Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия
Исследовано применение пористых слоев арсенида галлия в качестве антиотражающего покрытия для солнечных элементов. С помощью пористых слоев удалось снизить поверхностное отражение, расширить диапазон спектральной чувствительности и тем самым получить возрастание тока короткого замыкания фотопреобра...
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Физическая инженерия поверхности |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98961 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия / А.И. Кирилаш, С.В. Симченко, В.В. Кидалов // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 2. — С. 217–220. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-98961 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-989612016-04-20T03:02:16Z Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия Кирилаш, А.И. Симченко, С.В. Кидалов, В.В. Исследовано применение пористых слоев арсенида галлия в качестве антиотражающего покрытия для солнечных элементов. С помощью пористых слоев удалось снизить поверхностное отражение, расширить диапазон спектральной чувствительности и тем самым получить возрастание тока короткого замыкания фотопреобразователей на основе арсенида галлия. Досліджено використання поруватого шару арсеніду галію в якості антивідбиттєвого покриття для сонячних елементів. За допомогою поруватих шарів удалося зменшити поверхневе відбиття, розширити діапазон спектральної чутливості та тим самим отримати зростання струму короткого замикання фотоперетворювачів на основі арсеніду галію. Investigated the use of porous layers of gallium arsenide as the anti-reflective coatings for solar cells. With the help of porous layers could reduce the surface reflection, and a increase in short circuit current of solar cells. 2012 Article Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия / А.И. Кирилаш, С.В. Симченко, В.В. Кидалов // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 2. — С. 217–220. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98961 621.315.592; 537.529 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Исследовано применение пористых слоев арсенида галлия в качестве антиотражающего покрытия для солнечных элементов. С помощью пористых слоев удалось снизить поверхностное
отражение, расширить диапазон спектральной чувствительности и тем самым получить возрастание тока короткого замыкания фотопреобразователей на основе арсенида галлия. |
| format |
Article |
| author |
Кирилаш, А.И. Симченко, С.В. Кидалов, В.В. |
| spellingShingle |
Кирилаш, А.И. Симченко, С.В. Кидалов, В.В. Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия Физическая инженерия поверхности |
| author_facet |
Кирилаш, А.И. Симченко, С.В. Кидалов, В.В. |
| author_sort |
Кирилаш, А.И. |
| title |
Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия |
| title_short |
Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия |
| title_full |
Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия |
| title_fullStr |
Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия |
| title_full_unstemmed |
Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия |
| title_sort |
фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия |
| publisher |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98961 |
| citation_txt |
Фотоэлектрические преобразователи на основе пористого арсенида галлия / А.И. Кирилаш, С.В. Симченко, В.В. Кидалов // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 2. — С. 217–220. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Физическая инженерия поверхности |
| work_keys_str_mv |
AT kirilašai fotoélektričeskiepreobrazovatelinaosnoveporistogoarsenidagalliâ AT simčenkosv fotoélektričeskiepreobrazovatelinaosnoveporistogoarsenidagalliâ AT kidalovvv fotoélektričeskiepreobrazovatelinaosnoveporistogoarsenidagalliâ |
| first_indexed |
2025-07-07T07:16:30Z |
| last_indexed |
2025-07-07T07:16:30Z |
| _version_ |
1836971553918550016 |
| fulltext |
217
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее вероятных материалов
для преобразования солнечной энергии яв-
ляется арсенид галлия (GaAs). Это объясня-
ется следующими его особенностями: КПД ге-
тероструктурных арсенид-галлиевых солнеч-
ных батарей доходит до 35% (в то время для
монокристаллического кремния КПД состав-
ляет порядка 20%), их максимальная рабочая
температура до +150 °С, ширина запрещён-
ной зоны у них практически совпадает с оп-
тимальной шириной запрещённой зоны для
полупроводниковых преобразователей сол-
нечной энергии равна 1,4 эВ, высокая радиа-
ционная стойкость делает этот материал чре-
звычайно привлекательным для использова-
ния в космических аппаратах.
