface Ordering in Disordered Ga0,5In0,5P / J. Luo, J. Olson, M.C. Wu // J. Vac. Sci. Technol. - 1995. - Vol. 13. - N.4. - P. 1755.

82 Luo, J. Investigation of Spontaneous Ordering in Ga0,5In0,5P Using Reflectance Difference Spectroscopy / J. Luo, J. Olson, S.R. Kurtz // Phys. Rev. - 1995. - Vol. 51. - P. 7603-7612.

83 Friedman, D.J. Surface Topography and Ordering-Variant Segregation in GaInP2 / D. J. Friedman, J. G. Zhu, A. E. Kibbler, J. M. Olson, J. Moreland // Appl. Phys. Lett. - 1993. - Vol. 63. - P. 17741776.

84 Kurtz, S. R. Ordering and Disordering of Doped Ga0.5In0.5P / S. R. Kurtz, J. M. Olson, D.J. Friedman, A. E. Kibbler, S. Asher // J Electron Mater. - 1994. - Vol. 23. - P. 431-435.

85 Shurtleff, J.K. Band-gap control of GalnP using Sb as a surfactant / J.K. Shurtleff // Appl. Phys. Lett. - 1999. - Vol. 75 (13).

86 Bhat, I.B. On the Mechanism of Growth of CdTe by Organometallic Vapor-Phase Epitaxy / I.B. Bhat, N.R. Taskar, S.K. Ghandhi // J. Electrochem. Soc. - 1987. - V. 134. - №1. - P. 195.

87 Stringfellow, G.B. Organometallic Vapour Phase Epitaxy. Theory and Practice /

G.B. Stringfellow. - Boston: Academic Press, 1989. - 314 p.

88 Smilauer, P. Coarsening and slope evolution during unstable spitaxial growth / P. Smilauer, D.D. Vvedensky // Phys. Rev. - 1995. - N. 52.

89 Didchenko, R. A new method for growth for GaAs epilayer / R. Didchenko, J.E. Alix, R.H. Toeiskoetter // J. Nucl. Chem. - 1960. - V.14. - P. 35.

90 Manasevit, H.M. Single-crystal Gallium Arsenide on insulating substrates / H.M. Manasevit // App. Phys. Lett. - 1968. - V.2. - P. 156.

91 Manasevit, H.M. The use of metal-organics in the preparation of semiconductor materials /

H.M. Manasevit, W.I. Simpson // J. Electrochem. Soc. - 1969. - V.116. - P. 1725-1732.

92 Manasevit, H.M. The Use of MetalOrganics in the Preparation of SemiconductorMaterials, Studies of Epitaxial III-V Aluminum Compound FormationUsing Trimethylaluminum / H.M. Manasevit // J. Electrochem. Soc. - 1971. - V.118. - P. 647-650.

93 Андреев, А.Ю. Моделирование концентрационных профилей компонентов в низкоразмерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs, формируемых методом МОС-гидридной эпитаксии: автореф. канд. дис. тех. наук : 05.27.06 / Андреев Андрей Юрьевич ; Моск. гос. акад. тонкой хим. технологии им. М.В. Ломоносова. - Москва, 2004. - 23 c.

94 Resch-Esser, U. The MOVPE community meets in Berlin / U. Resch-Esser // III-V Rev. - 1997. -V. 10. - N. 4. - P. 34-37.

95 Васильев, А.М. Полупроводниковые фотопреобразователи / А.М. Васильев, А.П. Ландсман. - Москва: Советское радио, 1971. - 248 с.

96 Elliott J. F. Laboratory Sun / J. F. Elliott, R. E. Hussel, V. J. Meikleham // J. Opt. Soc. - 1960. -V.50. - №7. - P.713-717.

97 Акишин, А.И. Космическое материаловедение: методическое и учебное пособие / А.И. Акишин. - Москва: НИИЯФМГУ, 2007. - 231 с.

