Фотоэлектрические преобразователи энергии на основе антимонида галлия и твердых растворов GaInAsSb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ: СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Эффективность фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

1.2. Каскадные преобразователи и применяемые материалы.

1.3. Термофотоэлектрические преобразователи: принципы действия и пути оптимизации.

2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНТИМОНИДА ГАЛЛИЯ

2.1 Формирование и исследование диффузионного профиля.

2.2. Формирование структур для солнечных элементов.

2.3. Конструктивное оформление солнечных элементов.

2.4. Широкозонные элементы на основе АЮаАэ.

2.5. Приемники для концентраторов с линейным фокусом.

3. ЖИДКОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ И СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР СаЗЬ/ОаЬьАзЗЬ

3.1. Жидкофазная эпитаксия ваБЬ.

3.2. Легирование эпитаксиальных слоев Оа8Ь.

3.3. Свойства твердых растворов Оа^п^^АЗуБЬ^у.

3.4. Термодинамическое обоснование режимов гетероэпитаксии твердых растворов Оа^п^^ЗуБЬ^у.

4. ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ Са8Ь И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СаЬтАзБЬ

4.1. Термофотоэлектрические элементы на основе ОаЭЬ.

4.2. Термофотоэлектрический генератор.

4.3. Термофотоэлектрические элементы на основе СаЬъАзЗЬ.

4.4. Монолитные каскадные термофотоэлектрические элементы.

Актуальность работы В настоящее время хорошо известны успехи в создании эффективных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии на основе гетероструктур АЮаАБ/ОаАз. Совершенствование техники осаждения эпитаксиальных слоев, а также оптимизация физических и конструктивных параметров гетероструктуры позволили разработать солнечные фотоэлементы с КПД, близкими к предельно возможным, лимитируемыми спектром солнечного излучения и шириной запрещенной зоны полупроводникового материала. Преимущества гетерофотоэлементов в сравнении с кремниевыми фотоэлектрическими преобразователями особенно заметны при аккумулировании концентрированного светового излучения, в которых требуемая площадь, а значит, и их стоимость уменьшаются пропорционально степени концентрации светового потока.

Возможности дальнейшего повышения эффективности фотоэлектрического преобразования энергии связывают с разработкой каскадных элементов, созданных на основе полупроводниковых материалов с различающимися запрещенными зонами. Теоретические оценки показывают, что одной из наиболее перспективных модификаций каскадного фотоэлемента является тандем на основе арсенида и антимонида галлия.

Повышенный интерес к антимониду галлия обусловлен и возможностями его успешного применения в термофотоэлектрических генераторах, используемых в качестве автономных источников электроэнергии. Ширина запрещенной зоны ОаБЬ в наибольшей мере соответствует спектру излучения эмиттеров, разогретых до экологически безопасных температур 1200-1400 °С.

Использование твердых растворов Оа1пАз5Ь с Е ~ 0.5-0.6 эВ позволяет увеличить эффективность фотоэлектрического преобразования при пониженных температурах излучателя (1000-1100 °С) за счет поглощения фотонов в более длинноволновой части спектра излучения нагретых тел. Существенные резервы в повышении КПД термофотоэлектрических генераторов могут быть реализованы путем создания каскадных преобразователей на основе гетероструктур ОаЗЬЛЗаГпАзЗЬ.

Таким образом, антимонид галлия и изопериодные с ним твердые растворы Оа1пАз8Ь следует рассматривать как важнейшие материалы фотоэлектрической энергетики. Однако многие вопросы, связанные с технологическими процессами создания фотоэлектрических структур, конструктивным оформлением фотоэлементов, а также с оценкой роли различных физических факторов требуют тщательной проработки.

Цель настоящей работы заключалась в характеризации процессов жидкофазной эпитаксии и диффузии цинка в ОаБЬ и твердых растворах ОаЫАзБЬ и разработке на этой основе воспроизводимой технологии изготовления фотоэлектрических элементов для использования их в каскадных преобразователях солнечной энергии и термофотоэлектрических генераторах.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- исследование профилей диффузии цинка, соответствующих различным режимам диффузионного отжига;

- изучение механизма диффузии цинка в ОаБЬ и твердых растворах СаБь^Ь;

- изучение закономерностей анодного оксидирования ва8Ь и ОаГпАзБЬ для управления поверхностной концентрацией диффузанта и определения диффузионного профиля при послойном травлении оксидированных слоев;

- отработка режимов низкотемпературной жидкофазной эпитаксии слоев Оа8Ь со строго заданной толщиной и определение закономерностей легирования;

- исследование влияния конструктивных и технологических факторов на фотоэлектрические свойства получаемых структур;

- разработка конструкций фотоэлементов и каскадных преобразователей, обеспечивающих достижение максимальной эффективности фотоэлектрического преобразования;

- измерение параметров разработанных фотоэлементов, а также проведение их испытаний на радиационную стойкость.

Научная новизна и практическая ценность работы состоят в том, что в ней изучены закономерности диффузии цинка из газовой фазы в ваБЬ и твердые растворы ОаТпАзБЬ, установлен механизм диффузии и определена зависимость глубины залегания />-и-перехода от параметров диффузионного отжига в квазизамкнутом объеме. Исследованы маскирующие свойства различных диэлектрических покрытий и особенности диффузии через полупроницаемые пленки. Рекомендованы режимы диффузии, обеспечивающие формирование заданного рельефа диффузионного фронта. Впервые в отечественной практике созданы диффузионные фотоэлементы на основе ОаБЬ и СаГлА^Ь, которые по эффективности фотоэлектрического преобразования не уступают лучшим зарубежным аналогам.

