В роботі аналізуються перспективи використання для апаратів космічного та авіаційного призначення кремнієвих фотоелектричних перетворювачів нового покоління, створених на основі багатошарових структур на кремнієвій підкладці. Структури включають в себе шари нанокристалічного пористого кремнію, карбіду кремнію, діелектричні покриття з оксидів або фторидів рідкісноземельних елементів. Наведено результати дослідження електричних і оптичних характеристик таких структур.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Яровий Геннадій Петрович, Латухіна Наталія Віленівна, Рогожин Антон Сергійович, Гуртів Олександр Сергійович, Івков Сергій Валерійович


SILICON PHOTOELECTRIC CONVERTERS FOR SPACE AND AVIATION INDUSTRY

In work prospects of using the devices for space and aviation purpose of silicon photoelectric converters of new generation, created on the basis of multilayered structures on silicon substrate are analyzed. Structures include layers of nanocrystal porous silicon, silicon carbide, dielectric coverings from oxides or fluorides of rare earth elements. Results of research the electric and optical characteristics of such structures are resulted.


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал: Известия Самарського наукового центру Російської академії наук


    Наукова стаття на тему 'Кремнієві фотоперетворювачі для космічної та авіаційної галузі'

    Текст наукової роботи на тему «Кремнієві фотоперетворювачі для космічної та авіаційної галузі»

    ?УДК 537.533.3: 621.3.049.77

    Кремнієвої фотоперетворювачах ДЛЯ КОСМІЧНОЇ І АВІАЦІЙНОЇ ГАЛУЗІ

    © 2012 Г.П. Яровой1, Н.В. Латухіна1, А С. Рогожін1, А С. Гуртов2, С В. Івков2,

    С. І. Міненко2

    1 Самарський державний університет 2 ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ Прогрес»

    Надійшла до редакції 26.03.2012

    В роботі аналізуються перспективи використання для апаратів космічного та авіаційного призначення кремнієвих фотоелектричних перетворювачів нового покоління, створених на основі багатошарових структур на кремнієвій підкладці. Структури включають в себе шари на-нокрісталліческого пористого кремнію, карбіду кремнію, діелектричні покриття з оксидів або фторидів рідкісноземельних елементів. Наведено результати дослідження електричних і оптичних характеристик таких структур.

    Ключові слова: фоточутливі структури, сонячні елементи, нанокристал, гетеро-структури,, діелектричні покриття, оксиди і фториди рідкісноземельних елементів

    Високоефективні фотовольтаїчні перетворювачі як джерела енергії для літальних апаратів викликають великий інтерес з боку розробників космічної та авіаційної техніки. Для космічних апаратів сонячні батареї є широко застосовуваним джерелом енергії, в авіаційній техніці їх використання також є перспективним для деяких видів виробів, наприклад, для легких безпілотних літальних апаратів.

    Основними використовуваними базовими матеріалами для фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) є кремній і Арсе-нід галію. Незважаючи на те, що кремнієві ФЕП мають гірші експлуатаційні характеристики, ніж арсенідгалліевие, кремній продовжує залишатися головним матеріалом фотовольтаїчної сонячної енергетики. Це обумовлено широкою поширеністю вихідної сировини і розвиненою технологією виготовлення самого матеріалу і приладів на його основі, що забезпечує значно меншу вартість кремнієвих ФЕП в порівнянні з аналогічними пристроями на основі

    Яровий Геннадій Петрович, президент, доктор фізико-математичних наук, професор Латухіна Наталія Віленівна, кандидат технічних наук, доцент. E-mail :, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Рогожин Антон Сергійович, аспірант Гуртів Олександр Сергійович, заступник начальника відділу. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Івков Сергій Валерійович, аспірант. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Міненко Сергій Іванович, начальник відділу

    арсеніду галію. Актуальною проблемою кремнієвих ФЕП є підвищення їх ККД, нині становить в середньому 15-17%. Інтенсивні дослідження в цьому напрямку в останнє десятиліття привели до того, що темп зростання ККД, що становив на початку десятиліття приблизно 0,3-0,4% в рік, різко зріс і в 2008 р вже повідомляється про створення кремнієвого фотоприймача з ефективністю 42, 8% [1]. Високі темпи зростання ККД пов'язані з переходом до кремнієвим ФЕП так званого третього покоління, що представляють собою багатошарові, багатобар'єрних структури, в яких присутні матеріали з різною шириною забороненої зони Еg, завдяки чому вдається зменшити фундаментальні втрати в кристалі, пов'язані з непоглощенние фотонів з енергією меншою, ніж ширина забороненої зони кристала, і Термал-зацией кристалічної решітки при поглинанні фотонів з енергією більшою, ніж Еg і перевищити теоретичну межу фотоволь-таіческого перетворення енергії для монокристалічного кремнію в 27% [2].

