СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ ПЛАСТИНЧАТЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ (AL,GA)AS С ПОПЕРЕЧНЫМИ ГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ

Полезная модель относится к области изготовления оптоэлектронных устройств и, в частности, фотоэлектронных элементов для применения в области солнечной энергетики.
В настоящее время известны технологии создания солнечных элементов как на основе планарных слоев, так и на основе поверхностей, структурированных в виде нитевидных нанокристаллов. В обоих случаях эффективность функционирования солнечного элемента зависит как от эффективности поглощения фотонов света, так и от эффективности транспорта носителей заряда.
Солнечные элементы на основе планарных слоев, как правило, представляют из себя многослойные структуры тонких пленок, включающие в себя слой материала с легированием n-типа, нанесенный поверх слоя с легированием р-типа, или наоборот. С одной стороны, толщина абсорбирующего слоя в таких структурах должна быть достаточна для достижения эффективного поглощения фотонов с энергиями выше ширины запрещенной зоны и, как правило, составляет несколько микрон и более. С другой стороны, при увеличении толщины слоя, она может превышать длину диффузии неосновных носителей, что снижает эффективность их транспорта. Таким образом, необходимый выбор оптимальной толщины абсорбирующего слоя ограничивает либо поглощение фотонов, либо разделение зарядов, что, в свою очередь, накладывает ограничение на эффективность солнечного элемента.
Альтернативой планарным абсорбирующим слоям могут служить слои на основе нитевидных нанокристаллов, формирующихся в направлении, перпендикулярном подложке. Как правило, толщина таких слоев также составляет несколько микрон. В нитевидных нанокристаллах возможно создание как радиальных, так и аксиальных гетероструктур. В случае аксиального р-n перехода проблема транспорта неосновных носителей не снимается, однако необходимое количество материала на единицу площади поверхности значительно ниже. При реализации радиальных гетеропереходов в нитевидных нанокристаллах, формируются ядро и оболочка с разными (р- и n-) типами легирования. В таких структурах сбор носителей заряда происходит в плоскости, перпендикулярной оси нитевидного нанокристалла. А значит, увеличение толщины слоя (длины нитевидного нанокристалла) не влияет на длину пробега носителей заряда. Таким образом возможно увеличение эффективности поглощения фотонов, без изменения эффективности разделения зарядов. Кроме того, известно, что для солнечных элементов на основе нитевидных нанокристаллов необходимость в дополнительных антиотражающих структурах гораздо ниже, чем для планарных аналогов. Было показано, что сами по себе массивы вертикальных нитевидных нанокристаллов представляют из себя антиотражающее покрытие, в несколько раз уменьшая коэффициент отражения (Л.И. Горай и др. Письма в ЖТФ том 41 вып. 13 стр. 16, 2015).
Во многих высокоэффективных солнечных элементах в качестве материалов используются тройные соединения элементов III и V группы, такие как GaAsP, AlGaAs, InGaP, AlInP и AlInAs с различными соотношениями состава (R.R. LaPierre и др. Phys. Status Solidi RRL том 7 стр. 815, 2013). Данные материалы обладают оптимальной конфигурацией запрещенной зоны, но плохо совместимы с кремниевой или другими распространенными подложками. Предпочтительным материалам для данного вида изделий выступает Арсенид алюминия-галлия AlGaAs.
Проблема совмещения с кремниевыми подложками полупроводниковых III-V материалов была решена в солнечных элементах на основе нитевидных нанокристаллов с р-n переходом (RU 2009144623 А). Кроме того, нитевидные нанокристаллы с радиальным p-i-n гетеропереходом позволяют независимо оптимизировать ключевые для солнечных элементов условия для поглощения света и разделения заряда.
В качестве известных аналогов могут быть рассмотрены солнечные элемент на основе нитевидных нанокристаллов, предложенный С.G. LIM и Н. Weman в заявке США US 20160197206 А1 или солнечный элемент, модель которого была исследована в работе LaPierre (R.R. LaPierre J. Appl. Phys. том 110 стр. 014310, 2011). К недостаткам использования нитевидных наннокристаллов в солнечных элементах относится проблема невысокой подвижности носителей заряда в процессе транспорта и технологическая сложность изготовления контактов с низким сопротивлением.
