Журнал -производственного предприятия “ КВАНТ“ (стр. 1 )

В НОМЕРЕ:

ФОТОЭНЕРГЕТИКА

, , , Современное состояние работ по созданию технологии МЛЭ высокоэффективных солнечных батарей для косми-ческих аппаратов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  3

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

, ,   Проблемы и перспективы применения литий-ионных аккумуляторов в наземных энергоустановках на основе ВИЭ  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  12

, Перспективы совершенствования и применения литий-ионных аккумуляторов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  21

ЭКОНОМИКА

Нормирование  трудоемкости  производства серебряно-цинковых  аккумуляторов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  29

Зелёная экономика – путь развития государств в XXI веке  .  .  .  39

, , Маркетинг и коммерциализация систем автономной энергетики в условиях формирования «зеленой» экономики  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  42

ЭЛЕКТРОМОБИЛИ

,   МЕТОДИКА  РАСЧЕТА  РАСХОДОВ  НА  ПОДГОТОВКУ  ПРОИЗ-ВОДСТВА Перспективные разработки оборудования для автономных энергосистем и тяговых электроприводов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  45

Доклады конференции смотрите в 32 - 34 номерах журнала

С журналом можно ознакомиться в интернете: npp-kvant. ru

ISSN 0868-8605

Автономная энергетика:

технический прогресс и экономика

№ 34,  2014  г.

Регистрационный номер издания 304

от 01.01.2001 г.

Главный редактор

  Ў

, к. э.н.

       

Редакционная коллегия:

  Ў

, к. т.н.

, д. т.н.

(зам. гл. редактора)

, к. ф-м. н.

, к. т.н.

, к. т.н.

  Научный редактор ? (к. ф-м. н.)

  Редактирование, техническое редактирование,

  компьютерная верстка ?

© «Автономная энергетика: технический прогресс и экономика

       ФОТОЭНЕРГЕТИКА        

Современное состояние работ по созданию технологии МЛЭ высокоэффективных солнечных батарей для космических аппаратов

1, 1, 1,, к. ф-.м. н 1, 

1, к. ф.-м. н., 1, к. ф.-м. н., 1, к. ф.-м. н.,

, к. ф.-м. н.1, 1,2, д. ф.-м. н., 1, к. ф.-м. н.,

1,3, д. ф.-м. н., 1, к. ф.-м. н., 4, д. т.н.,

5, к. ф.-м. н.

1Институт физики полупроводников им. СО РАН, г. Новосибирск,

2ТГУ г. Томск, 3НГУ, Новосибирск, 4НПФ «Электрон», 5СибГАУ, г. Красноярск

•

Введение

Современные высокоэффективные солнечные элементы (СЭ) представляют собой сложные многослойные гетеросистемы. Они состоят из трех основных p-n переходов выполненных из Ge, InGaAs, InGaP  соединенных последовательно туннельными диодами. Поскольку эти материалы совместимы по постоянной кристаллической решетки, гетероструктуры для СЭ на их основе выращиваются в едином ростовом процессе на германиевом p-n переходе-подложке или на арсениде галлия [1 - 3]. Всё большее применение в этом процессе находят нанотехнологии. Мировой рекорд по эффективности трёхпереходных солнечных батарей с КПД вплоть до 44,5 % при интенсивностях солнечного излучения в несколько сотен солнц достигнут в настоящее время американской фирмой Solar Junction при использовании молекулярной эпитаксии [4].

В перспективе крайне желательно заменить дорогие и тяжелые подложки Ge и GaAs на дешевые и легкие кремниевые пластины. Создание высокоэффективных приборов микро-, нано - и фотоэлектроники на основе полупроводниковых наногетероструктур состоящих из соединений AIIIBV, выращенных на дешевых и прочных Si подложках, является одной из приоритетных задач современного полупроводникового материаловедения. Решение этой проблемы крайне важно и для развития высокоэффективной фотовольтаики.

Основной проблемой на этом пути является большие рассогласования постоянных решетки (~ 4 %) и линейного коэффициента термического расширения (до 50 %) кремния с наиболее пригодными и технологически отработанными материалами для каскадных СЭ такими как GaAs, AlGaAs, InGaP, Ge и др., имеющими значения запрещенных зон Eg, близкие в комбинации к оптимальным для эффективного преобразования солнечной энергии. Различия в указанных параметрах обуславливают возникновение прорастающих дислокаций в эпитаксиальных пленках соединений AIIIBV. Прямыми экспериментами было установлено (для гетероструктур GaAs/Si и GaP/Si [3]), что плотность прорастающих дислокаций непосредственно при температуре выращивания может быть снижена до 104 ? 105 см-2, тем не менее, после охлаждения до комнатной температуры она возрастает до 106 - 107 см-2. Таким образом, для любых AIIIBV гетеросистем на подложке Si наиболее критичным оказывается не решёточное несоответствие (в системе GaP/Si, например, оно составляет десятые доли процента), а большая разница в линейных коэффициентах термического расширения сопрягаемых материалов. Отсюда следует, что снижение температуры роста ? один из главных путей получения гетерослоёв с низкой плотностью пронизывающих дислокаций. В этом отношении наиболее подходящей эпитаксиальной технологией является метод молекулярной эпитаксии, позволяющий выращивать арсенид галлия при температуре 150 - 200о С.