    Збільшити спектральну чутливість кремнієвого ФЕП в довгохвильовій частині спектра може застосування покриттів з оксидів і фторидів рідкісноземельних елементів (РЗЕ), завдяки спостерігається в цих матеріалах ефекту перепоглощенія: порушення нізкоенергічнимі фотонами люмінесцентних центрів, пов'язаними з іонами РЗЕ, які генерують фотони з більш високими енергіями [3 ]. Крім того, нанесення покриттів із плівок оксидів і фторидів РЗЕ дозволяє

    значно знизити рекомбінаційні втрати. Володіючи високою прозорістю (98-99%) у всьому видимому діапазоні сонячного спектра і відповідним значенням показника заломлення (1,8-2,2), ці матеріали виявляють і хороші пассивирующие властивості на поверхні кремнію завдяки високій Геттера-рующей здатності рідкоземельних іонів, що входять в їх склад. Нанесення плівки оксиду або фториду РЗЕ на робочу поверхню кремнієвого фотоперетворювача дозволяє знизити коефіцієнт відображення для випромінювання з довжиною хвилі 620 нм з 30% до 3% -4% і збільшити фототок більш ніж на 50% [4]. На рис. 1 а, б наведені люкс і вольт-амперні характеристики діодних структур з покриттями з фторидів РЗЕ і без покриттів. З малюнка видно, що кращі характеристики мають структури з покриттями.

    а)

    0,004

    б)

    Мал. 1. Люкс-амперні (а) і вольт-амперні

    -.-I ^ II м- 'V V г

    (Б) характеристики діодних структур з полірованої (ПП) і текстурованою (ТП) поверхнею: I - ТП з шаром БуБЗ; II - ТП з шаром ЕгБЗ; III - ПП з покриттям з ЕгБЗ; IV -ТП без покриття; V - ПП без покриття

    Зменшити термалізація можна використанням в багатошарових структурах більш широкозонних, ніж кремній, матеріалів. Таким матеріалом може виступати шар широкозонного матеріалу карбіду кремнію або шар з нанокристалами кремнію, в яких Еg визначається квантово-розмірними ефектами і може бути помітно більше, ніж Еg об'ємного монокристалічного кремнію. Застосування цих матеріалів дозволяє розширити область спектральної чутливості кремнієвого ФЕП в більш короткохвильову частину спектру сонячного випромінювання в порівнянні з традиційними кремнієвими ФЕП.

    Ефективною системою нанокристалів кремнію може бути шар пористого кремнію (ПК), так як стінки пір представляють собою невпорядкованих систему квантових ям, ниток і квантових точок [5]. Наявність цих кван-тово-розмірних утворень забезпечувала-ет високу чутливість пористого кремнію в короткохвильової частини спектра, аж до ультрафіолетової його частини, до того ж, завдяки розвиненій системі пір, площа поглинаючої поверхні фотоприймача значно збільшується. Однак існує ряд проблем, які перешкоджають широкому використанню пористого кремнію в ФЕП. Це низька відтворюваність результатів через неконтрольованих факторів технологічного процесу, нестабільність параметрів ПК через що залишається в його порах реактиву, а також високий електричний опір ПК. Рішенням цих проблем може бути створення пористого шару локально на поверхні з затравки пороутворення, а також використання стабілізуючих покриттів (8Ю, ОРЗЕ, ФРЗЕ). У даній роботі пористий шар створювався на текстурованих кремнієвихпідкладках з поверхнею, заповненої правильними чотиригранними пірамідами [6, 7]. Пороутворення на такій поверхні відбувається тільки в місцях зіткнення підстав пірамід, тому в результаті травлення структур із заздалегідь створеним мелкозале-гающих р-п-переходом вихідний п-тип провідності на гранях тетраедричних вершин зберігається, так що утворюється структура являє собою ряд вертикальних діодів, об'єднаних загальної підкладкою (рис. 2).

    Такі структури, володіючи підвищеною фоточутливістю в короткохвильової частини спектра, як пористий кремній [5], в той же час мають досить низький електричний опір і хорошу стабільність. На рис. 3 наведені вольт-амперні характеристики (ВАХ) отриманих зразків

    фоточутливих структур з пористим шаром при різних рівнях освітленості: 800Ьх (природна), 2100Ьх, 15000Ьх (максимальна), виміряні через півроку зберігання на повітрі в умовах природного освітлення. Спеціальних захисних покриттів структури не мали, однак за час зберігання зберегли свої електричні властивості практично без змін.

    б

    Мал. 2. Зображення вихідної текстуровані-ної поверхні, отримане за допомогою растрового електронного мікроскопа (а) і схематичне зображення зразка з щілиновидними порами (б)

    Мал. 3. Світлові ВАХ ПК з текстурованою поверхнею, виміряні через півроку після виготовлення: 1 - 81 800Ьх, 2 - ріг-81 800Ьх, 3 - 81 2100Ьх, 4 - Ріг-81 2100Ьх, 5 - 81 15000Ьх, 6 - ріг-81 15000Ьх

    На поверхні шару пористого кремнію методом термічної ендотаксіі з газової фази вирощувався шар карбіду кремнію, таким чином були отримані гетерострук-тури 81С / 81, які також мали високі і стабільні фотоелектричні параметри. При проведенні процесу ендотаксіі в умовах перенасичення газової фази вуглецем на стінках існуючих циліндричних пір відбувалося утворення вуглецевих нанотрубок (рис. 4), що полегшувало створення омічного контакту до шару карбіду кремнію. У табл. 1 наведені основні фотоелектричні параметри виготовлених структур

    Мал. 4. РЕМ-зображення поверхні Гетеро-руктури 81С / 81 з вуглецевими нанотрубками

    З наведених результатів видно, що використання розроблених методик виготовлення шарів і структур дозволяє створити фоточутливі структури з достатньо високими фотоелектричними параметрами, що вони бережуть свом значення протягом тривалого часу.

