Статья:

Расчет технологических параметров при изготовлении солнечного элемента на основе гетероструктуры AlxGa1-xAs - GaAs

Конференция: XXXIX Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Бесполудин В.В. Расчет технологических параметров при изготовлении солнечного элемента на основе гетероструктуры AlxGa1-xAs - GaAs // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XXXIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 10(39). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/10(39).pdf (дата обращения: 19.08.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Расчет технологических параметров при изготовлении солнечного элемента на основе гетероструктуры AlxGa1-xAs - GaAs

Бесполудин Владислав Валерьевич
студент Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета, РФ, г. Таганрог

 

Использование солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs -GaAs позволяет изменять в широком диапазоне рабочие характеристики солнечных элементов. Посредством изменения концентрации веществ (Ga, Al) входящих в твердый раствор AlxGa1-xAs, можно расширить возможности создания солнечных ячеек с точно заданными параметрами и структурой [1]. Изменения ширины запрещенной зоны в слое AlxGa1-xAs влияет на спектр поглощения фотонов этим слоем, изменения периода решетки осаждаемого материала позволяет контролировать максимальную толщину осаждаемого слоя, которую мы можно осадить без образования дислокаций. Если толщина напряженного эпитаксиального слоя меньше так называемой критической толщины, то слой оказывается упруго напряженным (псевдоморфным) [1]. Величина упругих напряжений определяется рассогласованием параметров решеток эпитаксиального слоя a0 и подложки aS рисунок 1.

После превышения критической толщины напряженная решётка начинает релаксировать с образованиям дислокаций несоответствия рисунок 1 (в). В случае наличия на гетерогранице каких-либо рода дефектов, к примеру точечные рассогласования, это ведет к негативным последствиям в электронных устройствах, токи утечки, увеличения процессов рассеяния, шумы и т.д. [1]. При изготовлении солнечных элементов необходимо учитывать этот фактор который безусловна негативно сказывается на КПД солнечных элементов. В данной работе будет осуществлен расчёт зависимости ширины запрещенной зоны от состава, и максимальной возможной толщины при которой не образуются дислокации несоответствия для солнечного элемента на основе гетероструктуры AlxGa1-xAs/GaAs рисунок 2 [4;6].

 

Рисунок 1. Схема расположения атомов на гетерогранице: а) решеточно согласованная гетероструктура aS = a0, б) псевдоморфная гетероструктура aS < a0, в) релаксированная гетероструктура aS < a0,

 

Рисунок 2. Структура солнечного элемента на основе гетероструктуры AlxGa1-xAs/GaAs

 

Для начала осуществим расчет постоянной решетки от состава для AlxGa1-xAs от x=0 до x=1. Постоянная решетки для AlAs и GaAs aAC = 5.661 А и aBC = 5.653 А соответственно. Для расчета периода решетки а(х) твердого раствора вида AxB1-xC воспользуемся правилом Вегарда, где период решётки линейно зависит от состава х и периодов решетки входящих в это соединения с помощью выражения (1), рисунок 3 [2;3;5].

                                                                                      (1)

 

Рисунок 3. Изменения постоянной решетки a(x) от состава для AlxGa1-xAs

 

Затем находим значений рассогласований периодов решеток  материалов AlxGa1-xAs и GaAs от их состава используя выражения (2), рисунок 4 [3].

                                                                                  (2)

 

Рисунок 4.Рассогласований постоянных решеток ε0(x) от состава для слоев AlxGa1-xAs/GaAs

 

Зададим коэффициенты Пуассона VGaAs=0.31 μ и VAlAs=0.352 μ. С помощью выражения (3) рассчитаем коэффициенты Пуассона для твердого раствора AlxGa1-xAs [2]:

                                                                                 (3)

 

Теперь определим толщину слоя AlxGa1-xAs при которой начинается генерация дислокаций несоответствия на слое GaAs с помощью выражения (4), рисунок 5.

                                                                              (4)

 

Рисунок 5. Критическая толщина эпитаксиального слоя от состава для слоев AlxGa1-xAs/ GaAs

 

Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора AxB1-xC описывается выражением (5) рисунок 6.

Eg (x) = xEg AC + (1 - x) ∙ Eg BCcx · (1 x)                                                                    (5)

где: c – параметр изгиба, который равен для 0,143 для AlxGa1-xAs

 

Рисунок 6. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава для AlxGa1-xAs

 

В результате проведенных расчетов была определена зависимость, ширины запрещенной зоны от состава слоя AlGaAs, и периода решетки от состава. Изменяя состав твердого раствора AlGaAs, а также других соединений относящийся к классу соединений AIIIBV мы можем получать солнечные элементы на основе данных гетероструктур с требуемыми характеристиками.

 

Список литературы:
1. Клочков Алексей Николаевич. Электронный спектр в модулировано-легированных гетероструктурах InGaAs/InAlAs на подложках GaAs и InP. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Научный руководитель: д.ф. – м.н. Галиев Галиб Бариевич. Москва-2009.153 с.
2. Середин П.В., Глотов А.В., Домашевскя Э.П., [и др.]. Структурные и оптические свойства низкотемпературных МОС – гидридных гетероструктур AlGaAs/GaAs(100) на основе твердых растворов вычитания. Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 12.
3. Юрасов Д.В., Дроздов Ю.Н. Критическая толщина перехода по Странскому-Крастанову с учетом эффекта сегрегации. Физика и техника полупроводников, 2008, том 42, вып.5.
4. Abderrahmane Hemmani, Dennai B., Khachab H., [et al.]. Effect of Temperature on the AlGaAs/GaAs Tandem Solar Cell for Concentrator Photovoltaic Performances. Journal of NANO- and Electronic Physics. 2016. Vol. 8 No 1, 01015(4pp).
5. Therez F., Alcubilla R. and Chikouche A.. AlGaAs-GaAs Solar Cell Development: Electrical Analysis And Prospects For Space Application", Solar Cells, 1986, vol. 18, P. 163–170.
6. Vladimir Khvostikov, Nikolay Kalyuzhnyy, Sergey Mintairov [et al.]. AlGaAs/GaAs Photovoltaic Converters For High Power Narrowband Radiation. [Electronic source] http://oa.upm.es/35774/1/INVE_MEM_2014_189947.pdf (Date of the application 17.09.16).