Фотоэлектрические преобразователи солнечной и тепловой энергии на основе антимонида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

00501

На правах рукописи

1274

ПОТАПОВИЧ НАТАЛИЯ СТАНИСЛАВОВНА

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ АНТИМОНИДА ГАЛЛИЯ. Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1

' [¿АР Ш

Санкт-Петербург 2012

005011274

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор тех. наук, профессор

В.М. Андреев

Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе

Официальные оппоненты доктор физ.-мат. наук, профессор

С.А. Немов

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

доктор физ.-мат. наук, В.И.Иванов-Омский

профессор Физико-технический институт

им. А.Ф.Иоффе

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет "ЛЭТИ"

Защита состоится "¿5" марта 2012 г. в 1130 часов на заседании диссертационного совета Д 002.205.02 в учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф.Иоффе.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан "9_" февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук: _ _ Л.М. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Солнечная энергетика в настоящее время является одной из наиболее быстроразвивающихся отраслей электроэнергетики. Большой потенциал роста этой ветви альтернативной энергетики обусловлен такими глобальными факторами, как необходимость обеспечения национальной энергобезопасиости и повышение стоимости ископаемых источников энергии. Солнечная энергетика имеет и другие уникальные преимущества: энергия Солнца доступна всем, бесплатна, практически неисчерпаема, а процесс ее преобразования в электрическую энергию не оказывает негативного влияния на окружающую среду.

В солнечных электрогенерирующих системах, где солнечная энергия непосредственно, либо с помощью оптической системы преобразуется в электрическую энергию, конструкция солнечных элементов определяется требованием максимально эффективного преобразования солнечного спектра. Основным подходом для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) является создание многопереходных фотоэлементов, преобразующих большую часть солнечного спектра. Менее распространенными являются термофотоэлектрические (ТФЭ) генераторы -фотоэлектрические приборы, в которых фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), чувствительные в инфракрасной области спектра, преобразуют тепловое излучение нагретого тела в электрическую энергию. Преимуществом такого способа преобразования энергии перед классическими солнечными энергосистемами является возможность выбора источника нагрева: концентрированное солнечное излучение, любое сгораемое топливо, «бросовое» тепло, вырабатываемое, например, в металлургической промышленности и т.д. В отличие от классических солнечных батарей в ТФЭ генераторах возможно создание обратной связи с источником излучения за счет отражения неиспользованных

фотопреобразователями «подзониых» фотонов обратно к эмиттеру, что позволяет обеспечить дополнительный нагрев эмиттера и существенно увеличить КПД всей системы.

Помимо выше перечисленных методов, в последние годы получил распространение принцип спектрального расщепления света. Применение данного метода позволяет обеспечивать свободу выбора полупроводниковых материалов и создавать каскад из элементов с различной запрещенной зоны на основе структур с одним р-п переходом, что дает возможность упростить как сами ФЭП, так и способы их коммутации. Указанные преимущества позволяют прогнозировать получение большего КПД системы со спектральным расщеплением солнечного света при увеличении количества р-п переходов, снижение стоимости концентраторных фотоэлектрических модулей за счет применения более доступных технологий изготовления ФЭП: жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и диффузии из газовой фазы.

Цель настоящей работы заключалась в разработке технологии создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия методом жидкофазной эпитаксии, а также в разработке и исследовании фотоэлектрических систем, преобразующих как солнечное, так и тепловое излучение.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: исследование легирования антимонида галлия донорными примесями в процессе жидкофазной эпитаксии.

определение оптимальных технологических режимов выращивания антимонида галлия из галлиевого расплава, легированного теллуром, методом жидкофазной эпитаксии.

разработка высокоэффективных фотопреобразователей на основе антимонида галлия с целью создания ТФЭ генераторов и солнечных модулей со спектральным расщеплением света.

разработка оптимальных конструкций ТФЭ генераторов при нагреве эмиттера как концентрированным солнечным излучением, так и факелом газовой горелки.

создание и исследование «солнечных» ТФЭ генераторов на основе ваБЬ фотоэлектрических преобразователей.

создание и исследование комбинированных «солнечно-газовых» ТФЭ генераторов с фотопреобразователями на основе антимонида галлия, создание и исследование фотоэлектрического концентраторного модуля со спектральным расщеплением света на основе дихроичных фильтров с ФЭП на основе АЮаАв, СаАв и ваБЬ.

Научная новизна и практическая значимость работы заключаются в следующем:

Исследованы зависимости подвижности носителей заряда от концентрации в антимониде галлия, полученного методом жидкофазной эпитаксии из галлиевого расплава и зависимости концентрации свободных носителей заряда от содержания легирующей примеси в жидкой фазе для разных температур роста слоев. Проведенные исследования позволили разработать оптимальные условия жидкофазной эпитаксии для выращивания слоев антимонида галлия с заданным уровнем легирования.

На основе исследований легирования антимонида галлия созданы высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи,

предназначенные для работы в термофотоэлектрических генераторах и в фотоэлектрических системах с расщеплением солнечного излучения. Разработаны и исследованы два варианта ТФЭ систем (конического и цилиндрического типа), работающих при нагреве эмиттера концентрированным солнечным излучением. Конструкция генератора конического типа позволяет создавать на внутренней поверхности модуля зеркальный отражатель и использовать более технологичный

плоский эмиттер. Цилиндрическая ТФЭ система за счет большего количества фотопреобразователей позволяет получать большую выходную мощность по сравнению с конической ТФЭ системой. Впервые в России разработан и протестирован «солнечный» ТФЭ генератор на основе СаЗЬ фотопреобразователей.