Изучены закономерности легирования эпитаксиальных слоев ваБЬ в процессе жидкофазной эпитаксии. Впервые установлена сильная зависимость коэффициента распределения теллура от температуры эпитаксии. Обоснованы режимы кристаллизации, обеспечивающие получение эпитаксиальных слоев с требуемым уровнем легирования. Исследовано влияние состава маточной среды на фотоэлектрические свойства создаваемых преобразователей солнечной энергии.

Впервые разработаны фотоэлектрические преобразователи каскадного типа как с механической стыковкой сопрягаемых фотоэлементов (система ОаАз/ОаБЬ), так и в монолитном исполнении (ОаБЬ/СаТпАзЗЬ). Показана перспективность применения таких каскадных фотоприемников в фотоэлектрических преобразователях концентрированного солнечного излучения и в термофотоэлектрических генераторах. Созданные монолитные каскадные преобразователи на основе тандема ОаЗММпАзЗЬ не имеют аналогов в отечественной практике полупроводникового приборостроения.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Диффузия цинка в антимониде галлия и твердых растворах Оа1пАз8Ь протекает по диссоциативному механизму. При одинаковых параметрах диффузионного отжига скорость миграции цинка возрастает при переходе от антимонида галлия к твердым растворам ОаЪгА^Ь, т.е. при уменьшении запрещенной зоны полупроводникового материала.

2. При двухстадийной диффузии цинка в ваБЬ и ОаЬгАзБЬ не наблюдается существенного размытия первичного диффузионного профиля, если стадия "разгонки" примеси происходит без подпитки диффузантом из внешней среды. Стабилизация диффузионного фронта обусловлена сильной концентрационной зависимостью коэффициента диффузии и влиянием внутреннего электрического поля, тормозящего миграцию подвижных междоузельных ионов цинка.

3. Диффузия цинка в ОаБЬ через тонкий слой собственного анодного оксида позволяет существенно увеличить глубину легирования по сравнению с диффузией через открытую поверхность полупроводника. Наблюдаемый эффект обусловлен интенсивной хемосорбцией цинка слоем оксида, что приводит к увеличению поверхностной концентрации диффузанта. Локальное нанесение анодного оксида на поверхность взаимодействия позволяет формировать сложный диффузионный рельеф в одностадийном процессе.

4. Низкотемпературная диффузия цинка в подложку ОаБЬ в сочетании с методами локальной обработки материала позволяет воспроизводимо получать солнечные элементы с эффективностью фотоэлектрического преобразования энергии свыше 11 %. 7

5. При жидкофазной эпитаксии Оа8Ь из обогащенных галлием растворов-расплавов коэффициент распределения теллура сильно зависит от температуры процесса. В условиях низкотемпературной эпитаксии требуемая концентрация носителей заряда в осаждаемых слоях может быть достигнута лишь путем введения легирующей примеси в расплав из растворяемой легированной навески Оа8Ь. При температуре ЖФЭ 340-360 °С уровень легирования эпитаксиальных слоев примерно повторяет уровень легирования материала-источника.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Andreev V.M., Karlina L.B., Kazantsev А.В., Khvostikov V.P., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V., Shvarts M.Z. Concentrator tandem solar cell based on AlGaAs/GaAs-InP/InGaAs (or GaSb) structures // Proc. 1st World Conference of Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii, USA, 1994, p. 1721-1724.

2. Mintairov A.M., Khvostikov V.P., Larionov V.R., Paleeva E.V., Sorokina S.V. Raman scattering controled free-carrier and composition distribution in solar cell structures // Proc. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 1994, Hawaii, p. 1803-1806.

3. Larionov V.R., Mintairov A.M., Paleeva E.V., Rumyantsev V.D., Strugova E.O., Sorokina S.V. Raman spectra controlled, high-productive LPE fabrication of AlGaAs/GaAs solar cells // Proc. 12th European PV Conference, Amsterdam, 1994.

4. Andreev V.M., Cherotchenko M.V., Karlina L.B., Khvostikov V.P., Mintairov A.M., Sorokina S.V. Laser Raman scattering characterization of

AmBv compounds and structures // Proc. International Conference "Semiconductor Processing and Characterization with Lasers", Stuttgart, Germany, 1994.

5. Andreev V.M., Kasantsev A.B., Khvostikov V.P., Paleeva E.V., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V. Low temperature LPE of QW AlGaAs heterostructures // Proc. 1994 International Conference on Electronic Materials (ICEM'94), Hsinchu, Taiwan, 1994.

6. Khvostikov V.P., Sorokina S.V., Rumyantsev V.D., Shvarts M.Z. LPE-growth and terrestrial testing of concentrator solar cells based on AlGaAs/GaAs and GaSb // Proc. 6th Sede-Boger Simposium on Solar Electricity Production, Israil, 1994, p. 177-181.

7. Andreev V.M., Karlina L.B., Khvostikov V.P., Rumyantsev V.D., Shvarts M.Z., Sorokina S.V. Mechanically stacked concentrator tandem solar cells // Proc. 4th European Space Power Conference, Poitiers, France, 1995, v.2, p. 363-366.

8. Khvostikov V.P., Larionov V.R., Paleeva E.V., Sorokina S.V., Chosta O.I., Shvarts M.Z., Zimogorova N.S. Space concentrator solar cells based on multilayer LPE grown AlGaAs/GaAs heterostructure // Proc. 4th European Space Power Conference, Poitiers, France,1995, v.2, p.359-362.

9. Khvostikov V.P., Mintairov A.M., Paleeva E.V., Sorokina S.V. Raman scattering characterization of space solar cell structures // Proc. 4th European Space Power Conference, 1995, Poitiers, France, v.2, p. 645-648.

10. Sorokina S.V., Khvostikov V.P., Shvarts M.Z. GaSb based solar cells for concentrator tandem application // Proc. 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Nice, France, 1995, p.61-64.

