— 本期概况 —

提高地面和航天太阳能电池效率的新材料

Новые материалы для повышения эффективности солнечных батарей наземного и космического базирования

☑成果属性：发明专利

☑技术领域：新材料

☑成熟度：研发

☑拟交易价格：1-10万

☑技术合作方式：合作开发

先进材料包括基于多组分AIIIBV固溶体的半导体结构。人们对这些问题的兴趣是通过同时协调晶格参数和相关材料的热膨胀系数来形成结构完美的异质转移。因此，使用在GaAs底上生长的五组分AlGaInPAs固溶体可以实现几乎完美的异质结。通过改变组成，Eg可以在0.5至2.5eV的宽范围内变化。使用梯度外延（HE）技术，可以获得给定Eg分布的无缺陷异质结构。研究结果表明，利用五组分异质结构AlxGayIn1-x-yPzAs1-z可用于获得高效的太阳能电池。

提高太阳能电池（太阳能电池）效率的有前途的方法之一是使用渐变间隙AlxGa1-xAs – InxGa1-xAs异质结构。梯度间隙结构是可变组成的层，其带隙（Eg）以一定间隔变化。例如，这些化合物的eV从0.36（InAs）到2.168（AlAs）eV不等，这对应于可见辐射范围（593–1252 nm）。在这种情况下的主要特征之一是相邻层的晶格常数的接近度，这对于避免层界面处的弹性应力的松弛和错配位错的形成是必要的，该错配位错使材料的结构和复合性能恶化。根据提出的研究结果，基于AlxGa1-xAs – InxGa1-xAs梯度间隙异质结构的SC效率值在AM1.5为25.1％。

提高限流电阻效率的方法之一是寻求技术改进，旨在减少AIIIBV film-Si衬底边界晶体结构缺陷的数量。在这方面，提供低温合成AIIIBV薄膜的最有前途的方法是脉冲激光沉积（ILN）和离子束沉积（ILO）。当AL0.3Ga0.7As和GaP薄膜喷涂在p型硅衬底上并进一步热循环时，p-Si衬底和n-Si层之间产生p-n过渡，这是由于砷或磷原子的扩散而发生的。研究表明，与Al0.3Ga0.7As/GaAs结构相比，GaP/Si结构对光谱的较短波长区域具有灵敏度偏移。研究表明，所得SE的空载电压的最大值达到0.9v，外部量子效率约为74.5％。

提高太阳能电池效率的新方向是创建具有基于GeSi和III-V化合物的量子点（QD）的纳米异质结构。使用梯度外延（GE），基于III-V化合物（GaPAs-QD / GaAs）的固溶体获得了半导体量子点。GaAs矩阵中具有InAs QD的异质结构引起了人们的极大兴趣。在太阳能电池中使用量子尺寸结构为控制光响应光谱带提供了可能性。研究表明，通过离子束沉积为SC制备具有量子点的InAs / GaAs异质结构的可行性。所获得的结果作为有效光电转换器的半导体结构的有源层可能具有实际意义。

改变太阳能电池特性的解决方案之一是使用功能性涂层。这允许在不显着改变其生产技术的情况下实现光电转换器的效率的提高。这种多功能涂层可以同时减少太阳能电池的反射损耗和欧姆损耗，并扩大光谱灵敏度。可以基于半导体氧化物和掺杂有金属纳米粒子的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）薄膜来创建此类涂层。将金属纳米颗粒结合到膜中使得可以在相当宽的范围内改变折射率。另外，用纳米颗粒掺杂半导体氧化物膜可以增加其导电性。金属纳米颗粒的另一个重要特性是出现等离子体激元共振，其结果是吸收了太阳光谱中的紫外线部分。由于所有这些特性，具有纳米颗粒的功能性涂层提高了太阳能电池的效率。因此，对在TiO2膜中使用银纳米颗粒的研究表明，漂白对3级限流电阻特性的最大影响是施加在上部级联上。发现在300–450 nm范围内，GaInP级联的外部量子产率提高了20％。获得的结果表明，在短波长（300-450 nm）光电转换器中，可以使用掺杂有银纳米颗粒的TiO2薄膜作为功能涂层。

К перспективным материалам относятся полупроводниковые структуры на основе многокомпонентных твердых растворов АIIIВV. Интерес к ним вызван возможностью формирования структурно совершенных гетеропереходов за счет одновременного согласования параметров решетки и коэффициентов термического расширения сопрягающихся материалов. Так применение пятикомпонентных твердых растворов AlGaInPAs, выращиваемых на подложке GaAs, позволяет получить практически идеальный гетеропереход. Варьируя состав можно изменять Eg в широком диапазоне от 0,5 до 2,5 эВ. Используя технологию градиентной эпитаксии (ГЭ), были получены бездефектные гетероструктуры при заданном распределении Eg. Результаты исследований показывают, что использование пятикомпонентных гетероструктур AlxGayIn1-x-yPzAs1-z, можно использовать для получения высокоэффективных солнечных элементов.