Впервые в России разработан и протестирован комбинированный «солнечно-газовый» ТФЭ генератор с возможностью работы как от солнечного концентрированного излучения, так и от газовой горелки. Впервые разработан отечественный фотоэлектрический концентраторный модуль с расщеплением солнечного света с ФЭП на основе ваАв, АЮаАэ и ваБЬ. Суммарная максимальная эффективность каскада фотоэлектрических преобразователей, предназначенных для использования в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения, составила 39,6 %.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. На основе исследований легирования антимонида галлия, выращенного методом жидкофазной эпитаксии, получены слои с рекордными значениями подвижностей электронов /< = 4000-4500 см2/Вх при концентрации п = (4-5)-1017 см"3, что позволяет создавать высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи.

2. Разработанная технология получения антимонида галлия методами жидкофазной эпитаксии и диффузии из газовой фазы позволяет создавать высокоэффективные структуры СаБЬ фотоэлектрических преобразователей, обеспечивающих достижение фактора заполнения нагрузочной характеристики 74 % при плотности фототока 2-5 А/см2 и эффективности 23 % при температуре излучателя 1800-2000 К и условии возврата 80 % подзонных фотонов.

3. Разработанная технология получения высокоэффективных СаБЬ

фотоэлектрических преобразователей позволяет создать на их основе

6

«солнечный» и комбинированный «солнечно-газовый» термофотоэлектрические генераторы. Фактор заполнения нагрузочной характеристики «солнечного» ТФЭ генератора под концентрированным солнечным излучением составил 67 % при выходной электрической мощности 5,5 Вт.

4. Разработанный фотоэлектрический модуль, включающий каскад трех фотоэлектрических преобразователей на основе AlGaAs, GaAs н GaSb и систему расщепления солнечного потока на три спектральных диапазона двумя дихроичными фильтрами, позволяет достичь суммарную эффективность фотоэлектрического преобразования солнечного излучения 39,6 %.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Barcelona Spain, 2005); 9-м международном семинаре российские технологии для индустрии (Санкт-Петербург, 2005); 7lh World Thermophotovoltaic Generation of Electricity Conference (Madrid Spain, 2006); 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (Dresden Germany, 2006); 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Milan Italy, 2007); 23nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Valencia Spain, 2008); 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Hamburg Germany, 2009); 25nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Valencia Spain, 2010); 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Munich, Germany, 2011).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 20 печатных трудов, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из наименовании. Общий объем работы составляет ИІ страниц, включая 5Ц рисунка« и ? таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных в данной работе исследований, сформулированы цели и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные научные положения, выносимые на защиту, и краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава содержит краткий обзор литературы по теме диссертационной работы. В параграфах 1.1 и 1.2 представлены краткие обзоры развития фотоэлектричества и его состояния на настоящий момент в мире в целом и в России в частности.

В параграфе 1.3 описываются основные принципы работы как отдельных компонентов термофотоэлектрических генераторов, так и ТФЭ системы в целом. Показаны преимущества ТФЭ генераторов как автономных источников энергии по сравнению с другими традиционными и нетрадиционными способами получения электричества.

В параграфе 1.4 рассматриваются полупроводниковые материалы и структуры для создания термофотоэлектрических преобразователей. Приводится обзор литературных данных, посвященных проблемам создания высокоэффективных фотопреобразователей на основе таких материалов как ве, 1пАя и ОаБЬ. Показана перспективность использования СаЗЬ в качестве материала для получения ТФЭ преобразователей.

В параграфе 1.5 рассмотрены основные методы получения эпитаксиальных слоев соединений А3В5. Показаны преимущества метода жидкофазной эпитаксии в комбинации с диффузией цинка из газовой фазы для получения фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия и его твердых растворов.

В последнем параграфе главы на основе анализа литературы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке технологии получения фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия методом жидкофазной эпитаксии и диффузии цинка из газовой фазы.

В параграфе 2.1 приведено описание технологического оборудования, применяемого для проведения жидкофазной эпитаксии антимонида галлия. Описаны методы, использованные для подготовки поверхности подложек антимонида галлия к жидкофазной эпитаксии.

В параграфе 2.2 исследованы зависимости подвижности носителей заряда от концентрации в антимониде галлия, полученном методом жидкофазной эпитаксии из галлиевого расплава н зависимости концентрации свободных носителей заряда от содержания легирующей примеси в жидкой фазе для разных температур роста слоев. Определены оптимальные условия жидкофазной эпитаксии, позволяющие получать слои антимонида галлия с заданным уровнем и типом легирования.

В параграфе 2.3 рассматриваются разработанные на основании представленных в параграфе 2.2 исследований ваБЬ фотопреобразователи, созданные методами жидкофазной эпитаксии, диффузии цинка и их комбинацией. Усовершенствованные фотопреобразователи на основе Са8Ь предназначены для работы в термофотоэлектрических генераторах под излучением нагретого эмиттера и в фотоэлектрической системе с расщеплением спектра для преобразования длинноволновой части солнечного света. Полученные фотоэлементы обеспечивают достижение фактора заполнения нагрузочной характеристики 74 % при плотности фототока 2-5 А/см2.

