Разработка физико-технологических принципов формирования многослойных структур на основе фосфидов III группы на Si подложках для фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии

Солнечные элементы на основе кремния составляют более 90% рынка наземной фотовольтаики, что обусловлено доступностью материала, запасы которого в земной коре практически не ограничены, высоким уровнем развития кремниевой технологии, достаточной стойкостью к солнечному излучению и тем фактом, что солнечные элементы на основе кремниевых подложек безопасны с экологической точки зрения и не требуют особых процедур утилизации. КПД солнечных элементов на основе монокристаллического Si уже приблизился к теоретическому пределу. Однако дальнейшее развитие фотоэлектрического преобразования солнечного излучения требует увеличения эффективности. Эффективность преобразования солнечной энергии ограничена потерями, ряд из которых носит фундаментальный характер. Самое сильное ограничение на максимально достижимый КПД солнечных элементов на основе одного перехода оказывают потери на термализацию носителей заряда, когда избыточная энергия фотонов, передаваемая генерируемым носителям заряда, передается на тепловые колебания решетки. В работе будет рассмотрен наиболее эффективный подход к снижению потерь на термализацию носителей заряда, заключающийся в формировании тандемных (многопереходных) солнечных элементов. Впервые будут проведены исследования по определению возможности формирования двух-переходных солнечных элементов с нижним переходом на основе Si подложки, а верхним на основе короткопериодных сверхрешеток GaN/InP с компенсацией упругих напряжений (strain balanced superlattice). Использование бинарных соединений GaN и InP с противоположено различающейся постоянной кристаллической решетки относительно Si подложки позволяет компенсировать упругие напряжения. Вариация толщины квантовых ям InP позволит проводить достичь необходимого значения эффективной ширины запрещенной зоны для верхнего перехода (1.7-1.8 эВ). Для формирования бинарных слоев GaP и короткопериодных сверхрешеток GaN/InP или GaP/GaN/InP с резкими границами раздела и низким фоновым уровнем легирования предлагается использовать плазмохимическое атомно-слоевое осаждение с импульсным in situ отжигом в плазме при температурах, не превышающих 400 С. На Si подложках сначала будут выращиваться нуклеационные и буферные слои GaP. Для роста активных слоев GaN/InP будет использоваться комбинации последовательности бинарных слоев в виде короткопериодных сверхрешеток GaN/InP или GaP/GaN/InP. При формировании фотопреобразовательных структур активные нелегированные многослойные композиции GaN/InP (GaP/GaN/InP) будут заключаться между легированными слоями – «обкладками» GaP. В ходе выполнения работы будет проведен теоретический расчет параметров короткопериодных сверхрешеток GaN/InP с эффективной шириной запрещенной зоны 1,7-1,8 эВ и свойств фотопреобразовательных гетеростуктур на их основе. Будут определены физико-технологические основы формирования многослойных структур GaP/GaN/InP с помощью метода плазмохимического атомно-слоевого осаждения при температурах не превышающих 400 °C, проведены исследования оптических, структурных и электронных свойств многослойных структур GaP/InP/GaN, а также свойств границ раздела для этих систем. Будет определена зависимость свойств от условий формирования и определены технологические предпосылки для совершенствования фотоэлектрических свойств этих слоев. Таким образом, в результате выполнения работ по проекту впервые будут проведены исследования фундаментальных аспектов физики и технологии формирования наногетерострукутур на основе короткопериодных сверхрешеток GaN/InP, выращенных на Si подложках с помощью метода низкотемпературного атомно-слоевого осаждения, а также будут проведены исследования по использованию данных материалов в качестве фотоактивных слоев многопереходных солнечных элементов на Si с КПД превышающим 30%.