В достаточно тонких нитевидных нанокристаллах свойства поверхности вносят определяющий вклад в проводящие свойства структуры. Высокая плотность поверхностных состояний на боковых стенках нитевидных нанокристаллов приводит к снижению подвижности носителей заряда и усилению процессов рекомбинации. Частичное решение данной проблемы возможно за счет пассивации поверхности с помощью нанесения оболочки широкозонного полупроводникового материала.
Еще одним недостатком аналогов является сложность изготовления контактов с низким сопротивлением. Существующее решение данной проблемы подразумевает нанесение слоев с высокой степенью легирования. В то же время, задача обеспечения стабильности и равномерности состава таких слоев остается нерешенной.
В отличие от аналогов, в данной полезной модели предлагается вместо нитевидных нанокристаллов использовать пластинчатые нанокристаллы, возможность формирования которых с поперечными гетеропереходами системе AlGaAs была изучена недавно (М. Friedl et al. Nano Letters том 18 вып. 4 стр. 2666-2671, 2018).
Настоящая полезная модель предлагает решение задачи по созданию солнечного элемента на основе многослойного пластинчатого нанокристалла AlGaAs с p-i-n структурой. Подобная структура позволяет эффективное разделение функций поглощения света и транспорта носителей заряда между разными слоями внутри устройства.
Основным отличием предлагаемого устройства от аналогов и прототипа на основе нитевидных нанокристаллов (US 20160197206 A1) является его реализация на основе пластинчатых нанокристаллов AlGaAs. При использовании в солнечных элементах пластинчатые нанокристаллы обладают рядом общих с нитевидными нанокристаллами преимуществ, и не имеют некоторых недостатков последних.
Пластинчатые нанокристаллы, представляют из себя наноструктуры, имеющие ширину от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров, и длину и высоту от единиц до десятков микрон. Как и нитевидные нанокристаллы, такие объекты имеют развитую боковую поверхность и, в то же время малую площадь контакта с подложкой. А значит в случае рассогласования решеток используемых материалов (например, GaAs или AlGaAs на подложке кремния), обеспечивают эффективную релаксацию упругих напряжений за счет боковых стенок и позволяют полностью устранить основное препятствие на пути интеграции опто- и микроэлектронике на едином чипе - образование дислокаций несоответствия.
В отличие от нитевидных нанокристаллов, пластинчатые нанокристаллы имеют большую площадь верхней и нижней граней, что облегчает формирование контактов с низким сопротивлением. Помимо этого, в сравнении с квазиодномерными нитевидными нанокристаллами, квазидвумерные пластинчатые нанокристаллы предполагают более высокую мобильность носителей заряда. Таким образом, солнечные элементы на основе пластинчатых нанокристаллов более эффективны в сравнении с солнечными элементами на основе нитевидных нанокристаллов благодаря более низкому сопротивлению контактов и более высокой мобильности носителей заряда.
Технический результат полезной модели заключается в повышении коэффициента полезного действия солнечного элемента за счет повышения эффективности транспорта носителей заряда с сохранением высокой эффективности поглощения света.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции солнечного элемента на основе пластинчатых нанокристаллов (Al,Ga)As с поперечным гетеропереходом, включающий подложку, отличающийся тем, что на подложке выращены многослойные пластинчатые нанокристаллы (Al,Ga)As с поперечными гетеропереходами, состоящие из широкозонного с легированием р-типа (Al,Ga)As внутреннего слоя, покрытого толстым обедненным слоем GaAs, и покрытого тонким слоем с легированием n-типа (Al,Ga)As, причем подложка вместе с ансамблем пластинчатых нанокристаллов кроме вершин пластинчатых нанокристаллов покрыта слоем прозрачного диэлектрика, и поверх слоя диэлектрика нанесен прозрачный контактный слой.
В одном из частных вариантов осуществления заявленного решения нижний омический контакт осуществляется через подложку кремния с легированием р-типа, а верхний контакт осуществляется через открытые, вскрытые вершины пластинчатых нанокристаллов.
В другом частном варианте осуществления заявленного решения подложка выполняется из GaAs(111).
Фиг. 1 иллюстрирует общий вид солнечного элемента на основе массива пластинчатых нанокристаллов.
Фиг. 2 иллюстрирует вид в поперечном сечении пластинчатого нанокристалла.