    Таблиця 1. Основні параметри структур

    Тип структури х зап. ІХХ., (В) ^ випрямися. р р вх., (Вт) ККД (%)

    ПК з 81С на 81 0,81 1,56 1248 1672 29

    ПК з ТП на 81 0,67 1,27 30,7 454 22,8

    Висновки: можна зробити висновок, що застосування в конструкції ФЕП на кремнієвій підкладці шарів пористого нанокристалів-чеського кремнію, широкозонного карбіду кремнію, діелектричних покриттів з фторидів або оксидів РЗЕ дозволяє підвищити його ефективність практично до рівня ФЕП на основі арсеніду галію. У той же час технологія виготовлення таких структур не

    а

    сильно відрізняється від традиційному технології виготовлення кремнієвих ФЕП, зберігаючи її очевидні переваги: ​​економічність, екологічність, безпеку, доступність сировини, розвинена індустрія виробництва.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:

    1. Lenta.ru: Новини: ККД сонячних батарей досяг рекордного значення http: // lenta. ru / news / 2007/07/25 / solar / 14.03.2008

    2. Conebeer, G. Silicon nanostructures for third generation photovoltaic solar cells. / G. Conebeer, M. Green, R. Corkish et al. // Thin Solid Films. 2006. V. 511-512. P. 654-662.

    3. Shalav, A. Application of NaYF4: Er3 + up-converting phosphors for enhanced near-red silicon solar cell response / A. Shalav, B. Richards, T. Trupke // Appl. Phys. Let. 2005. V. 86. 013505.

    Аношин, Ю.А. Просвітлюючі і пассивирующие властивості плівок оксидів і фторидів рідкісноземельних елементів / Ю.А. Аношин, А.І. Петров, В.А. Рожков, М.Б. Шалімова // Журнал технічної фізики. 1994. Т. 64, № 10. С. 118-123. Bisi, O. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics / O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi // Surf. Sci. Rep. 2000. V. 38. P. 1-126.

    Латухіна, Н.В. Структури з макропористі кремнієм для фотоперетворювачів на кремнієвій підкладці / Н.В. Латухіна, Н.А. Нечаєва, В.А. Храмков і ін. // Тонкі плівки в оптиці і наноелектроніки. Збірник доповідей 18 междeyнародного симпозіуму. Харків. 2006. Т. 2. С. 207-211.

    Латухіна, Н.В. Фотоелектричні властивості структур з мікро- і нано-пористим кремнієм / Н.В. Латухіна, Т.С. Дереглазова, С.В. Івков і ін. // Известия Самарського наукового центру РАН. 2009. Т. 11, № 3 (29). С. 66-71.

    SILICON PHOTOELECTRIC CONVERTERS FOR SPACE AND AVIATION INDUSTRY

    © 2012 G.P. Yarovoy1, N.V. Latukhina1, A.S. Rogozhin1, A.S. Gurtov2, S.V. Ivkov2,

    S.I. Minenko2

    1 Samara State University 2 Federal State Unitary Enterprise State Scientific Production Rocket Space Center "TsSCB-Progress"

    In work prospects of using the devices for space and aviation purpose of silicon photoelectric converters of new generation, created on the basis of multilayered structures on silicon substrate are analyzed. Structures include layers of nanocrystal porous silicon, silicon carbide, dielectric coverings from oxides or fluorides of rare earth elements. Results of research the electric and optical characteristics of such structures are resulted.

    Key words: photosensitive structures, solar elements, nanocrystal, heterostructures, dielectric coverings, oxides and fluorides of rare earth elements

    Gennadiy Yarovoy, President, Doctor of Physics and Mathematics, Professor Nataliya Latukhina, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Anton Rogozhin, Post-graduate Student

    Alexander Gurtov, Depity Chief of the Department. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Sergey Ivkov, Post-graduate Student. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Sergey Minenko, Chief of the Department


    Ключові слова: Фоточутливі СТРУКТУРИ /СОНЯЧНІ ЕЛЕМЕНТИ /нанокристалів /гетероструктур /діелектричні ПОКРИТТЯ /Оксидів і фторидів РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТІВ /PHOTOSENSITIVE STRUCTURES /SOLAR ELEMENTS /NANOCRYSTAL /HETEROSTRUCTURES /DIELECTRIC COVERINGS /OXIDES AND FLUORIDES OF RARE EARTH ELEMENTS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити