Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) совершили технологический прорыв в области солнечных батарей, который ранее считался невозможным.
Ученые успешно интегрировали источник алюминия в свой реактор гидридной парофазной эпитаксии (HVPE), а затем впервые продемонстрировали выращивание полупроводников фосфида алюминия-индия (AlInP) и фосфида алюминия-галлия-индия (AlGaInP). техника.
«Существует приличное количество литературы, в которой говорится, что люди никогда не смогут выращивать эти соединения с помощью гидридной эпитаксии в паровой фазе», - сказал Кевин Шульте, ученый из Центра приложений и характеристик материалов NREL и ведущий автор нового исследования. документ, посвященный исследованию. «Это одна из причин, по которой многие отрасли III-V перешли на газофазную эпитаксию металлоорганических соединений (MOVPE), которая является доминирующим методом выращивания III-V. Это нововведение меняет положение вещей».
Статья «Выращивание AlGaAs, AlInP и AlGaInP с помощью гидридной парофазной эпитаксии» опубликована в журнале ACS Applied Energy Materials.
Солнечные элементы III-V, названные так из-за положения материалов в периодической таблице, обычно используются в космических приложениях. Известные своей высокой эффективностью, эти типы ячеек слишком дороги для наземного использования, но исследователи разрабатывают методы снижения этих затрат.
Один из методов, впервые предложенных в NREL, основан на новой методике выращивания, называемой динамической эпитаксией из паровой фазы гидрида, или D-HVPE. Традиционный высоковольтный полиэтилен, который в течение десятилетий считался лучшим методом производства светодиодов и фотодетекторов для телекоммуникационной отрасли, потерял популярность в 1980-х годах с появлением MOVPE. Оба процесса включают осаждение паров химикатов на подложку, но преимущество принадлежит MOVPE из-за его способности образовывать резкие гетерограницы между двумя различными полупроводниковыми материалами, где HVPE традиционно боролся..
Ситуация изменилась с появлением D-HVPE.
Образец солнечных элементов III-V, выращенных с использованием HVPE Образец алюминиевых солнечных элементов III-V, выращенных с использованием HVPE, показан в виде тонких пленок Alx(Ga1-x)0,5In0,5P после удаления подложки GaAs, связанной со стеклом. рукоятка для измерения передачи. Разница в цвете связана с разницей в составе Al и Ga. В частности, желтые образцы представляют собой AlInP (без Ga), а оранжевые образцы представляют собой AlGaInP. Фото Денниса Шредера, NREL
В более ранней версии HVPE использовалась одна камера, в которой один химикат наносился на подложку, которую затем удаляли. Затем химия роста была заменена другой, и подложка вернулась в камеру для следующего химического применения. D-HVPE основан на многокамерном реакторе. Подложка движется вперед и назад между камерами, что значительно сокращает время изготовления солнечного элемента. Однопереходный солнечный элемент, изготовление которого с использованием MOVPE занимает час или два, потенциально может быть изготовлен менее чем за минуту с помощью D-HVPE. Несмотря на эти достижения, MOVPE по-прежнему обладает еще одним преимуществом: возможностью наносить алюминийсодержащие материалы с широкой запрещенной зоной, которые обеспечивают максимальную эффективность солнечных элементов. HVPE долгое время боролся с ростом этих материалов из-за трудностей, связанных с химической природой обычного алюминийсодержащего прекурсора, монохлорида алюминия.
Исследователи всегда планировали ввести алюминий в D-HVPE, но сначала сосредоточили свои усилия на проверке метода выращивания.
«Мы пытались продвигать технологию поэтапно, вместо того, чтобы делать все сразу», - сказал Шульте. «Мы подтвердили, что можем выращивать высококачественные материалы. Мы подтвердили, что можем выращивать более сложные устройства. Теперь следующим шагом в развитии технологии является алюминий».
Соавторами Шульте из NREL являются Wondwosen Metaferia, John Simon, David Guiling и Aaron J. Ptak. Среди них также трое ученых из компании Kyma Technologies из Северной Каролины. Компания разработала метод производства уникальной молекулы, содержащей алюминий, которую затем можно было бы перелить в камеру D-HVPE.
Ученые использовали генератор трихлорида алюминия, который нагревали до 400 градусов по Цельсию, чтобы произвести трихлорид алюминия из твердого алюминия и газообразного хлористого водорода. Трихлорид алюминия гораздо более стабилен в среде реактора HVPE, чем форма монохлорида. Остальные компоненты - хлорид галлия и хлорид индия - испарялись при 800 градусах Цельсия. Три элемента были объединены и нанесены на подложку при температуре 650 градусов Цельсия.
Используя D-HVPE, ученые NREL ранее смогли изготовить солнечные элементы из арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия-индия (GaInP). В этих ячейках GaInP используется в качестве «окна», который пассивирует переднюю поверхность и позволяет солнечному свету достигать слоя поглотителя GaAs, расположенного ниже, где фотоны преобразуются в электричество. Этот слой должен быть максимально прозрачным, но GaInP не такой прозрачный, как фосфид алюминия-индия (AlInP), используемый в солнечных элементах, выращенных методом MOVPE. Текущий мировой рекорд эффективности для солнечных элементов GaAs, выращенных методом MOVPE, которые включают оконные слои AlInP, составляет 29,1%. При использовании только GaInP максимальная эффективность солнечных элементов, выращенных из HVPE, оценивается всего в 27%.
Теперь, когда алюминий был добавлен в смесь D-HVPE, ученые заявили, что они должны быть в состоянии достичь паритета с солнечными элементами, изготовленными с помощью MOVPE.
«Процесс HVPE является более дешевым процессом», - сказал Птак, старший научный сотрудник Национального центра фотогальваники NREL. «Теперь мы показали путь к такой же эффективности, как и другие ребята, но с более дешевой техникой. Раньше мы были несколько менее эффективными, но дешевле. Теперь есть возможность быть такими же эффективными и дешевле».
Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики США финансировало исследование D-HVPE.