Ultrathin high-efficiency solar cells based on AIIIBV/Ge heterostructures for space applications

Full Text

Введение В настоящее время имеется острая потребность улучшения энергомассовых характеристик солнечных батарей для космических аппаратов. Особенно важное значение эти характеристики будут иметь при построении солнечного аэрокосмического многофункционального энерготехнологического комплекса с дистанционной передачей энергии по СВЧ и лазерным каналам. Такие комплексы предполагают применение большого числа солнечных батарей с высокой мощностью генерируемой энергии. Для решения этой задачи необходимо увеличение КПД преобразования солнечной энергии в электрическую и снижение веса солнечных элементов (СЭ). Наиболее широко используемые солнечные батареи изготавливаются на основе соединений AIIIBV, которые обладают наибольшей эффективностью. Благодаря интен- сивным исследованиям эффективность СЭ на AIIIBV непрерывно увеличивается и растет примерно на 1 абсолютный процент в год [1]. В настоящее время для космических аппаратов (КА) используются СЭ на гетероструктурах - AIIIBV на подложках германия с КПД около 30 %. Ожидается, что в ближайшие несколько лет эффективность солнечных батарей на соединениях AIIIBV для космоса может приблизиться к 40 %. Для таких батарей необходимы высокоэффективные, легкие и желательно гибкие СЭ. 1. Инвертированный эпитаксиальный метаморфный рост солнечных элементов Для достижения высоких КПД необходимы новые архитектуры и качественные полупроводниковые материалы, оптимизированные по фотоэлектрическим параметрам. С этой целью разрабатываются сверхтонкие многокаскадные вы- Nikiforov A.I., Pakhanov N.A., Pchelyakov O.P., Latyshev A.V. RUDN Journal of Engineering Research. 2024;25(1):52 сокоэффективные СЭ на гетероструктурах AIIIBV, например InGaP/GaAs/GaInAs, получаемые инвертированным эпитаксиальным метаморфным ростом. Далее гетероструктура отделяется от подложки за счет создания в процессе роста и последующего вытравливания в HF Рис. 1. Схема отделения и переноса гетероструктуры на легкий носитель для инвертированного эпитаксиального метаморфного роста [2] Figure 1. Scheme of separation and transfer of heterostructure to a light carrier for inverted epitaxial metamorphic growth [2] жертвенного слоя, который находится между подложкой и активной областью гетероструктуры. После этого гетероструктура переносится на новый легкий носитель [2]. Схематично технология отделения и переноса представлена на рис. 1. Несмотря на значительные и многолетние усилия ведущих мировых производителей производство СБ на гетероструктурах InGaP/GaAs/ GaInAs довести до реальных коммерческих панелей до настоящего времени не удалось из-за сложности данной технологии. Это связано с недостатками данного метода, а именно с длительностью нахождения гетероструктуры в плавиковой кислоте (сутки и более) при вытравливании жертвенного слоя и отделении от подложки. К тому же при отделении от подложки такие сверхтонкие структуры (толщиной около 5 мик- рон) могут ломаются ввиду их крайней хрупкости, что снижает процент выхода годных. Положительной стороной данной технологии отделения является возможное повторное использование подложки. Недостатком является также наличие в данной архитектуре СЭ толстого укрепляющего металлического слоя (25-50 мкм), что значительно увеличивает вес элемента [2]. 2. Утонения Ge-подложки на гетероструктурах AIIIBV/Ge Уменьшение толщины таких СЭ до желаемых 20-50 мкм, а также дальнейшие послеростовые операции, ввиду их крайней хрупкости, являются сложной технологической проблемой. Именно поэтому СЭ на Ge p-n-переходе имеют высокую удельную массу и поэтому их стараются заменить на СЭ, выращенные инвертированным эпитаксиальным метаморфным ростом с последующим отделением подложки. Такие тонкие и легкие СЭ толщиной до 20 мкм с удельной массой до 34 мг/см2 на гетероструктуре InGaP/GaAs/ Ge созданы фирмой AZUR Space Solar Power [3]. Утоненные СЭ прошли успешные летные испытания на немецком тeхнологическом спутнике ТЕТ-1, запущенном в 2012 г. на российском носителе Союз. Наилучшую эффективность показали самые тонкие (20 мкм) СЭ. Однако технология создания таких СЭ является ноу-хау и не разглашается. Другим, более технологичным, предложенным нами в [4] способом утонения Ge-подложки на гетероструктурах AIIIBV/Ge до толщин 20 мкм является химическое травление германия с применением временного химически стойкого технологического носителя (рис. 2). Как показано в [3], такой толщины вполне достаточно для полноценной роботы Ge-каскада. Это позволяет уменьшить удельную массу СЭ на 70-80 % [3]. Наиболее удобным технологическим носителем является REVALPHA [5]. С одной стороны, он Никифоров А.И., Паханов Н.А. и др. Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2024. Т. 25. № 1. С. 52 имеет клеевой слой, который очень удобно наносится на СЭ, а также просто удаляется при нагревании до определенной заданной температуры: 90, 120, 150 или 170 оС. Технология утонения германиевой подложки с использованием технологического носителя заключается в следующем: выращенный на германиевой подложке СЭ с контактной сеткой, просветляющим покрытием и защитным от радиации стеклом, но без тыльного металлического контакта, приклеивается лицевой стороной (защитным стеклом) на технологический носитель. Таким образом получается достаточно прочная конструкция, опирающаяся на стекло (толщина 100 мкм) плюс REVALPHA (толщина 100-180 мкм), что позволяет проводить все дальнейшие операции практически без риска разрушить ГС. Далее Ge подложка травится до нужной толщины (при этом планарная сторона защищена технологическим носителем). Затем создается тыльный контакт и носитель легко и чисто удаляется нагреванием [6]. Рис. 2. Схема методики утонения подложки СЭ с использованием технологического носителя [4] Figure 2. Scheme of the technique for refining the substrate of a solar cell using a technological carrier [4] Апробация данной методики проводилась на СЭ с защитным стеклом и коварными контактами. Начальная толщина германиевого слоя составляла 180 мкм, конечная 50 мкм. При этом удельная масса уменьшилась с 116 мг/см2 до 63 мг/см2. Травление проводилось в растворе H3PO4-H2O2-H2O [6] в течение 180 минут после сошлифовывания многослойного тыльного контакта. Новый контакт создавался напылением сплошного слоя индия толщиной один микрон. Далее СЭ приклеивался проводящим эпоксидным клеем к металлизированному In углепластику. Верхний контакт изолирован. Измерение вольтамперных характеристик утоненного солнечного элемента показало, что для наземного спектра (АМ1.5D - 1000 Вт/м2) значения параметров утоненного образца совпадают со штатными значениями исходных СЭ InGaP/GaInAs/Ge. Они составляют: напряжение холостого хода Voc = 2,66718 В, плотность тока Joc = 0,014 А/см2. Несколько ниже ожидаемой оказалась эффективность Eeff = 28,7 %, что, скорее всего, связано с возникновением дефектов при сошлифовывании металла тыльного контакта. Понятно, что в реальной технологической цепочке нанесение тыльного контакта до травления исключается. Большие перспективы представляет использование предлагаемых сверхтонких СЭ совместно с разработанными в России предприятиями НПП «Технология» и НПП «ТАИС» сверхлегкими углепластиковыми каркасами для солнечных батарей с удельной массой 0,5 кг/м2. В этом случае результирующая удельная масса солнечных батарей может быть уменьшена до рекордно низкой величины - 1 кг/см2. Особенно важно, что такой тип панелей может обеспечить гораздо более плотную упаковку СЭ, увеличить площадь и, следовательно, мощность при сохранении веса солнечных батарей. Заключение Таким образом, технология химического утонения подложки открывает дополнительную возможность создания высокоэффективных тонких и легких СЭ на массово производимых в настоящее время гетероструктурах - AIIIBV /Ge, с высоким процентом выхода годных СЭ, а также удобного способа их переноса на постоянный Nikiforov A.I., Pakhanov N.A., Pchelyakov O.P., Latyshev A.V. RUDN Journal of Engineering Research. 2024;25(1):52 гибкий легкий носитель. При этом эффективность таких СЭ в перспективе не должна уступать исходному солнечному элементу на обычной подложке.

About the authors

Alexandr I. Nikiforov

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS

Author for correspondence.
Email: nikif@isp.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-0583-0508
SPIN-code: 6815-6777

Doctor of Physics and Mathematics Sciences, Head of Laboratory

Novosibirsk, Russia

Nikolai A. Pakhanov

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS

Email: pakhanov@isp.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-3999-5231

Candidate of Physics and Mathematics Sciences, Leading Engineer

Novosibirsk, Russia

Oleg P. Pchelyakov

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS

Email: pch@isp.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-0520-5905

Doctor of Physics and Mathematics Sciences, Professor, Head of Department

Novosibirsk, Russia

Alexandr V. Latyshev

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS

Email: latyshev@isp.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-4016-593X

Doctor of Physics and Mathematics Sciences, RAS Academician, Director

Novosibirsk, Russia

References

Supplementary files