Третья глава посвящена разработке и оптимизации конструкции Са5Ь фотопреобразователей и термофотоэлектрических генераторов на их основе.

В параграфе 3.1 представлены две разработанные конструкции ТФЭ

генераторов. Генератор конического типа является более простым с точки

зрения монтажа и настройки, поскольку включает в себя значительно

меньшее количество фотоэлементов и обладает большей свободой выбора

9

схемы электрического соединения фотоэлементов. В цилиндрической конструкции за счет увеличения количества фотопреобразователей заложена возможность получения большей выходной мощности. Модули этого типа более удобны для создания гибридных ТФЭ систем, работающих в солнечно-топливном режиме.

В параграфе 3.2.1 рассмотрены особенности монтажа GaSb ФЭП в ТФЭ модули. Трудности, возникающие при процессе монтажа фотопреобразователей на основе антимонида галлия, обусловлены малой глубиной залегания р-n перехода (0,3-0,5 мкм в фоточувствительной области) и высоким коэффициентом диффузии материала контакта (золота) в антимониде галлия. Разработанные температурно-временные режимы монтажа позволили получить ТФЭ модули на основе антимонид галлиевых преобразователей без потери эффективности на данном технологическом этапе.

В параграфе 3.2.2 проведены исследования влияния типа изоляционного материала и его толщины на температуру фотоэлемента, работающего под излучением эмиттера в ТФЭ генераторе. Результаты исследований показали, что достаточно дорогая и высокотоксичная керамика ВеО не имеет очевидных преимуществ перед более дешевыми и безопасными изоляционными материалами AI2O3 или A1N, несмотря на то, что коэффициенты теплопроводности данных материалов значительно ниже.

В параграфе 3.3.1. представлены результаты исследований ТФЭ модуля, разработанного для системы конического типа. Фотоэлектрический модуль состоял из четырех GaSb фотопреобразователей, соединенных последовательно на керамическом основании с медным теплоотводом. В ТФЭ генераторе конического типа использовался плоский излучатель, так как он обеспечивал более высокие значения тока короткого замыкания и выходной мощности. Под излучением эмиттера из карбида кремния в данной системе достигнута максимальная плотность фототока на элементе, равная 1К1 = 4,5 А/см2.

В параграфе 3.3.2 рассмотрены и исследованы конструкции ТФЭ модулей для систем цилиндрического типа. Для различных видов ТФЭ генераторов и, соответственно, для различных геометрических размеров эмиттеров требуются модули соответствующих размеров и способов коммутации (параллельный, последовательный и т.п.). Так модули, состоящие из трех Оа8Ь ФЭП размером 10x10 мм2, имели наилучшие характеристики при работе в ТФЭ системе с цилиндрическим эмиттером длиной 25 мм. Модули из четырех йаБЬ элементов размером 10x10 мм2 рассчитаны на работу с эмиттером длиной 30-35 мм. В случае необходимости получения на выходе ТФЭГ высокого напряжения требуется последовательное соединение элементов и модулей. Сложность получения последовательного соединения в модуле заключается в необходимости применения изоляционных материалов с разводкой из проводящих материалов или со специальным рельефом.

Четвертая глава посвящена проблемам создания систем преобразующих солнечную и тепловую энергию с помощью полупроводниковых фотоэлементов.

Параграф 4.1 посвящен разработке и исследованиям «солнечной» и гибридной «солнечно-топливной» ТФЭ систем на основе СаБЬ модулей, рассмотренных в третьей главе. Особенностью «солнечных» ТФЭ генераторов, несомненно, является то, что для нагрева эмиттера используется концентрированное солнечное излучение со всеми его преимуществами. В такой системе появляется необходимость использования концентраторной оптической системы и системы слежения за положением Солнца.

ТФЭ генераторы с эмиттером, разогреваемым газовым факелом, дают возможность создания систем с большими мощностями (1-1,5 кВт и выше).

Гибридные «солнечно-топливные» генераторы объединяют в себе преимущества первых двух типов ТФЭ систем. Такие генераторы могут работать круглосуточно, используя Солнце в качестве источника энергии. В

этом случае в качестве топлива может использоваться водород, получаемый гидролизом при преобразовании солнечной энергии.

В параграфе 4.1.1 представлены результаты разработок макета «солнечного» термофотоэлектрического генератора на основе линейных модулей из трех параллельно соединенных Оа8Ь фотопреобразователей. Эффективность термофотоэлектрической части генератора составила 18 %.

В параграфе 4.1.2 рассмотрен комбинированный ТФЭ генератор с усовершенствованной системой охлаждения, обеспечивающий лучший отвод тепла. Максимальные значения мощности, генерируемой половиной модуля, составили 3,1 Вт для режима работы с концентрированным солнечным излучением и 4,9 Вт для «газового» (гибридного) генератора. В пересчете на полную систему из 32 элементов эти значения составляют 6,2 Вт и 9,8 Вт, соответственно.