98 Furman, Sh. Basics of Optics of Multilayer Systems / Sh. Furman, A.V. Tikhonravov. - Gif-sur-Yvette: Edition Frontieres, 1992. - 247 p.

99 Ловецкий, К.П. Математический синтез оптических наноструктур / К.П. Ловецкий, Л.А. Севастьянов. - Москва: РУДН, 2008. - 123 с.

100 Амочкина, Т.В. Модели, методы, и алгоритмы, проектирования оптических покрытий для современных приложений : автореф. док. дис. физ.-мат. наук : 05.13.18 / Амочкина Татьяна Владимировна ; МГУ им. М.В. Ломоносова. - М., 2009. - 37 с.

101 Губанова, Л. А. Оптические покрытия / Л. А. Губанова. - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2012. - 101 с.

102 Andreev, V. High-efficiency AlGaAs-GaAs solar cells with internal Bragg reflector / V. Andreev, V. Komin // Proc. of the A.F. Ioffe Physico-Tech. In. - 1994. - P. 1894-1897.

103 refractiveindex.info : эл. библиотека: сайт. - 2008 -.- URL : www.refractiveindex.info/ (дата обращения 03.06.2019).

104 Friedman, D. Back surface fields for GaInP2 solar cells / D. Friedman, S. Kurtz, A. Kibbler, J. Olson // 22nd IEEE PV Specialist Conf. (Las Vegas, 7-11 October 1991). - New York: Publ. IEEE, 1991. - P. 358-360.

105 Rafat, N. Back surface fields for n/p and p/n GaInP solar cells / N. Rafat, M.A. Bedair, P. Sharps, J. Hills // 1st WCPEC (Waikoloa, 5-9 December 1994).- New York: Publ. IEEE, 1994. - P. 19061909.

106 Karam, N. Recent developments in high-efficiency Ga0,5In0,5P/GaAs/Ge dual- and triple-junction solar cells: steps to next-generation PV cells / N. Karam, R.R. King, M. Haddad, J.H. Ermer // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. - 2001. - V. 66. - P. 453-466.

107 Chiang, P.K. Achieving 26% triple junction cascade solar cell production / P.K. Chiang, C.L. Chu, Y.C.M. Yeh // Proc. of the 28th IEEE PSC (Anchorage, 15-20 September 2000). - New York: Publ. IEEE, 2000. - P. 1002-1005.

108 Bauhuis, G. Heavily doped p-type AlGaInP grown by metalorganic chemical vapor deposition / G. Bauhuis, P. Hageman, P. Larsen // J. Cryst. Growth. - 1998. - V. 191. - P. 313-318.

109 Bertness, K. AlInP benchmarks for growth of AlGaInP compounds by organometallic vapor-phase epitaxy / K. Bertness, S. Kurtz, S. Asher // J. Cryst. Growth. - 1999. - V. 196. - P. 13-22.

110 Kadoiwa, K. Mechanism of Zn passivation in AlGaInP layer grown by metalorganic chemical vapor deposition / K. Kadoiwa, M. Kato, T. Motoda, T. Ishida // J. Cryst. Growth. - 1994. - V. 145. -P. 141-152.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения

1/

сатипи

ПУБЛИЧНОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «Сатурн»_

АКТ

i | Дат 0}> 2020 г.

/УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор

гхгл О.В. Планкевич

о внедрении результатов

кандидатской диссертационной работы

Скачкова Александра Федоровича, соискателя кафедры теоретической физики и компьютерных технологий ФГБОУ ВПО Кубанский государственный университет

Комиссия в составе:

председатель - главный конструктор направления БС_Битков В.А.

зам. председателя - начальник отдела 10 :_Нестеренко H.H.

технический секретарь:_Казарян И.С.

составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Скачкова А.Ф. «Физико-технологические основы создания трехкаскадных фотопреобразователей GalnP/GaAs/Ge» с повышенной радиационной стойкостью, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, используются в технологическом процессе изготовления трехкаскадных солнечных элементов GalnP/GaAs/Ge.