Однако, несмотря на вышеперечислен-
ные преимущества GaAs проблема увеличе-
ния КПД стоит довольно остро. Для обеспе-
чения снижения потерь используют различ-
ные конструктивные и технологические реше-
ния. Наиболее распространенными являются:
образование на поверхности солнечного эле-
мента периодического микрорельефа, нанесе-
ния на “лицевой” слой антиотражающего по-
крытия, формирование на поверхности полу-
проводникового преобразователя слоя порис-
того материала того же состава [1, 2].
К наиболее распространённым методам
создания пористого арсенида галлия (por-
GaAs) относится: электрохимическое и хими-
ческое травления. Каждый из этих методов
имеет определенные преимущества и недо-
статки с точки зрения технологичности, вос-
производимости результатов, трудоёмкости,
возможности групповой обработки образцов,
обеспечения однородности, широкого диапа-
зона пористости и толщины слоев por-GaAs
[3].
В данной работе исследованы фотопреоб-
разователи на основе арсенида галлия из
сформированными на их поверхности слоями
por-GaAs (пористость 45 – 60%). Исследованы
коэффициенты отражения в зависимости от
морфологии сформированной пористой по-
верхности и температурные характеристики
такого преобразователя.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследуемый образец представлял собой
планарный p-n-переход на основе монокрис-
таллического GaAs ориентации (111) без про-
светляющего покрытия с площадью поверх-
УДК 621.315.592; 537.529
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО
АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
А.И. Кирилаш, С.В. Симченко, В.В. Кидалов
Бердянский государственный педагогический университет
Украина
Поступила в редакцию 28.04.2012
Исследовано применение пористых слоев арсенида галлия в качестве антиотражающего по-
крытия для солнечных элементов. С помощью пористых слоев удалось снизить поверхностное
отражение, расширить диапазон спектральной чувствительности и тем самым получить воз-
растание тока короткого замыкания фотопреобразователей на основе арсенида галлия.
Ключевые слова: пористый арсенид галлия, пористость, фотопреобразователь.
Досліджено використання поруватого шару арсеніду галію в якості антивідбиттєвого покриття
для сонячних елементів. За допомогою поруватих шарів удалося зменшити поверхневе відбиття,
розширити діапазон спектральної чутливості та тим самим отримати зростання струму ко-
роткого замикання фотоперетворювачів на основі арсеніду галію.
Ключові слова: пористий арсенід галію, поруватість, фотоперетворювач.
Investigated the use of porous layers of gallium arsenide as the anti-reflective coatings for solar cells.
With the help of porous layers could reduce the surface reflection, and a increase in short circuit
current of solar cells.
Kеywords: porous gallium arsenide, porosity, solar cell.
А.И. Кирилаш, С.В. Симченко, В.В. Кидалов, 2012
ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 2, vol. 10, No. 2218
ности ~75 мм2. Толщина “верхнего” n-слоя
составляла около 2 мкм, а “нижнего” p-слоя
~70 мкм. Концентрация основных носителей
в обоих слоях составила приблизительно
1016– 1017 см-3. Пористую поверхность получа-
ли методом электрохимического травления.
Перед экспериментом образцы тщательно
очищались. Процесс очистки состоял из сле-
дующих стадий:
1) промывание образца в этиловом спирте;
2) промывание в дистиллированной воде;
3) сушка пластин с помощью центрифуги в
струе очищенного сухого воздуха.
В качестве электролита для травления на-
ми использовались 45% фтористоводородная
кислота и 96% спирт в соотношении 1:1.
Травление осуществлялось в разработан-
ной нами ячейке состоящей из фтороплас-
товой ёмкости (фторопласт марки Ф-10) с
платиновым кольцевым электродом (рис. 1).
Травления проводилось при плотности то-
ка анодирования 80 мА/см2, продолжитель-
ностью 4 – 5 мин в полной темноте. Источ-
ником напряжения служил прецизионный
блок питания на основе модуля KIS-3R33S.
Токовая кинетика процесса травления регист-
рировалась АЦП оригинальной конструкции
и отображалась на экране компьютера в ре-
жиме реального времени.
Морфологии полученных пористых струк-
тур исследовались с помощью растрового
электронного микроскопа REM-109.
Толщина полученных слоёв por-GaAs в
экспериментах составляла от 40 до 80 нм.
На рис. 2 изображена полученная морфо-
логия поверхности por-GaAs после процесса
травления.