Параграф 4.2 посвящен разработке фотоэлектрической системы со спектральным расщеплением солнечного излучения. Применение принципа спектрального расщепления света обеспечивает свободу выбора полупроводниковых материалов и позволяет создавать каскад из элементов с различной шириной запрещенной зоны на основе структур с одним р-п переходом. Это дает возможность упростить как сами ФЭП, так и способы их коммутации.

В параграфе 4.2.1 представлены результаты исследований разработанной оптической системы с расщеплением светового потока, состоящей из линзы Френеля и двух дихроических зеркал, пространственно расщепляющих солнечное излучение на три спектральных диапазона (рис. 1). Для преобразования солнечного излучения в каждом из диапазонов использовались однопереходные солнечные элементы на основе АЮаАБ, ваАв и СаЯЬ, выращенные методом ЖФЭ. Селективные оптические элементы (дихроичные оптические фильтры) пространственно разделяют сконцентрированное линзой Френеля излучение на три световых потока с

длинами волн ЛХ, = 300-700 нм, Лк2= 700-900 нм и М3 = 900-1800 нм.

12

Солнечные элементы для коротковолновой части спектра были выполнены на основе тройного соединения А1хОа|.хАз, где х = 0,3-0,5 (Е{;1 = 1,80 - 1,86 эВ) и на основе бинарного соединения ОаАэ (Ея2~ 1,42 эВ), соответственно. Для длинноволнового спектрального диапазона было использовано соединение ваБЬ с 0,72 эВ.

Рис. 1. Зависимость коэффициента пропускания селективных фильтров от длины волны падающего излучения и спектральное распределение энергии солнечного излучения.

1 - фильтр, отражающий солнечное излучение на широкозонный АЮаАв элемент,

2 - фильтр, отражающий солнечное излучение на средний ваАБ элемент.

В параграфе 4.2.2. проведена теоретическая оценка эффективности системы со спектральным расщеплением света. При использовании полупроводниковых материалов с Ея\= 1,88 эВ, Ек2~- 1,42 эВ и 1,0эВ расчетное значение эффективности достигает максимальной величины Г1= 49,4 %.

В параграфе 4.2.3. исследованы солнечные элементы для системы с расщеплением света. Внешняя квантовая эффективность ФЭП на основе антимонида галлия в спектральном диапазоне 0,9-1,8 мкм близка к 90%.

з? 100

400

800 1200 1600 Длина волны, нм

Максимальный вклад GaSb элементов в общую эффективность модуля составляет 8,44 % при кратности концентрирования Кс = 200.

В параграфе 4.2.4. представлены результаты исследования модуля со спектральным расщеплением солнечного излучения на основе двух дихроичных фильтров. Суммарная максимальная эффективность (АМ 1,5D) ФЭП, предназначенных для использования в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения, составила 39,6 %. Для кратности концентрирования Кс = 200 суммарная эффективность составила 38 %.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Полученные в данной работе значения подвижностей ¡i = 4000-4500 см2/В-с для оптимального уровня легирования п = (4-5)-1017 см"3 фоточувствительного слоя фотопреобразователей превышают известные из литературы значения подвижностей в антимониде галлия. Данные результаты дают возможность использовать метод жидкофазной эпитаксии для получения высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия.

2. Разработан оптимальный тепловой режим монтажа, позволяющий собирать фотопреобразователи на основе антимонида галлия в модули без снижения выходных характеристик фотоэлементов и обеспечивающий высокий процент выхода годных преобразователей.

3. Исследован тепловой режим работы GaSb модулей в ТФЭ генераторе, смонтированных с использованием керамических оснований АЬОз. Максимальная температура фотоэлементов составила 40 °С для солнечного ТФЭ режима работы. В генераторах с эмиттером, разогреваемым газовой горелкой, при максимальных фототоках значения температуры фотопреобразователей не превышали 65 °С.

4. Разработаны и исследованы два варианта ТФЭ систем (конического и цилиндрического типа), работающих при нагреве эмиттера

концентрированным солнечным излучением.

14

5. Разработан и создан «солнечный» ТФЭ генератор, состоящий из GaSb фотопреобразователей и концентраторной системы на основе линзы Френеля. Величина фактора заполнения нагрузочной характеристики генератора составила 67,6 %, а максимальная снимаемая мощность -5,5 Вт при мощности солнечного излучения ~ 850 Вт-м"2.

6. Разработан гибридный термофотоэлектрический генератор, работающий при нагреве эмиттера солнечным излучением или газовой горелкой. Собрана и протестирована гибридная ТФЭ система на основе GaSb фотоэлементов. Для "солнечного" режима эксплуатации значения выходной электрической мощности, снимаемой с половины системы, составили 3,1 Вт, что соответствует Рга=6,2 Вт для полного модуля из 32 элементов (880 Вт/см2). Показано, что для полноразмерной системы, работающей с газовой горелкой, значения выходной мощности могут достигать 9,8 Вт. В гибридном ТФЭ генераторе солнечный режим работы используется для экономного расходования газового топлива.

7. Разработан, создан и исследован солнечный модуль со спектральным расщеплением светового потока, использующий для преобразования солнечного излучения три однопереходных фотопреобразователя на основе GaAs, AlGaAs и GaSb. Суммарная максимальная эффективность ФЭП, предназначенных для использования в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения, составила 39,6 %.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

1. V.P.Khvostikov, O.A.Khvostikova, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina,

N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, N.A.Kaluzhniy, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Photovoltaic cells based on GaSb and Ge for solar and thermophotovoltaic applications // ASME J. Solar Energy Eng., 2007, vol. 129, N 3, pp. 291-297.