В настоящее время на предприятии ПАО "Сатурн" осуществляется промышленное производство данного типа солнечных элементов, которыми комплектуются изделия: Ресурс-ПМ, Электро-Л и др. космические аппараты.

Проведенные исследования в рамках диссертационной работы позволили решить вопрос импортозамещения зарубежных высокоэффективных солнечных элементов космического назначения и наладить промышленное производство современных СЭ на предприятии ПАО "Сетуон", не имеющее аналогов в России

и ближнем зарубежье. <77^' l^s

председатель_СГ" _Битков В.А.

зам. председателя_ {^nfU -_Нестеренко H.H.

технический секретарь:_^bf^tfx_Казарян И.С.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Расчет коэффициентов отражения

Модель многослойной структуры «туннельный диод + РБО» представлена в таблице 14. Дисперсия коэффициентов преломления пх и экстинкции кх материалов для соответствующих длин волн использованы из [103]. Расчет коэффициентов отражения проводился в диапазоне длин волн от 750 до 950 нм.

Таблица 14 - Толщины слоев модели многослойной структуры

№ Слой Толщина ё, нм

0 воздух ю

1 Оао,51по,5Р зо

2 А1о,зОао,7Ав зо

3 ОаАБ 2о

4 А1о,бОао,4Ав 72

5 15 пар Слой РБО 1 ((1п)А1о,120ао,88А8) 52*

6 Слой РБО 2 (АЬ^аодАБ) 72*

Б ОаАБ ю

* - толщины подбирались методом вариации

Расчет коэффициента отражения для длины волны X = 750 нм. Характеристические матрицыМ (] =1,2.. .6) слоев модели многослойной структуры «туннельный диод + РБО»:

Ы1(аао51по5Р);

/

мл =

cos

cos

2л

у (^75о(Л.) + 1^75о(Я))^1

"2л

у (П750(Я.) + 1^750(Я))^1

М-, =

2л

¿3,2735т

750Я - 9 2л

(3,273 + ¿0Д14)30Е - 9

(3,273 + ¿0Д14)30Е - 9 0,0210711

750Я - 9 М1 = (

0,680499 0,147871 - 2,3983041

Ы>.(А1о зОаруЛБ):

/

м9 =

cos

"2л

"2л

П750

cos

-эт

"2л

2л

3,273

cos

-Бт

2л

750Я 2л

(3,273 + ¿0Д14)30Е - 9

750Я - 9

(3,273 + ¿0Д14)30Е - 9

0,001850 - 0,223946а 0,680499 - 0,0210711

П750

cos

■эт

"2л

2л

у(П750(Я) + ^75О№)^2

9

cos

м2 =

2л

¿3,583s¿n

750Я - 9 2л

750Я - 9

(3,583 + ¿0,006)30Я - 9 (3,583 + ¿0,006)30Я - 9

3,583

cos

■sm

2л

■(3,583 + ¿0,006)30Я - 9

750Я - 9 2л

(3,583 + ¿0,006)30Я - 9

750Я - 9

М9

_ /0,621274 - 0,000119¿ (-1.059537Я - 05) - 0,218716¿\ (0,000814 - 2,807371¿ 0,621274 - 0,000119¿ |

M(GaAs):

/

мя =

cos

cos

0,000814- 2,807371¿

"2л

у (^75o№ + ^750№)^3

0,621274 - 0,000119ï

-sm

"2л

у (^75o№ + 1^750(^))^3

Mo =

y-in750SÍn 2л

"2л

у (^75о№ + 1^75о(^))^3

cos

2л

у (^75о№ + 1^75о№)^3

¿3,715s¿n

750Я - 9 2л

(3,715 + ¿0,115)20Е - 9

750Я - 9

(3,715+ ¿0,115)20^-9

3,715

cos

sm

2л

■(3,715 + ¿0,115)20Е - 9

750Я - 9 2л

(3,715+ ¿0,115)20^-9

750Я - 9

М-

_ /0,812639 - 0,011284¿ 3 = (0,125778- 2,164134¿

M4(Alo6Gao4As):

