В петербургском ЛЭТИ разработан новый материал для солнечной энергетики
Инновационная технология создания материала для фотовольтаики позволит повысить эффективность солнечных элементов до рекордных значений.
02.09.2020 1918
Солнечная энергетика как одна из разновидностей альтернативных источников энергии является перспективным и востребованным направлением науки. Существующие высокоэффективные многопереходные солнечные элементы по уровню КПД уже приблизились к своему теоретическому пределу, поэтому сегодня все усилия мирового научного сообщества направлены на создание и внедрение более эффективных и экономически выгодных подходов к их изготовлению.
Одним из направлений фотовольтаики является формирование решеточно-рассогласованных A3B5 солнечных элементов на кремниевых подложках. Однако такой подход имеет существенный недостаток – значительная плотность дислокаций в приборах за счет несоответствия постоянных решетки приводит к низкому качеству слоев соединений A3B5 и их сильной деградации, что ограничивает их использование для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.
Вариант решения этой проблемы предложил профессор кафедры фотоники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (вуз – участник Проекта 5-100), доктор технических наук Александр Сергеевич Гудовских. Результаты научного исследования опубликованы в журнале Physica Status Solidi (a) – applications and materials science.
Подход, предложенный ученым ЛЭТИ, основан на использовании кремниевых подложек, формируемых с помощью совмещения технологии атомно-слоевого осаждения на начальном этапе роста, и метода газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОС-гибридной эпитаксии). Его принципиальное отличие от предыдущих разработок состоит в том, что рост нуклеационного слоя осуществляется методом плазмохимического атомно-слоевого осаждения при сравнительно низких температурах с последующим эпитаксиальным ростом верхнего перехода на основе A3B5 квантоворазмерных структур методом МОС-гидридной эпитаксии.
«Существующие способы создания фотоэлементов предполагают высокотемпературный (900-1000 °C) отжиг кремниевой подложки на начальной стадии роста для удаления оксида и реконструкции поверхности, что в дальнейшем приводит к деградации времени жизни в подложке».
Новая технология предполагает уменьшение температуры эпитаксиального роста GaP на Si подложках до 600-750 °C, а также формирование структур GaP/Si с нуклеационным слоем GaP методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения при температуре 380 °C.
В ходе исследований структурных и электронных свойств, а также температурной стабильности нового материала было доказано, что структуры GaP/Si, полученные методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения без дополнительной водородной плазмы, имеют лучшие фотоэлектрические свойства по сравнению со структурами, изготовленными с высокой мощностью водородной плазмы, которая вызывает образование дефектов в приповерхностной области Si. «Отжиг при температуре 550-600 ºC приводит к уменьшению концентрации дефектов, создаваемых водородной плазмой. Таким образом, после отжига качества границ раздела GaP/Si, изготовленных обоими типами процессов, сравнялось. Термическая обработка структур GaP/Si при температуре 725-750 ºC приводит к диффузии фосфора из GaP в Si и к образованию изотипного гетероперехода n-GaP/n-p-Si с улучшенным фотоэлектрическими свойствами», – комментирует Александр Сергеевич Гудовских.
Новая технология эпитаксиального роста GaP на Si подложках позволит увеличить КПД двухпереходных солнечных элементов до рекордных значений: более 30% для неконцентрированного излучения AM0 и более 35 % для концентрированного излучения AM1.5D. Высокая эффективность и оптимальная стоимость новой технологии открывает перед ней широкие перспективы применения – от элементов для солнечной энергетики, устанавливаемых на поверхности Земли, до электропитания космических аппаратов.
Разработка соответствует стратегическому приоритету научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Также технология отвечает интересам национального проекта «Экология», связанным со снижением уровня загрязнения атмосферного воздуха в крупных промышленных центрах.
Работа выполнена совместно с коллегами из Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета им. Ж. И. Алфёрова РАН, Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН и Университета Париж-юг (Франция) на средства гранта Российского научного фонда №17-19-01482.
Кафедра фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (до 2018 года – кафедра квантовой электроники и оптико-электронных приборов) – широко известный в России и за рубежом научно-педагогический коллектив. В последние годы, в связи развитием солнечной энергетики в стране, ученые кафедры проводят научные исследования в области тонкопленочных и гетероструктурных солнечных модулей на основе кремния.
С 2011 года ЛЭТИ в рамках первой в России магистерской программы «Солнечная гетероструктурная фотоэнергетика» проводит опережающую подготовку высококвалифицированных специалистов в области проектирования, технологии производства и эксплуатации тонкопленочных солнечных модулей широкого применения.