11. Andreev V.M., Karlina L.B., Khvostikov V.P., Rumyantsev V.D., Shvarts M.Z., Sorokina S.V. Concentrator tandem solar cells based on A3B5 compounds // Proc. 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Nice, France, 1995.

12. Andreev V.M., Kasantsev A.B., Khvostikov V.P., Paleeva E.V., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V. Low temperature LPE of QW AlGaAs heterostructures // J. Materials Chemistry and Physics, 45, 1996,130-135.

13. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Paleeva E.V., Sorokina S.V., Shvarts M.Z. GaAs and GaSb based solar cells for concentrator and thermophotovoltaic applications // Proc. 25th IEEE Photovaltaic Specialists Conference, Washington, USA, 1996, p. 143-146.

14. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Paleeva E.V., Sorokina S.V. Low temperature LPE of AlGaAs-nanostructures // Proc. 23-rd International Conferene on the Physics of Semiconductor, Berlin, Germany, 1996, p.1055-1058.

15. Khvostikov V.P., Paleeva E.V., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V., Shvarts M.Z., Vasil'ev V.l. GaAs and GaSb based solar cells // Proc. International Solar Forum EuroSun' 96, Freiburg, Germany, 1996.

16. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Paleeva E.V., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V., Shvarts M.Z., Vasil'ev V.l. Tandem solar cells based on AlGaAs/GaAs and GaSb structures // Proc. 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, St.-Petersburg, Russia, 1996, p.425-428.

17. Khvostikov V.P., Mintairov A.M., Peevski P.G., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V. Spectral behaviour of AlGaAs/GaAs heterophotocells (HPCs) with extremely thin (2-8 nm) window layers // Proc. 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, St.-Petersburg, Russia, 1996, p.411-414.

18. Mintairov A.M., Vlasov A.S., Khvostikov V.P., Blagnov P.A., Prokophiev A.A., Sorokina S.V. Cluster effect in optical spectra of GaAsSb on GaAs grown by liquid phase epitaxy // Proc. International Symposum "Nanostructures: physics and technology 97", St.-Peterburg, Russia,1997, p.316-319.

19. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Larionov V.R., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V., Shvarts M.Z., Vasil'ev V.l., Vlasov A.S. Tandem

GaSb/InGaAsSb thermophotovoltaic cells I I Proc. 26th IEEE PVSC, Anaheim, USA, 1997, p.935-938.

20. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V., Vasil'evV.I. GaSb based solar cells with Zn-diffuzed emitters // Proc. 9th International Workshop on Physics of Semiconductor Devices, Delhi, India, 1997, p.420-424.

21. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V., Shvarts M.Z., Vasil'ev V.l. GaSb based PV cells for solar and thermophotovoltaic applications // Proc. 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exibition, Barselona, Spain, 1997, p. 1763-1766.

22. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Larionov V.R., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V., M.Z.Shvarts, Vasil'ev V.l., Vlasov A.S., Chosta O.I. GaSb/InGaAsSb tandem thermophotovoltaic cells for space applications // Proc. 5th European Space Power Conference (EPSC-98), Tarragona, Spain, 1998, p. 527-532.

23. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Larionov V.R., Rumyantsev V.D., Shvarts M.Z., Sorokina S.V., Vasil'ev V.l., Vlasov A.S. Single and dual

• /-t П1 /Т /^t А П ■* ГТТТЧ-* r 11 / / ТЛ ГЪ 1 -WT T 11 у—Ч Г» 1 junction uabD/mura/\söD irv cens // rroc. zna worm uonierence ana Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria, 1998, p.330-333.

24. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Rumyantsev V.D., Sorokina S.V., Vasil'ev V.l. Portable TPV generator based on metallic emitter amd 1.5 Amp GaSb cells // Proc. 4th NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Denver, CO, 1998, p.384-393.

25. Андреев B.M, Васильев В.И., Румянцев В.Д., Сорокина С.В., Хвостиков В.П. Однопереходные и тандемные GaSb/InGaAsSb термофотоэлементы. // Представлена на международной конференции "Physics at the Turn of the 21st Century", Санкт-Петербург, Россия, 1998.

172

В заключение выражаю глубокую благодарность Хвостикову В.П. за научное руководство и постоянное внимание к проводимым исследованиям, Андрееву В.М. - за полезные советы и интерес к работе; Румянцеву В.Д. и Ларионову В.Р. - за ценные рекомендации и плодотворное обсуждение результатов, Шварцу М.З. и Тимошиной Н.Х. - за измерение фотоэлектрических характеристик элементов; Дементьевой А.И. - за постростовую обработку структур; Васильеву В.И. - за предоставление эпитаксиальных образцов на основе GalnAsSb/GaSb, Минтаирову А.М., Власову A.C. и Садчикову H.A. - за анализ спектров фотолюминесценции и Рамановского рассеяния, всему коллективу лаборатории фотоэлектрических преобразователей за помощь, дружескую поддержку и плодотворное сотрудничество.

Заключение

1. С помощью методов вторичной ионной масс-спектрометрии и Рамановской спектроскопии изучены закономерности диффузии цинка из газовой фазы в антимонид галлия и твердые растворы ОаЬгА^Ь. Определена зависимость глубины р-я-перехода от температуры и длительности диффузионного отжига, а также от состава газовой фазы, формируемой в квазизамкнутом объеме.

2. Установлено, что наблюдаемые особенности в распределении цинка могут быть непротиворечиво объяснены в рамках представлений о диссоциативном механизме диффузии. При одинаковых параметрах диффузионного отжига скорость миграции цинка возрастает при переходе от Са8Ь к твердым растворам ОаЬпАзБЬ, т.е. при уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводникового материла.

