Highly Efficient Photovoltaic Laser Power Converters

Viacheslav M. Andreev; Андреев Вячеслав Михайлович; Nikolay A. Kalyuzhnyy; Калюжный Николай Александрович; Aleksandra V. Malevskaya; Малевская Александра Вячеславовна; Mariia V. Nakhimovitch; Нахимович Мария Валерьевна; Maxim Z. Shvarts; Шварц Максим Зиновьевич

doi:10.22363/2312-8143-2024-25-1-75-85

Высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи мощного лазерного излучения

Авторы: Андреев В.М.¹, Калюжный Н.А.¹, Малевская А.В.¹, Нахимович М.В.¹, Шварц М.З.¹
Учреждения:
1. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Выпуск: Том 25, № 1 (2024)
Страницы: 75-85
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/38549
DOI: https://doi.org/10.22363/2312-8143-2024-25-1-75-85
EDN: https://elibrary.ru/EALRET

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения нашло широкое применение в волоконно-оптических линиях связи. Передача энергии по лазерному лучу также актуальна для систем дистанционного энергопитания на Земле и в космосе. Данные системы могут найти применение для подпитки беспилотных летательных аппаратов, для передачи лазерной энергии между космическими аппаратами и с космических солнечных батарей на Землю. Одной из главных задач при создании таких систем является обеспечение высокой эффективности фотоэлектрических преобразователей при повышенной мощности (более 100 Вт/см2) лазерного излучения. Представлены результаты исследований и разработок фотоэлектрических преобразователей мощного лазерного излучения на основе наногетероструктур, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии. Повышение КПД достигнуто путем встраивания в структуру тыльного комбинированного отражателя «диэлектрик-серебро». Увеличение генерируемого напряжения достигнуто путем смещения области объемного заряда в широкозонный слой p-GaAs-n-AlxGa1-xAs гетероперехода. Благодаря дополнительному снижению омических потерь достигнуты значения КПД > 60 % при мощности лазерного излучения (λ = 860 нм) в диапазоне 50-400 Вт/см2.

Ключевые слова

фотоэлектрический преобразователь, AlGaAs/ GaAs гетероструктура, лазерное излучение, брэгговский отражатель