Одним из перспективных способов повышения КПД солнечных элементов (СЭ) является использование варизонных гетероструктур AlxGa1-xAs–InxGa1-xAs. Варизонные структуры представляют собой слои переменного состава, ширина запрещенной зоны (Eg) которых изменяется в определенном интервале. Eg для этих соединений изменяется от 0,36 (InAs) до 2,168 (AlAs) эВ, что соответствует диапазону видимого излучения (593–1252 нм). Одной из главных особенностей при этом является близость значений постоянных решетки соседних слоев, что необходимо во избежание релаксации упругих напряжений на границах раздела слоев и образования дислокаций несоответствия, ухудшающих структурные и рекомбинационные свойства материалов. Согласно представленным результатам исследований значения КПД СЭ на основе варизонных гетероструктур AlxGa1-xAs–InxGa1-xAs  находятся на уровне 25.1% при AM1.5.

Одним из путей повышения КПД СЭ является поиск технологических усовершенствований, направленных на снижение количества дефектов кристаллической структуры на границе пленка AIIIBV − подложка Si. Наиболее перспективным в этом отношении методом, обеспечивающим низкотемпературный синтез тонких пленок AIIIBV, являются методы импульсного лазерного напыления (ИЛН) и ионно-лучевого напыления (ИЛО). При напылении пленок Al0.3Ga0.7As и GaP на подложку кремния p-типа проводимости и дальнейшем термоциклировании создается p−n-переход между подложкой p-Si и слоем n-Si, который возникает в результате диффузии атомов мышьяка или фосфора. Исследования выявили, что для структуры GaP/Si имеется сдвиг чувствительности в более коротковолновую область оптического спектра по сравнению со структурой Al0.3Ga0.7As/GaAs. Исследования показали, что максимальное значение напряжения холостого хода для полученного СЭ достигает 0,9 В при значении внешней квантовой эффективности около 74,5 %.

Новым направлением повышения эффективности СЭ является создание наногетероструктур с квантовыми точками (КТ) на основе GeSi и соединений AIIIBV. При использовании градиентной эпитаксии (ГЭ) были получены полупроводниковые квантовые точки на основе твердых растворов соединений AIIIBV (GaPAs-QD/GaAs). Больший интерес представляют гетероструктуры с КТ InAs в матрице GaAs. Использование квантово-размерных структур в СЭ открывает возможности управлять спектральной полосой фотоотклика. Исследования показали возможность получения гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками для СЭ методом ионно-лучевого осаждения. Полученные результаты могут представлять практический интерес в качестве активных слоев полупроводниковых структур для эффективных фотоэлектрических преобразователей.

Одним из решений, позволяющих модифицировать характеристики СЭ, является использование функциональных покрытий. Это позволяет достигнуть увеличения эффективности фотопреобразователей без существенного изменения технологии их производства. Такие многофункциональные покрытия позволяют одновременно снизить потери на отражение и омические потери СЭ, а также расширить спектральную чувствительность. Такие покрытия могут быть созданы на основе полупроводниковых оксидов и пленок поливинилбутираля (ПВБ), легированных металлическими наночастицами. Внедрение в пленки наночастиц металлов позволяет варьировать коэффициент преломления в достаточно широких пределах. Помимо этого, легирование полупроводниковых оксидных пленок наночастицами позволяет увеличить их проводимость. Еще одним важным свойством металлических наночастиц является появление плазмонного резонанса, в результате которого поглощается ультрафиолетовая часть спектра солнечного света. В результате всех этих свойств, функциональные покрытия с наночастицами способствуют увеличению КПД СЭ. Так исследования использования наночастиц серебра в пленках TiO2 показали, что наибольший эффект просветления на характеристики 3-хкаскадного СЭ оказывают на верхний каскад. Установлено, что в диапазоне 300−450 нм внешний квантовый выход каскада GaInP повышается на 20%. Полученные результаты показывают возможность использования пленок TiO2, легированных наночастицами серебра в качестве функциональных покрытий в фотоэлектрических преобразователях коротковолнового (300−450 нм) излучения.

◆项目来源◆

俄罗斯联邦科学与高等教育部

如有意想共同合作实施，

可联系我们，

我们将准备提供更详细的资料。