3. Показано, что при проведении процесса локальной диффузии в качестве защитной маски могут быть использованы пленки БЮ2 или 813М4 толщиной 0.1-0.2 мкм. При отсутствии поступления цинка из газовой фазы вследствие маскирования межфазной поверхности термический отжиг предварительно легированной структуры не сопровождается существенным смещением р-п-перехода, т.е. при двухстадийной диффузии цинка практически не наблюдается размытия первичного диффузионного профиля, если стадия разгонки примеси происходит без подпитки диффузантом из внешней среды.

4. Экспериментально доказано, что диффузия цинка через тонкий слой собственного анодного оксида позволяет в два раза увеличить глубину залегания р-я-перехода по сравнению с диффузией через открытую поверхность полупроводника. Наблюдаемый эффект обусловлен интенсивной хемосорбцией цинка слоем оксида, что приводит к увеличению поверхностной концентрации диффузанта. Локальное нанесение анодного оксида на поверхность взаимодействия позволяет формировать сложный диффузионный рельеф в одностадийном процессе.

5. Изучены закономерности анодного окисления GaSb и твердых растворов Ga0 841По 16As018Sb0 82 в достаточно широком интервале рабочих напряжений (10-200 В). Определены константы анодного окисления полупроводников и удельного приращения толщины оксидированного слоя. Показано, что параметры окисления не зависят от типа электропроводности и уровня легирования полупроводникового материала. Сочетание анодного окисления с последующим избирательным травлением оксидированного слоя позволяет прецизионно управлять поверхностной концентрацией в неоднородно легированных структурах, а также исследовать профиль распределения легирующих примесей.

6. Экспериментально и теоретически изучены закономерности эпитаксиального осаждения GaSb из жидкой фазы. Определены коэффициенты взаимной диффузии компонентов в расплавах, обогащенных галлием или сурьмой. Показано, что при эпитаксии из малого зазора для расчета толщины осаждаемых слоев может быть с высокой надежностью использована модель равновесной кристаллизации. Предложенный подход позволяет прецизионно управлять толщиной слоев при формировании многослойных структур.

7. Получены экспериментальные результаты по легированию эпитаксиальных слоев антимонида галлия теллуром и германием. Показано, что наблюдаемая политропия в поведении теллура может быть удовлетворительно объяснена с помощью представлений о поверхностном и объемном ионизационном равновесии. В приближении теории регулярных растворов рассчитана температурная зависимость коэффициента распределения Те между жидкой и твердыми фазами. Определены технологические режимы, обеспечивающие более высокое структурное совершенство осаждаемых слоев.

8. Экспериментально и расчетным путем установлено, что при пониженных температурах эпитаксии коэффициент распределения теллура достигает очень высоких значений (более 100). В этих условиях для достижения требуемой концентрации носителей заряда в осаждаемых слоях примесные атомы должны вноситься в расплав только из расплавленной легированной навески ОаБЬ. Доказано, что при температуре ЖФЭ 340-360 °С уровень легирования эпитаксиальных слоев примерно повторяет уровень легирования материала-источника.

9. На основе теории диффузионно-ограниченного роста проведено математическое моделирование процессов ЖФЭ твердых растворов ОаЬгАэЗЬ. Показано, что в изотермических режимах эпитаксии твердый раствор заданного состава может быть получен из жидкой фазы с различным начальным содержанием компонентов, соответствующих различной степени пересыщения раствора-расплава. Определены начальные концентрации компонентов в расплаве, по отношению к которым твердая фаза инвариантна по составу и согласована по периоду решетки с подложкой ОаЭЬ.

10. Проведены исследования просветляющих свойств ряда диэлектрических пленок и анодного оксида в широком интервале длин волн. Экспериментально показано, что для достижения минимального отражения излучения во всем спектральном диапазоне фоточувствительности СЭ из антимонида галлия могут быть использованы просветляющие двухслойные покрытия на основе пленок 2п8 и М§Р2, осаждаемых в едином технологическом процессе методом испарения и конденсации в вакууме.

11. Разработана технология изготовления диффузионных солнечных элементов на основе ОаЭЬ. Благодаря оптимизации технологического процесса и конструкции преобразователя достигнута эффективность фотоэлектрического преобразования солнечного излучения 11.13 %, что соответствует параметрам лучших зарубежных аналогов.

12. Исследовано влияние генеалогии эпитаксиального слоя на характеристики ОаБЬ фотоэлектрических преобразователей. Установлено, что наилучшими параметрами обладают фотоэлементы с базовым слоем ОаБЬ (Те), полученным при осаждении из обогащенного галлием расплава. Внешняя квантовая эффективность таких структур в спектральном диапазоне 0.9-1.3 мкм превышает 90 %.

13. Проведены испытания ОаБЬ солнечных элементов на радиационную стойкость. Испытания показали, что воздействие быстрых электронов с энергией 3 МэВ и дозой облучения свыше 1015 см"2 вызывают ухудшение коэффициента разделения носителей заряда преимущественно в длинноволновой части спектра фоточувствительности Оа8Ь. Радиационная стабильность фотоэлементов возрастает с уменьшением глубины залегания р-и-перехода.

14. Впервые в отечественной практике разработаны фотоэлектрические преобразователи концентрированного солнечного излучения каскадного типа на основе системы ОаАБ/ОаБЬ. При механической стыковке элементов достигнута эффективность фотоэлектрического преобразования энергии 29.8 % (АМ1.5Б, К=9Ъ, 25 °С).

15. Исследована возможность применения фотоэлектрических структур на основе СаБЬ в качестве преобразователей энергии в термофотоэлектрических генераторах. Предложены конструкции фотоэлементов, которые при возбуждении от селективного металлического эмиттера излучения генерируют /;с=15А/см2, обладают и^0.4 В и имеют коэффициент заполнения ВАХ порядка 0.7.