2. S.Luca, J.L.Santailler, J.Rothmana, J.P.Bell, C.Calvat, G.Basset, A.Passero, V.P.Khvostikov, N.S.Potapovich, R.V.Levin. GaSb crystals and wafers for photovoltaic devices // ASME J. Solar Energy Eng., 2007, vol. 129, N 3, pp. 304-313.

3. В.П.Хвостиков, С.В.Сорокина, Н.С.Потапович, О.А.Хвостикова, А.С.Власов, Е.П.Ракова, В.М.Андреев. Исследование свойств эпитаксиального и слиткового антимонида галлия // ФТП, 2008, т. 42, вып. 10, стр. 1198-1205.

4. В.П.Хвостиков, С.В.Сорокина, Н.С.Потапович, О.А.Хвостикова,

A.В.Малевская, А.С.Власов, М.З.Шварц, Н.Х.Тимошина, В.М.Андреев. Термофотоэлектрические генераторы на основе антимонида галлия // ФТП, 2010, т. 44, вып. 2, стр. 270-277.

5. А.С.Власов, В.П.Хвостиков, С.В.Сорокина, Н.С.Потапович,

B.С.Калиновский, Е.П.Ракова, В.М.Андреев, А.В.Бобыль, Г.Ф.Терещенко. Газовый термофотоэлектрический генератор на основе металлических эмиттеров и GaSb-элементов // ФТП, 2010, т. 44, вып. 9, стр. 1284-1289.

6. В.П.Хвостиков, А.С.Власов, С.В.Сорокина, Н.С.Потапович, Н.Х.Тимошина, М.З.Шварц, В.М.Андреев. Высокоэффективный (eta=39.6%, AM 1.5D) каскад фотопреобразователей в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения // ФТП, 2011, т. 45, вып. 6, стр. 810-815.

7. А.Л.Глазов, В.С.Калиновский, Ю.Г.Лисицина, К.Л.Муратиков, Н.С.Потапович. Исследование процесса отвода тепла от полупроводниковых солнечных элементов с помощью лазерных термоволновых методов // ПЖТФ, 2011, т. 37, вып. 14, стр. 60-67.

8. V.P.Khvostikov, V.D.Rumyantsev, O.A.Khvostikova, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Narrow bandgap GaSb and InGaAsSb/GaSb based cells for mechanically stacked tandems and TPV converters // Proc. of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Barcelona Spain, 2005, pp. 191-194.

9. В.М.Андреев, Н.С.Потапович, В.П.Хвостиков, П.Ю.Газарян, О.А.Хвостикова, С.В.Сорокина. Солнечно-топливные

термофотоэлектрические генераторы на основе фотопреобразователей из германия и антимонида галлия // Сборник тезисов 9-го международного семинара «Российские технологии для индустрии», Санкт-Петербург,

2005, стр. 15-16.

Ю.А.В.Каманин, В.В.Уелин, Р.В.Левин, Н.С.Потапович.

Термофотоэлектрические преобразователи, полученные газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений // Сборник тезисов 9-го международного семинара «Российские технологии для индустрии», Санкт-Петербург, 2005, стр. 77-78.

11. V.P.Khvostikov, O.A.Khvostikova, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, M.Z.Shvarts, N.A.Kaluzhniy, V.M.Andreev, V.D.Rumyantsev. Photoconverters for solar TPV systems // Proc. of the 4th World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii, 2006, pp. 667-670.

12. V.P.Khvostikov, P.Y.Gazaryan, O.A.Khvostikova, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, R.V.Levin, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. GaSb applications for solar thermophotovoltaic conversion // Proc. of the 7th World Thermophotovoltaic Generation of Electricity Conf., Madrid Spain,

2006, pp. 139-148.

13. V.P.Khvostikov, P.Y.Gazaryan, O.A.Khvostikova, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.V.Malevskaya, R.V.Levin, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Narrow band gap TPV converters of radiation from the emitters heated by concentrated sunlight // Proc. of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition, Dresden Germany, 2006, pp. 485-489.

14. V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.S.Vlasov, A.V.Malevskaya, M.Z.Shvarts, V.M.Andreev. Thermophotovoltaic cells and modules based on GaSb //Proc. of the 22rJ European Photovoltaic Solar Energy Conf., Milan Italy, 2007, pp. 165-168.

15. V.M. Andreev, A.S. Vlasov, V.P. Khvostikov, O.A. Khvostikova, P.Y. Gazaryan, N.S. Potapovich. Full scale solar TPV generator // Proc. of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Milan Italy, 2007, pp. 173-176.

16. V.M.Andreev, V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.S.Vlasov, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina. GaSb arrays for solar thermophotovoltaic system // Proc. of the 23nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia Spain, 2008, pp. 616-619.

17.V.M. Andreev, A.S. Vlasov, V.P. Khvostikov, O.A. Khvostikova, N.S. Potapovich, and E.P. Rakova. Solar/fuel TPV generator based on GaSb cells // Proc. of the 23nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia Spain, 2008, pp. 203-206.