/

м4 =

cos

"2л

y (^75o№ + ^75О№)^4

y-¿n75oS¿n

2л

cos

М4 =

¿3,294s¿n

750Я - 9 2л

"2л

у (^750(Л.) + 1^75о(Я))^4

(3,294 + 0)72Я - 9

750Я - 9

(3,294 + 0)72Я - 9

М,

Ms((In)Alo 1?Gao 88As):

/

М5 =

cos

cos

"2л

у (^75о№ + ^75о№^5

М5 =

y-¿n75oS¿n

2л

"2л

у (^75о№ + 1^750№)^5

¿3,665s¿n

750Я - 9 2л

(3,665 + ¿0,073)52Я - 9

750Я - 9

(3,665 + ¿0,073)52Я - 9

М,

M6(Alo 8Gao?As):

-0,000647- 0,156951¿\ 0,812639 - 0,011284¿ I

-sm

"2л

у (^75o№ + l^750(^))^4

cos

2л

у (^75o№ + 1^750№)^4

3,294

cos

-sm

2л

■(3,294+ 0)72Я - 9

750Я - 9 2л

(3,294+ 0)72^-9

750Я - 9

_ / -0,404277 4 = (-3,012950¿

-0,277655¿\ 0,404277 J.

-sm

"2л

y (^75o№ + l^750(^))^5

cos

2л

y (^75o№ + 1^75О(^))^5

3,665

cos

sm

2л

■(3,665 + ¿0,073)52Я - 9

750Я - 9 2л

(3,665 + ¿0,073)52Я - 9

750Я - 9

_ /-0,025721 - 0,031913¿ 5 = ( 0,070275 - 3,665505¿

-0,005678 - 0,272802¿\ 0,025721 - 0,031913¿/

/

Mft =

cos

"2л

y (^75o№ + 1^75О№)^6

y-¿n75oS¿n

2л

cos

M4 =

¿3,294s¿n

750Я - 9 2л

"2л

у (^75o№ + ^75о№К

(3,294 + 0)72£ - 9

750Я - 9

(3,294 + 0)72£ - 9

П750

cos

-sm

"2л

у (^75о(Я.) + 1^75О(Я))^6

2л

у (^75о№ + 1^750(^))^6

3,294

cos

■sm

2л

■(3,294+ 0)72£ - 9

750Я - 9 2л

(3,294+ 0)72^-9

750Я - 9

750

750

750

_ /-0,404277 -0,27765514 Мб = 4-3,0129501 -0,404277 )'

Матрица покрытия М, определяемая выражением М = МтМт-1---М1, равна:

_ /0,110632 - 0,5806181 0,048107 - 0,35179114 М = (0,268957 - 3,4052921 0,370922 - 0,389326^

Амплитудный коэффициент отражения рассчитывался по формуле (15): г(А) = [0,110632 - 0,5806181 - 3,57 * (0,370922 - 0,3893260 + 3,57 * (0,048107 - 0,3517910 - 0,268957 + 3,405292¿]/[0,110632 - 0,5806181 + 3,57 * (0,370922 - 0,3893260 + 3,57 * (0,048107 - 0,3517910 + 0,268957 - 3,405292[] = -0,457216 - 0,0653801 Энергетический коэффициент отражения рассчитывался по формуле (16):

Я (Л) = (-0,457216 - 0,0653800 * (-0,457216 + 0,0653800 = 0,2133209 Расчет коэффициентов отражения для других длин волн проводился аналогичным образом. Результаты расчета представлены в таблице 15.

Таблица 15 - Зависимость коэффициента отражения от длины волны для многослойного структурного элемента «туннельный диод + РБО»

Длина волны, нм Коэф. отражения Я

750 0,2133209

760 0,2106262

770 0,1411195

780 0,1283365

790 0,1955613

800 0,0764834

810 0,1488406

820 0,5822713

830 0,7618732

840 0,8352869

850 0,8706877

860 0,8899315