16. Впервые в отечественной практике по гибридной диффузионно-эпитаксиальной технологии созданы фотоэлектрические преобразователи энергии на основе узкозонных твердых растворов Са1пАз8Ь (Е ~0.55 эВ), которые в широком спектральном диапазоне - от 800 до 2200 нм -характеризуются внешней квантовой эффективностью порядка 80 % и перспективны для применения в качестве нижнего элемента в двухтерминальном каскадном преобразователе солнечного излучения и в термофотоэлектрических генераторах. По параметрам ВАХ разработанные фотоэлементы на основе GalnAsSb не уступают лучшим зарубежным аналогам.

17. Предложено два варианта конструктивного оформления и соответствующие им технологические маршруты изготовления монолитных каскадных преобразователей на основе гетероструктур GaSb/GalnAsSb. Разработанные фотоэлементы позволяют в 1.5 раза повысить напряжение холостого хода и не имеют аналогов в практике мирового приборостроения.

1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - JL: Наука, 1989, 309 с.

2. Андреев В.М., Румянцев В.Д. Фотоэлектрические преобразователи концентрированного солнечного излучения на основе гетероструктур // В сб. "Фотоприемники и фотопреобразователи" Д.: Наука, 1986, с. 181-204.

3. Андреев В.М., Румянцев В.Д. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии на основе гетероструктур // В сб. "Материалы полупроводниковой электроники" JL: ФТИ АН СССР, с.3-51.

4. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Каган М.Б. и др. Солнечные преобразователи на основе гетеропереходов /?AlGaAs-wGaAs // ФТП -1979, т.4, №12, с. 2378-2379.

5. Andreev V.M., Karlina L.B., Sorokina S.V. et al. Concentrator tandem solar cell based on AlGaAs/GaAs-InP/InGaAs (or GaSb) structures /'/' Proc. 1st World Conference of Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii, USA, 1994, p. 1721-1724.

6. Andreev V.M., Karlina L.B., Sorokina S.V. et al. Mechanically stacked concentrator tandem solar cells // Proc. 4th European Space Power Conference, Poitiers, France, 1995, v.2, p. 363-366.

7. Fraas L.M. High-efficiency III-V multijunction solar cells // In "Solar cell and their applications" ed. L.D.Partain / J.Willey and Sons Inc. 1995, p. 143-161.

8. Андреев B.M. Гетероструктурные солнечные элементы // Представлена на международной конференции "Physics at the Turn of the 21st Century", St.-Petersburg, Russia, 1998.

9. Андреев B.M., Румянцев В.Д. Солнечные гетерофотоэлементы и энергоустановки на их основе // Электротехника, 1986, в. 2, с. 3-11.

10. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи М.: Сов. радио, 1971, 248 с.

11. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Зимогорова Н.С. и др. Двухэлементный каскадный солнечный фотопреобразователь в системе AlGaAs // Письма в ЖТФ -1981, т. 7, №15, с. 833-836.

12. Spitzer М.В., Fan J.C. Multijunction cells for space applications // Solar Cells -1990, v.29, p. 183-203.

13. Fan J.C., Tsaur B.Y., Palm B.J. // Proc.l6th Photovoltaic Specialists Conference, Florida, IEEE, N-Y, 1982, p.692.

14. Bennett A., Olsen L.S. // 13th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Record // IEEE, 1978, N-Y, p.868-873.

15. Wanlass M.W., Coutts T.J., Ward J.S. et al. // 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference Record // IEEE, 1991, N-Y, p.38-45.

16. Jain R.K., Flood D.J. Monolithic and mechanical multijunction space solar cells // Transactions of the ASME, V.115, 1993, p.106-111.

17. Chang B.C., Virhop G.P., Klasmeier-Brown M. et al. // 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference Record /'/' IEEE, 1991, N-Y, p.38-45.

18. Khvostikov V.P., Paleeva E.V., Sorokina S.V. et al. GaAs and GaSb based solar cells // Proc. International Solar Forum EuroSun' 96, Freiburg, Germany, 1996.

19. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. Tandem solar cells based on AlGaAs/GaAs and GaSb structures // Proc. 23rd International Symposium on Compound Semiconductors, St.-Petersburg, Russia, 1996, p.425-428.

20. Olson J.M., Kurtz S.R., Kibbler A.E., Faine P. A 27.3 % efficient GaojIn^P/GaAs tandem solar cell // Appl. Phys. Lett. 1990, v. 56, №7, p.623-626.

21. Gee J.M., Virhup G.F. // 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Record // IEEE, 1988, N-Y, p.754.

22. Kim N.P., Steward J.M., Stanbery B.J. et al. // 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference Record // IEEE, 1991, N-Y, p.68-72.

23. Bailey S.G., Flood D.J. Space Photovoltaics // Progress in photovoltaics: research and applications v.6, 1998, p. 1-14.

24. Green M.A., Emery K., Bucher K. et al. Solar cell efficiency tables // Progress in photovoltaics: research and applications v.6, 1998, p.265-270.

25. Fraas L.M., Girard G.R., Avery J.E. et al. GaSb booster cells for over 30 % efficient solar-cell stacks // J.Appl. Phys., 66 (8), 1989, p.3866-3870.

26. Fraas L., Ballantyne R., Samaras J., Seal M. A thermophotovoltaic electric generator using GaSb cells with a hydrocarbon burner// Proc. 1st World Conference of Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC), 1994, Hawaii, USA, p.1713-1716.

27. Fraas L.M., Huang H.X., Ye S-Z., Hui S. et al. Low cost high power GaSb photovoltaic cell // Proc. 3rd NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Colorado Springs, USA, 1997, p.33-40.