18.V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, A.S.Vlasov, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina, V.M.Andreev. Powerful high efficiency GaSb TPV and PV cells // Proc. of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Hamburg Germany, 2009, pp. 174-177.

19.V.P.Khvostikov, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, V.I.Vasil'ev, A.S.Vlasov, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina, V.M.Andreev. Single-junction solar cells for spectrum splitting PV system // Proc. of the 25nd European Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia Spain, 2010, pp. 167-171.

20.A.S.Vlasov, V.P.Khvostikov, L.B.Karlina, S.V.Sorokina, N.S.Potapovich, M.Z.Shvarts, N.Kh.Timoshina, V.M.Lantratov, S.A.Mintairov, N.A.Kalyuzhnyy, E.P.Rakova, V.I.Vasil'ev, V.M.Andreev. Spectral splitting CPV modules with AlGaAs/GaAs/GaSb and GaInP/GaAs/InGaAs(P) solar cells //Proc. of the 26,h European Photovoltaic Solar Energy Conf., 2011, pp. 133-136.

Подписано в печать 30.01.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8695Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-1/663

российская академия наук

физико-технический институт им. а.ф.иоффе

На правах рукописи

яг

потапович наталия станиславовна

фотоэлектрические преобразователи солнечной и тепловой энергии на основе антимонида галлия

(01.04.10 - физика полупроводников)

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор в.м. Андреев

Санкт-Петербург, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

Глава I. Термофотоэлектрический способ преобразования энергии

(обзор литературы)............................................12

1.1. Краткий обзор перспектив развития фотоэнергетики в мире........ 12

1.2. Краткий обзор состояния электроэнергетики России на

настоящий момент.................................................................. 14

1.3. Принципы термофотоэлектрического метода преобразования тепловой энергии в электричество.............................................. 15

1.4. Материалы и структуры для фотоэлектрических

преобразователей................................................................... 21

3 5

1.5. Методы получения эпитаксиальных слоев соединений А В ........ 26

1.6. Задачи диссертационной работы............................................. 28

Глава II. Исследование легированных эпитаксиальных слоев

антимонида галлия, выращенных методом жидкофазной эпитаксии....... 29

2.1. Технологическая установка для проведения жидкофазной

эпитаксии............................................................................. 29

2.2. Свойства легированного антимонида галлия, полученного

методом жидкофазной эпитаксии............................................... 31

2.3. Фотоэлектрические преобразователи на основе антимонида

галлия, изготовленные методом жидкофазной эпитаксии и диффузии цинка из газовой фазы.............................................................

Глава III. Конструктивные особенности термофотоэлектрических

модулей и генераторов................................................................................................................................55

3.1. Конструкции термофотоэлектрических генераторов....................................55

3.2. Монтаж GaSb фотоэлектрических преобразователей и термофотоэлектрических модулей на их основе..........................................................58

3.2.1. Исследование и подбор условий монтажа

фотопреобразователей на основе антимонида галлия..................................58

3.2.2. Исследование и подбор изоляционного материала для термофотоэлектрических модулей................................................................................61

3.3. Термофотоэлектрические модули..................................................................................64

3.3.1. ТФЭ модули для систем конического типа............................................64

3.3.2. ТФЭ модули для систем цилиндрического типа..............................67

3.4. Макет термофотоэлектричекого генератора........................................................73

Глава IV. Преобразование солнечной и тепловой энергии с помощью

полупроводниковых фотоэлементов..............................................................................................79

4.1. Термофотоэлектрические системы получения электроэнергии..........79

4.1.1. Солнечный термофотоэлектрический генератор................................gQ

4.1.2. Комбинированный термофотоэлектрический генератор............^

4.2. Фотоэлектрическая система со спектральным расщеплением светового излучения................................................................

4.2.1. Фотоэлектрический модуль с расщеплением солнечного излучения: конструкция и принцип действия.......................... ^

4.2.2. Теоретическая оценка эффективности системы со спектральным расщеплением солнечного излучения.................

4.2.3. Система фотоэлектрических преобразователей для модуля

со спектральным расщеплением солнечного излучения............. д ^

4.2.4. Суммарная эффективность каскада фотопреобразователей и характеристики модуля со спектральным расщеплением солнечного излучения........................................................ 94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 97

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ........................................................... т

ЛИТЕРАТУРА........................................................................... 105

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная энергетика в настоящее время является одной из наиболее быстроразвивающихся отраслей электроэнергетики. Большой потенциал роста этой ветви альтернативной энергетики обусловлен такими глобальными факторами, как необходимость обеспечения национальной энергобезопасности и повышение стоимости ископаемых источников энергии. Солнечная энергетика имеет и другие уникальные преимущества: энергия Солнца доступна всем, бесплатна, практически неисчерпаема, а процесс ее преобразования в электрическую энергию не оказывает негативного влияния на окружающую среду.