Как видно из рис. 2 размер пор варьирует-
ся от сотен нанометров до единиц микрон.
Значительный разброс в геометрических раз-
мерах образовавшихся пор говорит о том, что
процесс порообразования является функцией
времени [4]. Поры равномерно расположены
по всей поверхности образца, некоторые пе-
ретравливание поверхности и геометрия по-
лученных пор обусловлены высоким током
анодирования на начальном этапе травления.
Изменяя состав электролита, величину тока
анодирования и время травления позволяет
получать разную геометрию пор и глубину по-
ристого слоя.
Спектральные зависимости коэффициента
отражения от приготовленных образцов в
диапазоне длин волн 400 – 1150 нм измеряли
с помощью спектрофотометра Perkin Elmer
330.
Измерение вольт-амперных характеристик
и параметров фотопреобразователей осу-
ществлялось на тестере контроля солнечных
элементов с импульсным освещением ксено-
новой лампой с продолжительностью импу-
льса 5 мс и интенсивностью светового потока
1000 Вт/м2 при температуре 20 °С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты измерения полного коэффициента
отражения (R), как функции длины волны (l)
для солнечных элементов с различными тол-
Рис. 1. Ячейка для электрохимического травления.
1– фторопластовая ёмкость для электролита; 2 – коль-
цевой Pt-электрод; 3 – держатель образца; 4 – элект-
ролит; 5 – образец; 6 – регулируемая подставка;
7 – светозащитный колпак; 8 – прецизионный источник
напряжения; 9 – измерительное сопротивление;
10 – блок АЦП.
Рис. 2. Морфология поверхности GaAs после травления
в электролите на основе С2Н5ОН:HF (1:1).
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
219
щинами сформированных слоёв пористого
арсенида галлия изображены на рис. 3.
На приготовленных образцах наблюдалось
явное увеличение поглощающей способности
por-GaAs с ростом толщины пористой по-
верхности, что свидетельствует о увеличении
КПД преобразования таким фотоэлементом
[5, 6]. Увеличения поглощения por-GaAs в
зависимости от толщины сформированной
пористой поверхности обусловлено тем, что
в данном случае размеры микрокристаллов
и расстояния между ними меньше длины
волны падающего излучения, поэтому свет
многократно рассеивается на кристаллах вну-
три пор и происходит более полный захват
падающих квантов света.
Экспериментальные вольт-амперные ха-
рактеристики арсенид-галлиевых солнечных
элементов с пористым слоем толщиной 80 нм
(пористость 55%) и без пористого слоя, ис-
следованы в образцах с площадью поверх-
ности 75 мм2 при интенсивности излучения
1000 Вт/м2 и температуре 20 °С приведены
на рис. 4. Значение тока короткого замыкания
в солнечных элементах с слоем por-GaAs уве-
личивалось примерно на 10% по сравнению
с монокристаллическим образцом таких же
размеров без просветляющего покрытия, в то
время как напряжение холостого хода не из-
менялось. Определенное улучшение парамет-
ров можно объяснить увеличением активной
площади поверхности por-GaAs, которая
уменьшает потери света на отражение и
генерацией дополнительных фотоносителей
в сформированном пористом слое арсенида
галлия, а также уменьшением толщины под-
ложки из монокристаллического GaAs, кото-
рая по-прежнему вносит вклад в фотопреоб-
разование.
На полученных образцах исследовались
температурные зависимости напряжения
холостого хода и тока короткого замыкания.
На рис. 5 представлены эксперименталь-
ные результаты зависимости тока короткого
замыкания (Iкз) и напряжения холостого хода
(Uхх) солнечных элементов с пористым арсе-
нидом галлия толщиной пористого слоя
80 нм (пористость 55% ) от температуры.
Температурный коэффициент напряжения
холостого хода для солнечных элементов с
por-GaAs, dUxx/dT
= 3,5 мВ/град. Ток корот-
кого замыкания в солнечных элементах с
por-GaAs в температурных пределах 20 –
100 °С возрастает примерно на 14%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье исследовано применение пористых
слоев арсенида галлия в качестве антиот-
ражающего покрытия для солнечных эле-
ментов. С помощью пористых слоёв удалось
снизить поверхностное отражение, расши-
Рис. 3. Полный коэффициент отражения, как функция
длин волн для полированного GaAs (1); слоя por-GaAs
с толщиной: 40 нм (2), 80 нм (3).