28. Coutts T.J., Wanlass M.W., Ward J.S., Johnson S. A review of recent advantage in thermophotovoltaics // Proc. 25th IEEE Photovaltaic Specialists Conference (PVSC), Washington, USA, 1996, p.25-30.

29. Fraas L., Samaras J., Mulligan W., Avery J. et al. Status of TPV commertial system development using GaSb infrared sensitive cells // Proc. 2nd World Photovoltaic Specialists Conference,Vienna, Austria, 1998.

30. Fraas L., Ballantyne R., Hui S. et al. Commercial GaSb cells and circuit development for the Midnight Sun TPV stove // Proc. 4th NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Denver, USA, 1998, p.480-487.

31. Bett A.W., Keser S., Stollwerck G., Sulima O.V. Recent progress in developing of GaSb photovoltaic cells // Proc. 14th Eropean Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Spain, 1997

32. Ferguson L., Fraas L. Matched infrared emitters for use with GaSb TPV cells // Proc. 3-rd NREL Conference, Colorado Springs, USA,1997, p.169-180.

33. Gabler H., Hein M., Zenker M. A propan-fueled thermophotovoltaic energy converter using low-bandgap photovoltaic cells // Proc. 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria, 1998

34. Schubnell M., Gabier H., Broman L. Overview of European activities in thermophotovoltaics // Proc. 3rd NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Colorado Springs, USA, Conference, p.3-22.

35. Fraas L., Xiang H.H., Samaras J., Ballantyne R. et al. Hydrocarbon fire thermophotovoltaic generator prototypes using low bandgap gallium antimonide cells // Proc. 25th IEEE Photovaltaic Specialists Conference (PVSC), Washington, USA, 1996, p.125-128.

36. Stone K.W., Fatemi N.S., Garverick L.M. Operation and component testing of solar TPV power system, Proc. of the 25th IEEE Photovaltaic Specialists Conference (PVSC), Washington, USA, 1996, p.1421-1424.

37. Chubb D.L., Flood D.J., Lowe R.A. High efficiency direct thermal to electric energy conversion from radioisotope decay using selective emitters and spectrally tuned solar cells // Proc. 3rd European Space Power Conference, Graz, Austria, 1993.

38. Day A.C., Hörne W.E., Morgan M.D. Application of GaSb solar cell in isotope-heated power systems // To be published.

39. Kushch A.S., Skinner S.M. High power density AEM combustion for TPV application // Proc. 4 NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Denver, USA, 1998, p.505-516.

40. Sundaram V.S., Morgan M.D., Hörne W.E., Saban S.B. Thermophotovoltaic (TPV): an old concept whose time has came // Proc. 9th International Workshop on Physics of Semiconductor Devices, Delhi, India, 1997, v.l, p.410-419.

41. Shellenbarger Z.A., Mauk M.G., Cox J.A. et al. Improvements in GaSb-based thermophotovoltaic cells // Proc. 3rd NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Colorado Springs, USA, Conference, p. 117-128.

42. Черняев B.H. Физико-химические процессы в технологии РЭА. М.: Высшая школа, 1987, 375 с.

43. Mintairov A.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. Raman scattering controled free-carrier and composition distribution in solar cell structures // Proc. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 1994, Hawaii, USA, p.1803-1806.

44. Khvostikov V.P., Mintairov A.M., Paleeva E.V., Sorokina S.V. Raman scattering characterization of space solar cell structures // Proc. 4th European Space Power Conference, 1995, Poitiers, France, v.2, p. 645-648.

45. Hasegawa H, Hartnagel H.L. Anodic oxidation of GaAs in mixed solutions of glycol and water // J. Electrochem. Soc. v.123, №5, 1976, p.713-723.

46. Sorokina S.V., Khvostikov V.P., Shvarts M.Z. GaSb based solar cells for concentrator tandem application // Proc. 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, "Nice, France, 1995, p.61-64.

47. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. GaAs and GaSb based solar cells for concentrator and thermophotovoltaic applications // Proc. 25th IEEE Photovaltaic Specialists Conference, Washington, USA, 1996, p. 143-146.

48. Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках М.: Физматгиз, 1961, 462 с.

49. Кеизи X. Диффузия в полупроводниковых соединениях А3В5/ в кн.: Атомная диффузия в полупроводниках: под ред. Д.Шоу М.: Мир, 1975, стр. 406-493.

50. Кюрегян А.С., Стучебников В.Н. Диффузия цинка в антимонид галлия // ФТП, т.4, вып. 8, 1970, стр. 1591-1593.

51. Conibeer G.J., Willoughby A.F., Hardingham С.М., Shara V.K. Zinc diffusion in tellurium doped gallium antimonide // J. Electronic Materials v. 25, №7, 1996, p.1108-1112.

52. Шьюмон П. Диффузия в твердых телах. М.: Металлургия, 1966.

53. Longini R.L. Rapid zinc diffusion in gallium arsenide// Solid State Electronics, v.5, 1962, p.127-130.

54. Nigren S.F., Pearson G.L. Zn diffusion into gallium phosphide under high and low phosphorus overpressure // J. Electrochem. Soc., v.116, 1969, №5, p.648-654.

55. Casey H.C., Panish M.B. // trans. Met. soc. AJME, v.242, 1968, p.406

56. Bett A.W., Keser S., Stollwerck G., Sulima O.V., Wettling W. GaSb-based (thermo)photovoltaic cells with Zn diffused emitters // Proc. 25th IEEE Photovaltaic Specialists Conference (PVSC), Washington, USA, 1996, p.133-136.

57. Kendall D.L. Diffusion // in "Semiconductors and semimetals", vol.4, p.223 // Willardson R.K., Beer A.C. Acad. Press, N-Y, 1968.

58. Колтун M.M. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985.

59. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. Tandem GaSb/InGaAsSb thermophotovoltaic cells // Proc. 26th IEEE Photovaltaic Specialists Conference (PVSC), Anaheim, USA, 1997, p.935-938.

60. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. GaSb based PV cells for solar and thermophotovoltaic applications // Proc. of the 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exibition, Barselona, Spain, 1997, p.1763-1766.

61. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. GaSb/InGaAsSb tandem thermophotovoltaic cells for space applications // Proc. 5th European Space Power Conference (EPSC-98), Tarragona, Spain, 1998, p. 527-532.

62. Gruenbaum P.E., Avery J.E., Fraas L.M. The effects of electron and proton radiation on GaSb infrared solar cell // Proc. SPRAT conference, Ohio, 1991, p.41-1 -41-8.

63. Khvostikov V.P., Larionov V.R., Sorokina S.V. et al. Space concentrator solar cells based on multilayer LPE grown AlGaAs/GaAs heterostructure // Proc. 4th European Space Power Conference. Poitiers, France, 1995, v.2, p.359-362.

64. Andreev V.M., Karlina L.B., Sorokina S.V. et al. Concentrator tandem solar cells based on A3B5 compounds // Proc. 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Nice, France, 1995.

65. Andreev V.M., Kasantsev A.B., Sorokina S.V. et al. Low temperature LPE of QW AlGaAs heterostructures // J. Materials Chemistry and Physics, 45, 1996, p.130-135.

66. Шамухамедов Ш.Ш. Солнечные AlGaAs-гетерофотоэлементы с тонким широкозонным слоем: Дисс. . канд. физ.-мат. Наук / ЛФТИ АН СССР.-Л., 1986.

67. Fraas L.M., Avery J.E., Sundaram V.S. et al. Over 35-percent efficient GaAs/GaSb stacked concentrator cell assemblies for terrestrial applications // Proc. 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Kissimimee, 1990, p.190-195.

68. Fraas L.M., Avery J.E., Martin J. et al. Over 35 % efficient GaAs/GaSb tandem solar cells // IEEE transactions on electron devices, v. 37, №2, 1990, p.443-448.

69. Rezek E.A., Vojak B.A., Holonyak N. et al. Thin-layer liquid phase epitexy of InGaPAs heterostrucrtures in short intervals (<100 ms): non-diffuson-limited crystal growth // J. Electron. Mater., 1981, v. 10, №1, p.255-285.

70. Сорокин B.C. Термодинамика и кинетика жидкофазовой гетероэпитаксии твердых растворов А3В5: Докт. дисс. физ.-мат. наук / МИСИС М.: 1990, 483с.

71. Кузнецов В.В., Москвин П.П., Сорокин B.C. Неравновесные явления при жидкостной гетероэпитаксии полупроводниковых твердых растворов -М.: Металлургия, 1991,175 с.

72. Vieland L.J. Phase equiliblia of III-V compounds // Acta Met., 1963, v.ll, p.1377.

73. Паниш М.Б., Илегемс M. Фазовые равновесия в тройных системах III-V // Материалы для оптоэлектроники: Сб. статей, Пер. с англ.; под ред. Гиваргизова И.Е., Горина С.Н., М.: Мир, 1976, с. 39-92.

74. Stringfellow G.B. Calculation of distribution coefficients of donors in III-V semiconductors // J. Physics and Chemistry of Solids, 1974, v. 35, №11, p. 775-783.

75. Kaneco K., Ayabe M., Dosen M. et al. A new method of growing GaP crystals for light-emitting diodes // Proc. IEEE, v.61, №7, p. 884.

76. Jordan A.C. Trumbore F.A., Wolfstirn K.B. et al. The incorporation of tellurium in liquid phase epitaxial GaP // J. Electrochem. Soc. , 1973, v. 120, № 6, p. 791.

77. Мильвидский М.Г. Пелевин О.В., Сахаров Б.А. Физико-химические основы получения разлагающихся полупроводниковых соединений. М.: Металлургия, 1974, 391 с.

78. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. т.2 М.: Мир, 1981, 364 с.

79. Стрельченко С.С., Лебедев В.В. Соединения А3В5. Справочник М.: Металлургия, 1984, 144 с.

80. Фистуль В.И.Распад пересыщенных полупроводниковых твердых растворов. М.: Металлургия, 1977, 240 с.

81. Петков М .Д., Сорокин B.C., Шамрай В.Б. Расчет профиля легирования теллуром эпитаксиальных слоев фосфида галия // Известия ЛЭТИ, вып. 211, 1977 г., с. 22-28.

82. Ichimira М., Higuchi К., Hattori Y. et al. Native defects in the AlxGaUxSb alloy semiconductor // J. Appl. Phys. v.68, №12, 1990, p. 6153.

83. Reid F.J., Baxter R.D., Miller S.E. GaSb prepared from nonstoichiometric melts // J. Electrochem. Soc., v.133, №7,1966, p.713.

84. Воронина Т.П., Джуртанов Б.Е., Лагунова Т.С. и др. Электрические свойства твердых растворов на основе GaSb (GAInAsSb, GaAlSb, GaAlAsSb) в зависимости от состава // Физика и техника полупроводников, 1998, т.32, №3, с. 278-284.

85. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. Single and dual junction GaSb/InGaAsSb TPV cells // Proc. 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria, 1998, p.330-333.

86. Крессел Г., Нельсон Г. Свойства и применение пленок, полученных методом ЖФЭ // В сб. "Физика тонких пленок", т. VII М.: Мир, 1977, с.133-283.

87. Ильин Ю.Л., Пичугин И.Г., Сорокин B.C. Полупроводниковые соединения А3В5 // Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. Л.: Энергоатомиздат, 1988, т.З., гл.20, стр. 472-521.