В солнечных электрогенерирующих системах, где солнечная энергия непосредственно, либо с помощью оптической системы преобразуется в электрическую энергию, конструкция солнечных элементов определяется требованием максимально эффективного преобразования солнечного спектра. Основным подходом для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) является создание многопереходных фотоэлементов, преобразующих большую часть солнечного спектра. Менее распространенными являются термофотоэлектрические (ТФЭ) генераторы -фотоэлектрические приборы, в которых фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), чувствительные в инфракрасной области спектра, преобразуют тепловое излучение нагретого тела в электрическую энергию. Преимуществом такого способа преобразования энергии перед классическими солнечными энергосистемами является возможность выбора источника нагрева: концентрированное солнечное излучение, любое сгораемое топливо, «бросовое» тепло, вырабатываемое, например, в металлургической промышленности и т.д. В отличие от классических солнечных батарей в ТФЭ генераторах возможно создание обратной связи с источником излучения за счет отражения неиспользованных фотопреобразователями «подзонных» фотонов обратно к эмиттеру, что

позволяет обеспечить дополнительный нагрев эмиттера и существенно увеличить КПД всей системы.

Помимо выше перечисленных методов, в последние годы получил распространение принцип спектрального расщепления света. Применение данного метода позволяет обеспечивать свободу выбора полупроводниковых материалов и создавать каскад из элементов с различной запрещенной зоны на основе структур с одним р-п переходом, что дает возможность упростить как сами ФЭП, так и способы их коммутации. Указанные преимущества позволяют прогнозировать получение большего КПД системы со спектральным расщеплением солнечного света при увеличении количества р-п переходов, снижение стоимости концентраторных фотоэлектрических модулей за счет применения более доступных технологий изготовления ФЭП: жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и диффузии из газовой фазы.

Цель настоящей работы заключалась в разработке технологии создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия методом жидкофазной эпитаксии, а так же в разработке и исследовании фотоэлектрических систем, преобразующих как солнечное, так и тепловое излучение.

Научная новизна и практическая значимость работы заключаются в следующем:

Исследованы зависимости подвижности носителей заряда от концентрации в антимониде галлия, полученного методом жидкофазной эпитаксии и зависимости концентрации свободных носителей заряда от содержания легирующей примеси в жидкой фазе для разных температур роста слоев. Проведенные исследования позволили разработать оптимальные условия жидкофазной эпитаксии для выращивания слоев антимонида галлия с заданным уровнем легирования.

На основе исследований легирования антимонида галлия созданы высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи,

предназначенные для работы в термофотоэлектрических генераторах и в фотоэлектрических системах с расщеплением солнечного излучения. Разработаны и исследованы два варианта ТФЭ систем (конического и цилиндрического типов), работающих при нагреве эмиттера концентрированным солнечным излучением. Конструкция генератора конического типа позволяет создавать на внутренней поверхности модуля зеркальный отражатель и использовать более технологичный плоский эмиттер. Цилиндрическая ТФЭ система за счет большего количества фотопреобразователей позволяет получать большую выходную мощность по сравнению с конической ТФЭ системой. Впервые в России разработан и протестирован солнечный ТФЭ генератор на основе ОаБЬ фотопреобразователей.

Впервые в России разработан и протестирован комбинированный «солнечно-газовый» ТФЭ генератор с возможностью работы как от солнечного концентрированного излучения, так и от газовой горелки. Впервые разработан отечественный солнечный концентраторный модуль с расщеплением солнечного света на основе фотопреобразователей ваАэ, АЮаАэ и Оа8Ь. Суммарная максимальная эффективность ФЭП, предназначенных для использования в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения, составила 39,6 %.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. На основе исследований легирования антимонида галлия, выращенного методом жидкофазной эпитаксии, получены слои с рекордными значениями подвижностей электронов ц = 4000 - 4500 см /В с при

1 п -з

концентрации « = (4-5)-10 см", что позволяет создавать высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи.

2. Разработанная технология получения антимонида галлия методами жидкофазной эпитаксии и диффузии из газовой фазы позволяет создавать высокоэффективные структуры GaSb фотоэлектрических преобразователей, обеспечивающих достижение фактора заполнения нагрузочной характеристики 74 % при плотности фототока 2-5 А/см2 и эффективности 23 % при температуре излучателя 1800-2000 К и условии возврата 80 % подзонных фотонов.

3. Разработанная технология получения высокоэффективных GaSb фотоэлектрических преобразователей позволяет создать на их основе «солнечный» и комбинированный «солнечно-газовый» термофотоэлектрические генераторы. Фактор заполнения нагрузочной характеристики «солнечного» ТФЭ генератора под концентрированным солнечным излучением составил 67 % при выходной электрической мощности 5,5 Вт.

4. Разработанный фотоэлектрический модуль, включающий каскад трех фотоэлектрических преобразователей на основе AlGaAs, GaAs и GaSb и систему расщепления солнечного потока на три спектральных диапазона двумя дихроичными фильтрами, позволяет достичь суммарную эффективность фотоэлектрического преобразования солнечного излучения 39,6 %.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 20th European Photovoltaic Solar Energy Conférence (Barcelona Spain, 2005); 9-м международном семинаре российские технологии для индустрии (Санкт-Петербург, 2005); 7th World Thermophotovoltaic Génération of Electricity Conférence (Madrid Spain, 2006); 21st European Photovoltaic Solar Energy Conférence and Exhibition (Dresden Germany, 2006); 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conférence (Milan Italy, 2007); 23nd European Photovoltaic Solar

tH

Energy Conference (Valencia Spain, 2008); 24 European Photovoltaic Solar Energy Conference (Hamburg Germany, 2009); 25nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Valencia Spain, 2010); 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Munich, Germany, 2011).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 20 печатных трудов, список которых приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 83 наименований. Общий объем работы составляет 111 страниц, включая 54 рисунка и 7 таблиц.