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики арсенид-гал-
лиевых солнечных элементов с пористым слоем (1) и
без пористого слоя (2) сняты при Т = 20 °С.
Рис. 5. Зависимость тока короткого замыкания (Iкз) и
напряжения холостого хода (Uхх) солнечных элементов
с слоем por-GaAs от температуры.
ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 2, vol. 10, No. 2
А.И. КИРИЛАШ, С.В. СИМЧЕНКО, В.В. КИДАЛОВ
ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 2, vol. 10, No. 2220
рить рабочий спектральный диапазон пре-
образования солнечной энергии и получить
возрастание тока короткого замыкания сол-
нечных элементов.
На приготовленных образцах наблюдалось
явное увеличение поглощающей способности
в слоях por-GaAs с ростом толщины порис-
той поверхности, что свидетельствует о уве-
личении КПД преобразования таким фото-
элементом.
Значение тока короткого замыкания в сол-
нечных элементах с por-GaAs увеличивалось
примерно на 10% по сравнению с таким же
монокристаллическим образцом, в то время
как напряжение холостого хода не изменя-
лось.
Возрастание тока короткого замыкания
обусловлено также увеличением “активной”
площади фотопреобразователя на основе
GaAs за счёт пористости поверхности.
Установлено, что фотопреобразователи с
пористым верхним слоем по эффективности
могут конкурировать с преобразователями, на
поверхность которых нанесены просветляю-
щие покрытия “активной” поверхности.
ЛИТЕРАТУРA
1. Дмитрук Н.Л., Мамонтова И.Б. Фотоэлект-
рические преобразователи солнечного излу-
чения с текстурированной поверхностью//
Оптоэлектроника и полупроводниковая тех-
ника. – 2000. – № 35. – С. 67-90.
2. Колтун Н.М. Селективные оптические покры-
тия преобразователей солнечной энергии. –
М.: Наука, 1979.
3. Горбач Т., Пидлисный Е., Свечников С. Мор-
фологические и оптические свойства анизо-
тропно-травленого арсенида галлия. – К.:
Наукова думка, 1988.
4. Улин В.П. Природа процессов электрохими-
ческого порообразования в кристаллах A3B5
(Часть I)// Физика и техника полупроводников.
– 2007. – T. 41, № 7. – C. 854-867.
5. Foil H., Langa S., Carstensen J., Lolkes S., Chri-
stophersen M., Tiginyanu I.M.//III-Vs Review.
– 2003. – Vol. 16 (7), No. 42.
6. Schmuki P., Fraser J., Vitus C.M., Graham M.J.,
Isaacs H.S.//J. Electrochem. Soc. – 1996. –
Vol. 143 (10). – P. 3316.
LITERATURA
1. Dmitruk N.L., Mamontova I.B. Fotoelektri-
cheskie preobrazovateli solnechnogo izlucheniya
s teksturirovannoj poverhnost’yu//Optoelektro-
nika i poluprovodnikovaya tehnika. – 2000. –
№ 35. – S. 67-90.
2. Koltun N.M. Selektivnye opticheskie pokry-tiya
preobrazovatelej solnechnoj energii. - M.: Nauka,
1979.
3. Gorbach T., Pidlisnyj E., Svechnikov S. Morfo-
logicheskie i opticheskie svojstva anizotropno-
travlenogo arsenida galliya. – K.: Naukova
dumka, 1988.
4. Ulin V.P. Priroda processov elektrohimichesk-
ogo poroobrazovaniya v kristallah A3B5 (Chast
I)//Fizika i tehnika poluprovodnikov 2007. –
T. 41, № 7. – C. 854-867.
5. Foil H., Langa S., Carstensen J., Lolkes S., Chri-
stophersen M., Tiginyanu I.M.//III-Vs Review.
– 2003. – Vol. 16 (7), No. 42.
6. Schmuki P., Fraser J., Vitus C.M., Graham M.J.,
Isaacs H.S.//J. Electrochem. Soc. – 1996. –
Vol. 143 (10). – P. 3316.
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
|