88. De Winter J.C., Pollack M.A.,Srivastava A.K., Zyskind J.L. Liquid phase epitaxial GalnAsSb lattice-mathced to (100) GaSb over the 1.71-2.33 |um wavelangth range // J. Electron. Materials, 1985, v.4, №6, p.729-747.

89. Cherng M.J., Stringfellow G.B., Kisker D.W. et al. GalnAsSb metastable alloys grown by organometallic vapor phase epitaxy // Appl. Phys. Letters, 1986, v.48, №6, p. 419.

90. Шерстнев В.В. Жидкостная эпитаксия узкозонных твердых растворов антимонида галлия и арсенида индия для фотоэлектрических и люминесцентных приборов: Дисс. канд. физ.-мат. наук / ФТИ им. А.Ф.Иоффе 1989, 221 с.

91. Karouta F., Mani H., Bhan J. et al. Croissance par epitaxie en phase liquide et caracterisation d'alliages GalnAsSb a paramétré de maille accorde sur celui de GaSb // Rev. Phys. Appl., 1982, v.21, №11, p.1459-1467.

92. Onabe K. Unstable region in quaternary InGaAsSb calculated using strictly regular solution approximation // Jps. J. Appl. Phys., 1982, v.21 №6, p.964.

93. Karouta F., Marbeuf A., Joullie A., Fan J.H. Low temperature phase diagram of the GaJnj.^SySbj.y system// J. Crystal Growth, 1986, v.79, p.445-450.

94. Баранов A.H., Гусейнов A.A., Литвак A.M. и др. Получение твердых растворов GalnAsSb, изопериодных с GaSb, вблизи границы области несмешиваемости // Письма в ЖТФ, 1990, т.16., в.5, с.33-39.

95. Литвак A.M. Термодинамическое моделирование жидкофазной эпитаксии твердых растворов А3В5: Дисс. канд. физ.-мат. наук / ФТИ им. А.Ф.Иоффе Л., 1990, 147 с.

96. Krijn M.P. Heterojunction band offsets and effective masses in III-V quaternary alloys // Semiconductor science and technology 1991, v.6, №1, p.27-31.

97. Mikhailova M.P., Titkov A.N. Type II heterojunctions in the GalnAsSb/GaSb system // Semicond. Sci. Technol., 1994, v.9, p.1279-1295.

98. Андреев И.А., Баранов A.H., Мирсагатов M.A. и др. Усиление фототока в изотипной структуре и-и-GaSb-GaInAsb // Письма в ЖТФ, 1988, т.14, в. 5, с. 389-393.

99. Васильев В.И., Кузнецов В.В., Мишурный В.А. Эпитаксия GalnAsSb с использованием сурьмы в качестве растворителя // Ж. Неорган, материалы, 1983, т. 19, №1, стр. 13-15.

100. Kuznetsov V.V., Moskvin P.P., Sorokin V.S. Coherent phase diagram and interface relaxation processes during LPE of AIIIBV solid soluton // J. Cyst. Growth, 1988., v.88, p. 241-262

101. ЮЗ.Бочкарев А.Э., Долгинов JI.M., Дружинина Л.В., Мильвидский М.Г. Жидкофазная эпитаксия GalnAsSb // Ж. Неорганич. Материалы, 1983, т.19, №1, с.13-15.

102. JouIlie A., Hua J.V., Karouta F., Mani Н. LPE growth of GalnAsSb/GaSb system: the importance of the sign of the lattice mismatch // J. Cryst. Growth, 1986, v, 75, №2, p.309-318.

103. Skelton J.R., Knight J.R. Liquid phase epitaxy InAsSb on GaSb substrates using antimony-rich melts // Solid state electronics, 1985, v.28, №11, p.1166-1168.

104. Wang J.M., Sun Y.M., Wu M.C. High quality GalnAsSb quaternary layers grown from antimonide-rich solutions by liquid phase epitaxy // J. Cryst. Growth, 1997, v.172, p.514-520.

105. Селин А.А., Вигдорович B.H., Ханин В.А. Оценка устойчивости кристаллов при контакте с неравновесной жидкой фазой // ДАН СССР -1983, т. 271, вып.5, с.1174-1178.

106. Kuznetsov V.V., Moskvin P.P., Sorokin V.S. Growth kinetics in LPE of GalnPAs system // J. Cryst. Growth, 1984, v.66, №3, p.562-575.183

107. Васильев В.И., Дерягин А.Г., Кучинский В.И., Смирнов В.М. и др. Свойства твердых растворов GalnAsSb в области спинодального распада, полученных из сурьмянистых растворов-расплавов методом ЖФЭ.

108. Wu М.С., Chen С.С. Liquid phase epitaxial growth of GalnAsSb with application to GalnAsSb/GaSb heterostructure diodes // J. Appl. Phis., 1992, v. 71, №12, p.6116-6120

109. П.Андреев B.M., Питтрофф В., Сулима О.В. Влияние поверхности Al-Ga-As гетероструктур на диффузию цинка из газовой фазы // ЖТФ, 1985, т. 55, вып. 9, стр.1844-1846.

110. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V. et al. Portable TPV generator based on metallic emitter and 1.5 Amp GaSb cells // Proc. 4th NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Denver, USA, 1998, p.384-393.

111. Bett A.W., Ber B.Y., Mauk M.G. et al. Pseudo-closed box diffusion of Zn into GalnAsSb and AlGaSb for TPV devices // Proc. 4th NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Denver, USA, 1998, p.237-246.

112. Andreev V.M., Khvostikov V.P., Sorokina S.V., Vasil'evV.I. GaSb based solar cells with Zn-diffuzed emitters // Proc. 9th International Workshop on Physics of Semiconductor Devices, Delhi, India, 1997, p.420-424.