Материал: FXUXsqe9Fl

На правах рукописи

ГУДОВСКИХ Александр Сергеевич

ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА В ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2014

2

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина)" на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Афанасьев Валентин Петрович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Цэндин Константин Дамдинович, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физикотехнический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, главный научный сотрудник

Доктор технических наук, профессор Шерченков Алексей Анатольевич, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ», профессор

Доктор физико-математических наук, профессор Рудь Василий Юрьевич, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет", профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (кафедра полупроводников, физический факультет)

Защита состоится «18» декабря 2014 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376 Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д.5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ и на сайте www.eltech.ru

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Среди возобновляемых источников энергии фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в настоящее время признанно самым перспективным, поскольку на ближайшие тысячелетия солнечная энергия является неисчерпаемым, самым мощным и экологически чистым источником энергии. Следует отметить, что с 2000 г. мировой рынок наземных солнечных фотоэлектрических систем растет в среднем на 30 процентов в год.

Однако дальнейшее развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразовательных устройств (солнечных элементов или модулей), важнейшим параметром которых является эффективность преобразования солнечной энергии – КПД фотопреобразователей. Существуют различные пути повышения КПД солнечных элементов (СЭ), среди которых наиболее перспективным является использование гетероструктур. Использование материалов с различной шириной запрещенной зоны в многопереходных солнечных элементах позволяет уменьшить потери на термолизацию носителей заряда. Также за счет применения гетеропереходов возможно существенное снижение потерь, связанных с поверхностной рекомбинацией. Однако для гетероструктур особое значение имеют свойства границ раздела, которые зачастую могут играть определяющую роль в работе таких устройств. Дальнейшее совершенствование характеристик гетероструктурных солнечных элементов невозможно без детального анализа процессов, происходящих на границах раздела гетеропереходов.

В работе рассмотрены проблемы влияния свойств границ раздела на эффективность работы солнечных элементов, а также вопросы, связанные с исследованием свойств границ раздела на примере двух типов гетероструктурных фотоэлектрических преобразователей, представляющих наибольший практический интерес и продемонстрировавших значительный рост КПД за последние два десятилетия: это СЭ на основе гетероперехода между аморфным гидрогенизированным кремнием (a-Si:H) и монокристаллическим кремнием (c-Si), представляющие собой альтернативу развитию наземной кремниевой солнечной энергетики КПД которых достиг значения более 24 % при неконцентрированном солнечном излучении, а также многопереходные фотопреобразователи на основе согласованных по параметру кристаллической решетки соединений АIIIВV, которые достигли наибольших значений КПД (до 43 %) при концентрированном солнечном излучении и представляют большой интерес для концентраторного и космического применения. Поми-

4

мо большой практической значимости рассматриваемых фотопреобразовательных структур, на их примере демонстрируются наиболее характерные проблемы, связанные с электронными свойствами границ раздела в фотопреобразовательных гетероструктурах.

Актуальность работы обусловлена высокой практической значимостью решаемых задач по поиску путей повышения КПД фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.

Цель работы:

Целью данной работы является проведение комплексных исследований свойств границ раздела в многослойных фотопреобразовательных гетероструктурах на основе элементов IV группы и соединений АIIIBV для повышения эффективности преобразования солнечной энергии.

Задачи работы В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

-разработка новых подходов к конструкции и технологии формирования гетероструктурных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения, позволяющих повысить эффективности преобразования солнечной энергии;

-определение зонной структуры и разработка теоретической модели гетеропереходов между аморфным гидрогенизированным кремнием и кристалличе-

ским кремнием (a-Si:H/c-Si);

-исследование свойств границ раздела в фотоэлектрических преобразователях на основе гетероперехода a-Si:H/c-Si, определение влияния различных методов обработки поверхности и условий роста слоев на параметры границ раздела гетероперехода a-Si:H/c-Si;

-исследование свойств границ раздела в фотоэлектрических преобразователях на основе согласованных по параметру решетки гетероструктур на основе соединений АIIIBV и Ge, определение влияния диффузонных процессов на свойства границы раздела между соединениями АIIIBV и Ge;

-исследование влияния параметров границ раздела (плотность электронных состояний, сечение захвата поверхностных состояний, величины разрыв зон) на свойства фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии на основе гетеропереходов между аморфным гидрогенизированным кремнием и кристаллическим кремнием (a-Si:H/c-Si), а также согласованных по параметру решетки гетероструктур на основе соединений АIIIBV и Ge;

5

-разработка методов исследований свойств границ раздела в фотоэлектрических преобразователях на основе гетероперехода a-Si:H/c-Si и гетероструктур на основе соединений АIIIBV и Ge.

Объекты и методы исследования В работе проводятся исследования следующих объектов:

-гетероинтерфейсы между аморфными и кристаллическими полупроводниками, на примере гетероперехода на основе кремния a-Si:H/c-Si (элемента VI группы).

-гетероинтерфейсы между эпитаксиальными слоями соединений А3В5, согласованных по параметру решетки.

-гетероинтерфейсы между соединениями А3В5 и элементами VI группы, на примере GaInP/Ge гетероперехода (GaP/Si).

Для решения поставленных задач использовался широкий спектр экспериментальных методов исследования полупроводниковых материалов и структур: емкостная спектроскопия (включая спектроскопию полной проводимости, метод вольт-фарадных характеристик и C-V профилирования), измерения вольтамперных и спектральных характеристик, атомно-силовая и электронная микроскопия, фотолюминесценция, а также ряд новых разработанных в работе методик. Теоретические оценки проводились с помощью компьютерного моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием набора экспериментальных методов исследований, выполненных на репрезентативной выборке образцов с использованием современного оборудования, а также сопоставлением экспериментальных данных с результатами численного моделирования.

Научная новизна

1.Впервые было продемонстрировано возникновение инверсионного слоя в монокристаллическом кремнии вблизи границы раздела с легированным слоем a-Si:H для анизотипных гетеропереходов a-Si:H/c-Si.

2.На основе разработанного комплекса электрофизических методов исследований получены представления о зонной структуре гетеропереходов между a-Si:H и c-Si, включающее определение положения уровня Ферми в легированных пленках a-Si:H и на границе раздела a-Si:H/c-Si, концентрации и площади сечения захвата поверхностных состояний на границе раздела a-Si:H/c-Si. Было показано, что при возрастании плотности поверхностных состояний выше 1012 см-2эВ-1 происходит смещение положения уровня Ферми на границе раздела к середине запрещенной зоны.