Общий вид устройства (100) приведен на Фиг. 1. Нижний контакт (102) осуществляется через подложку (140), которая изготавливается из GaAs с ориентацией (111)В или кремния с р-типом легирования. Подложка (140) изготавливается в виде пластины и покрывается естественным оксидным слоем (120). Нижний контакт (102) может выполняться омическим.
Поглощение света и преобразование энергии фотонов в электрическую происходит внутри многослойных пластинчатых нанокристаллов (150), содержащих p-i-n структуру. Верхний (101) и нижний (140) контактные слои объединяют массив пластинчатых нанокристаллов (150) в единую сеть. Пространство между пластинчатыми нанокристаллами (150) заполняется диэлектрическим полимером (130) SU8, образуя, таким образом, планаризирующий слой. Проводящий прозрачный верхний контактный слой (101) из оксида индия-олова (ITO), находится в контакте со вскрытыми вершинами пластинчатых нанокристаллов (150).
На Фиг. 2 представлена схема устройства (100) солнечного элемента в поперечном сечении пластинчатого нанокристалла (150). Внутренний слой (154) AlGaAs с р-типом легирования находится в контакте с подложкой (140), в то время как остальные слои пластинчатого нанокристалла (150) изолированы от подложки (140) слоем оксида кремния (120). В роле i-слоя выступает толстый слой (153) GaAs. Данный материал обладает оптимальной конфигурацией запрещенной зоны для поглощения вблизи максимума интенсивности солнечного света. Поверх слоя (153) GaAs наносится слой (152) широкозонного AlGaAs, прозрачного в области максимума интенсивности солнечного спектра, с высокой степенью легирования n-типа атомами Si. Далее наносится пассивирующий внешний слой (151) AlAs.
Данная схема реализации позволяет совмещать эффективное поглощение света в промежуточном слое (153) GaAs и эффективный транспорт носителей в легированных слоях (152, 154) AlGaAs.
Для селективного роста пластинчатых нанокристаллов (150) методом электронной литографии или наноимпринт литографии в оксидном слое (120) создаются отверстия, задающие размеры нижней грани наноструктуры. Для формирования ансамблей пластинчатых нанокристаллов (150) AlGaAs используется метод молекулярно-пучковой эпитаксии с твердотельными источниками. При росте слоев легирование р-типа получается при встраивании атомов Be, а легирование n-типа при добавлении атомов Si. Характерные температуры эпитаксии лежат в диапазоне 480-600 градусов Цельсия.
Для создания верхнего контактного слоя (101) осаждается слой (130) полимера SU8, заполняющего пространство между пластинчатыми нанокристаллами (150). После этого, методом плазменного кислородного травления осуществляется вскрытие верхнего участка пластинчатых нанокристаллов (150) от планаризующего слоя диэлектрика (130). После вскрытия, на массив пластинчатых нанокристаллов (150) методом магнетронного осаждения наносится прозрачный и электропроводящий слой (101) ITO методом магнетронного осаждения. Толщина слоя ITO определяется двумя конкурирующими факторами: увеличение толщины с одной стороны приводит к увеличению проводимости слоя, с другой стороны - к снижению его прозрачности (А.Р. Amalathas, et al. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, том 27, стр. 11064-11071, 2016). В случае магнетронного напыления тонких пленок ITO оптимальной является толщина от 100 до 300 нм.
На завершающем этапе производится формирование контактных металлизированных площадок верхнего (103) и нижнего (102) контактов. Для формирования верхнего контактного слоя (101) поверх слоя ITO наносится подслой никеля толщиной 5 нм путем испарения из электроннолучевого испарителя и слоя золота толщиной 100 нм путем испарения материала из резистивного испарителя Над образцом при этом располагается специальная маска, ограничивающая область напыления металлов. Для формирования нижнего контактного слоя, также с использованием маски, на участок подложки (140) наносится подслой германия толщиной 5 нм путем испарения из электроннолучевого испарителя, на который нанесен слой золота толщиной 100 нм путем испарения материала из резистивного испарителя.
Созданная конструкция изделия обеспечивает достижение повышенного коэффициента полезного действия солнечного элемента за счет повышения эффективности транспорта носителей заряда с сохранением высокой эффективности поглощения света, что обеспечивается за счет предложенной конструкции, основанной на ансамбле пластинчатых нанокристаллов.
Представленные описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.