Для использования Si в качестве активного слоя необходим прозрачный в области фоточувствительности Si буферный слой, согласующий постоянные решетки подложки и структуры СЭ. Отработка технологии выращивания “прозрачного” буферного слоя с плотностью прорастающих дислокаций менее 106 см-2 является ключевым и наиболее проблемным моментом при создании сверхэффективных каскадных СЭ. При этом буферные слои должны иметь гладкую поверхность при толщине около 1 мкм. В нашей работе показана возможность решения данной проблемы путём выращивания гетероструктур GaAs/GaP/Si с применением на начальной стадии роста нанотехнологии – атомно-слоевой эпитаксии.

К настоящему времени наметилось два пути решения задачи создания СЭ на активной подложке кремния:

Первый путь ? разработка методов получения новых материалов с нужными ширинами запрещенных зон Eg и при этом согласованными по параметру решетки с Si. В мире ведутся весьма интенсивные исследования в этом направлении, связанные, в основном, с использованием азот-содержащих соединений AIII-N-BV. Наиболее подходящим для этих целей считается четверной твердый раствор GaNy(PxAs1-x)1-y. Ширина запрещённой зоны этого материала, в зависимости от соотношения компонентов, может изменяться от 1.5 эВ до 2.0 эВ, при полном согласовании параметра решетки с Si-подложкой. При этом GaNy(PxAs1-x)1-y является квази-прямозонным полупроводником с подходящим для СЭ спектром поглощения. Однако электрофизические параметры таких материалов, и прежде всего, диффузионная длина неосновных носителей заряда, остаются крайне низкими по сегодняшний день. Более того, по мнению ведущих специалистов, вопрос о возможности их улучшения остаётся открытым. Последнее обстоятельство ставит под сомнение перспективность этого направления в принципе.

Второй путь – это создание на кремнии буферного слоя SixGe1-x с “выходом” на постоянную решетки Ge которая очень близка к постоянной решетки соответствующих AIIIBV твёрдых растворов. Этот маршрут в принципе позволяет выращивать на монокристаллических кремневых подложках достаточно высококачественные слои AIIIBV с большими значениями диффузионных длин неосновных носителей заряда и, следовательно, КПД СЭ. Работы в этом направлении ведутся также достаточно широко.

Отметим, что этот подход имеет принципиальный недостаток. И состоит он в том, что буферный слой SixGe1-x, толщина которого не менее 10 микрон, непрозрачен в спектральной области эффективного фотопреобразования в кремнии. Поэтому Si, который сам по себе может использоваться как весьма эффективный элемент многокаскадного СЭ, в данном случае выступает просто как инертная несущая подложка.

В каскадном СЭ крайне желательно использовать Si как активный слой. Для этого необходим буферный слой, согласующий постоянные решетки подложки и структуры СЭ, который должен быть прозрачным в спектральной области фоточувствительности Si. Поэтому нами выбран третий путь, а именно, использование буферных слоев на основе соединений AIIIBV (AlAs, GaAs и др.). Эти соединения прозрачны в области спектральной чувствительности кремния и позволяют «выйти» на постоянную решетки GaAs, что даст возможность выращивать на них изорешеточные с GaAs соединения, AlxGa1-xAs, InxGa1-xPyAs1-y, Inx(AlGa)1-xP, хорошо отработанные в настоящее время для высокоэффективных СЭ. При постоянной решетки GaAs эти твердые растворы имеют Eg близкие к оптимальным для более полного охвата всего диапазона солнечного спектра. Комбинация вышеперечисленных материалов с активным Si позволит создать одну из самых эффективных архитектур 2-х и 3-х каскадных СЭ о реальной разработке которых можно говорить в настоящее время. Так ожидаемый  КПД  для  двухкаскадного СЭ AlGaAs/Si или InGaP/Si (с Eg 1,7/1,1 – 1,8/1,1 эВ) составляет 44 %. Для трехкаскадного InGaP/GaAs/Si (с Eg 1,81/1,4/1,1 эВ) ожидаемый КПД возрастает до 47 %.