В первой главе представлены краткие обзоры развития фотоэлектричества и его состояния на настоящий момент в мире в целом и в России в частности. Описываются основные принципы работы как отдельных компонентов термофотоэлектрических генераторов, так и ТФЭ системы в целом. Показаны преимущества ТФЭ генераторов как автономных источников энергии по сравнению с другими традиционными и нетрадиционными способами получения электричества. Приводятся работы, посвященные проблемам создания высокоэффективных

фотопреобразователей на основе таких материалов как Ge, InAs и GaSb. Показана перспективность использования GaSb в качестве материала для получения ТФЭ преобразователей. Рассмотрены основные методы получения эпитаксиальных слоев соединений А3В5. Показаны преимущества метода жидкофазной эпитаксии в комбинации с диффузией цинка из газовой фазы для получения фотоэлектрических преобразователей на основе антимонида галлия и его твердых растворов.

На основе анализа литературы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены исследования зависимости подвижности носителей заряда от концентрации в антимониде галлия, полученного методом жидкофазной эпитаксии и зависимости концентрации свободных носителей заряда от содержания легирующей примеси в жидкой фазе для разных температур роста слоев. Определены оптимальные условия жидкофазной эпитаксии, позволяющие получать слои антимонида галлия с заданным уровнем и типом легирования. Исследованы, разработанные ваБЬ фотопреобразователи, созданные методами жидкофазной эпитаксии, диффузии цинка и их комбинацией. Высокоэффективные фотопреобразователи на основе ва8Ь предназначены для работы в термофотоэлектрических генераторах под излучением нагретого эмиттера и в фотоэлектрической системе с расщеплением спектра для преобразования длинноволновой части солнечного света.

В третьей главе проведена разработка и оптимизация конструкции ва8Ь фотопреобразователей и термофотоэлектрических генераторов на их основе. Рассмотрены две разработанные конструкции ТФЭ генераторов (цилиндрический и конический). Исследованы особенности монтажа ОаБЬ ФЭП в ТФЭ модули. Разработанные температурно-временные режимы монтажа позволили получить ТФЭ модули на основе антимонид галлиевых преобразователей без потери эффективности на данном технологическом этапе. Проведены исследования влияния типа изоляционного материала и его толщины на температуру фотоэлемента, работающего под излучением эмиттера в ТФЭ генераторе. Представлены результаты исследований ТФЭ модуля разработанного для системы конического типа. Фотоэлектрический модуль состоял из четырех ва8Ь фотопреобразователей, соединенных последовательно на керамическом основании с медным теплоотводом. Рассмотрены и исследованы конструкции ТФЭ модулей для систем цилиндрического типа.

В четвертой главе рассматриваются проблемы создания систем преобразующих солнечную и тепловую энергию с помощью

полупроводниковых фотоэлементов. Проведена разработка и исследование солнечной и гибридной «солнечно-топливной» ТФЭ систем на основе ва8Ь модулей, рассмотренных в третьей главе. Представлены результаты разработок макета солнечного термофотоэлектрического генератора на основе линейных модулей из трех параллельно соединенных ваБЬ фотопреобразователей. Рассмотрен комбинированный ТФЭ генератор, с усовершенствованной системой охлаждения, обеспечивающий лучший отвод тепла. Представлены результаты исследований разработанной оптической системы с расщеплением светового потока, состоящей из линзы Френеля и двух дихроических зеркал, пространственно расщепляющих солнечное излучение на три спектральных диапазона. Применение принципа спектрального расщепления света обеспечивает свободу выбора полупроводниковых материалов и позволяет создавать каскад из элементов с различной шириной запрещенной зоны на основе структур с одним р-п-переходом. Это дает возможность упростить как сами ФЭП, так и способы их коммутации.

Глава I. Термофотоэлектрический способ преобразования энергии (обзор

литературы).

1.1. Краткий обзор перспектив развития фотоэнергетики в мире.

Солнечная энергетика (фотовольтаика) — одна из наиболее быстрорастущих отраслей мировой экономики. Большой потенциал отрасли и альтернативной энергетики в целом обусловлен такими глобальными факторами, как необходимость обеспечения национальной энергобезопасности, растущая озабоченность экологическими последствиями использования ископаемых источников энергии, а также их устойчивое удорожание. Солнечные фотоэнергетические установки являются модульными, что позволяет создавать генерирующие мощности практически любого желаемого размера и мощности. Они могут работать как подключенными к электросети общего пользования (on-grid или grid-connected), так и отдельно (off-grid).

По прогнозам аналитиков и участников рынка, к 2015 г. рынок фотовольтаики достигнет 14-26 ГВт, при этом среднегодовые темпы роста (CAGR) составят 17-32 % (в зависимости от масштабов государственных программ развития отрасли). Среднегодовые темпы роста производственных мощностей по всей производственной цепочке в 2010-2015 гг. составят 20-30 %.

Одним из основных факторов, сдерживающих развитие сектора, является относительно высокая на настоящий момент (по сравнению с традиционными и другими альтернативными источниками) стоимость энергии, выработанной «солнечными» системами. Спрос на солнечную энергетику по-прежнему стимулируется