Полный текст

Введение Для дальних волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) наибольшее распространение получили фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) лазерного излучения на основе системы InGaAs/InP, перекрывающие спектральный диапазон излучения лазеров 1,55 мкм, в котором достигнуты минимальные оптические потери и минимальная дисперсия в оптических волокнах, что очень важно для ВОЛС большой протяженности. Однако для ВОЛС малой протяженности (внутриобъектовых и др. длиной менее 1 км) затухание излучения λ = 0,8 мкм составляет менее 1 дБ и потери в волокне не играют заметной роли. ФЭП на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур обеспечивает максимальный КПД при длине волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, что делает их наиболее перспективными для систем передачи энергии по лазерному лучу. Таким образом, для коротких ВОЛС, а также для передачи энергии по открытому оптическому каналу на Земле и в космосе использование ФЭП на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры не только приемлемо, но и может быть в ряде случаев предпочтительным. Впервые гетероструктурные AlGaAs/GaAs фотоэлементы были созданы в ФТИ им. А.Ф. Иоффе под руководством Ж.И. Алферова [1-4]. Исполь- зование этих гетероструктур для фотопреобразователей мощного лазерного излучения обеспечивает следующие преимущества: - GaAs ФЭП имеют большее значение КПД. Теоретическое значение КПД в GaAs ФЭП, работающем в фотовольтаическом режиме (без внешнего напряжения) для мощного (более 102 Вт/см2) лазерного излучения (λ = 0,85 мкм), превышает 80 %; - GaAs ФЭП имеют лучшую температурную стабильность генерируемого напряжения и, следовательно, меньшее значение температурного коэффициента КПД ηТ = 1,4·10-3 град-1 при плотности фототока 30 А/см2 (в 1,8 раза меньше, чем в ФЭП на основе Si и в 3 раза меньше, чем в InGaAs ФЭП). Если при использовании ФЭП в системах передачи информации главным требованием является повышение быстродействия ФЭП, то в системах передачи энергии по лазерному лучу главными параметрами ФЭП являются предельная генерируемая мощность и КПД [5-11]. Наибольший интерес для систем передачи энергии представляют длины волн, соответствующие имеющимся мощным источникам лазерного излучения и окнам прозрачности как оптического волокна, так и атмосферы: 808, 970, 1070, 1300 и 1550 нм (рис. 1). Рис. 1. Спектры фотоответа и соответствующие структуры фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения И с т о ч н и к: составлено авторами Н.А. Калюжным, М.З. Шварцем Figure 1. Spectral photoresponse and corresponding structures of laser power photovoltaic converters S o u r c e: made by the authors N.A. Kalyuzhnyy, M.Z. Shvarts На рис. 1 вверху приведены спектры фотоответа ФЭП на основе различных материалов, указанных в нижней части. Для создания «длинноволновых» ФЭП мощного лазерного излучения в диапазоне 1,3-1,55 мкм перспективны материалы, в которых достигнут КПД ~45 %: - In0,53Ga0,47As/InP (край поглощения ~ 1,65 мкм) [12]; - GaSb (~1,68 мкм) [13]. ФЭП на основе полупроводников с меньшей шириной запрещенной зоны имеют меньшие значения КПД из-за потерь на термализацию, например, на основе Ge (край поглощения 1,88 мкм) [14; 15]. В «микронном» спектральном диапазоне метаморфные структуры InxGa1-xAs на подложках GaAs [16-18] показали эффективность более 52 % для λ = 1,06 мкм (6,5 Вт/см2) и 55 % для λ = 1,02 мкм (4 Вт/см2) [17] и КПД > 48 % при мощности лазерного излучения 13 Вт/см2 [16]. В спектральном диапазоне 800-870 нм наи- большую эффективность имеют ФЭП на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур. Максимальные теоретические значения КПД мощных фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения с длиной волны 800-860 нм превышают 85 % при плотности излучения более 100 Вт/см2 [19]. Практически достигнутые значения КПД для ФЭП на основе GaAs, составляют: КПД = 55 % при плотности мощности лазерного излучения Р = 36 Вт/см2 [19], КПД = 54 % при Р = 800-1000 Вт/см2 [20] и КПД = 60 % при Р = 10 Вт/см2 [21]. Рекордное значение КПД ~ 69 % получено [22] при Р = 11 Вт/см2 как за счет смещения области пространственного заряда фотоактивного гетероструктурного p-n перехода в область широкозонного слоя AlGaAs, так и за счет тыльного отражателя. 1. Предельные теоретические значения КПД фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения Полупроводниковые соединения типа А3В5 с «прямой» структурой зон являются наиболее перспективными материалами для создания мощных фотопреобразователей. AlGaAs/GaAs, InGaAsP/InP и GaSb являются материалами, на основе которых могут быть созданы такие ФЭП. При этом GaAs обеспечивает эффективное преобразование лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,8-0,87 мкм, а на основе InGaAsP/InP и GaSb могут быть изготовлены ФЭП на спектральный диапазон излучения 1,3-1,55 мкм [23]. Согласно оценкам, представленным в разделе 1.4 монографии [1], максимальное теоретическое значение КПД преобразования лазерного излучения (hν = 1,424 эВ, λ = 0,87 мкм) превышает ~ 80% при 300 К (рис. 2) при величине фототока более 10 А/см2. Граничная длина волны λГ, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале ФЭП с шириной запрещенной зоны Еg, равна λГ = 1,24 / Eg. Фотоны с энергиями hv > Eg создают «горячие» носители тока, имеющие, помимо избыточной потенциальной энергии Еg, еще и избыточную кинетическую энергию, равную разности hv-Eg. Однако эта кинетическая энергия быстро расходуется на нагревание кристаллической решетки (носители термализуются, т.е. приходят в тепловое равновесие с решеткой). Таким образом, в потенциальную энергию электронно-дырочных пар преобразуется лишь часть высокоэнергетичных фотонов. Значения «монохроматического» КПД (при hv = Eg) показаны линиями 1, 2, и 3 на рис. 2 для трех значений фототока iф. На этом рисунке по оси абсцисс отложена длина волны, которую в данном случае следует рассматривать как граничную длину волны для каждого полупроводникового материала. Для каждого материала значения КПД преобразования более коротковолнового по сравнению с λГ излучения должны быть уменьшены в λ/λГ раз, что в качестве примера изображено четырьмя наклонными прямыми для материалов InGaP (4) GaAs (5), GaSb, InGaAs (6) и Ge (7) и iф = 1,0 А·см-2. Максимум для КПД идеализированного фотоэлектрического преобразователя лазерной энергии на основе каждого из выбранных материалов увеличивается с увеличением плотности фототока, т.е. с увеличением мощности лазерного излучения, и уменьшается с увеличением длины волны лазерного излучения. При этом для лазерного излучения с энергией 0,8-0,87 мкм оптимальным материалом для изготовления ФЭП является GaAs (теоретическое значение КПД > 80%), а для лазерного излучения с длиной волны 1,3-1,55 мкм полупроводники GaSb и твердые растворы InGaAsP, InGaAs (теоретическое значение КПД ~ 50 ÷ 60%). Значения КПД на рис. 2 рассчитаны в предположении нулевых оптических потерь излучения на отражение света от поверхности ФЭП и на затенение контактами и нулевых рекомбинационных потерях фотогенерированных электронно- Рис. 2. Максимальные значения монохроматического КПД для величин фототока iф = 0.1; 1.0 и 10 A·cм-2 (линии 1, 2, 3, соответственно) в зависимости от граничной длины волны полупроводникового материала; 4, 5, 6, 7 - КПД преобразования энергии монохроматического излучения для идеализированных ФЭП на основе InGaP, GaAs, InGaAs (GaSb) и Ge соответственно в зависимости от длины волны преобразуемого излучения И с т о ч н и к: составлено авторами В.М. Андреевым, М.З. Шварцем Figure 2. Plots of maximum magnitudes of the monochromatic efficiency for photocurrect densities if = 0.1;1.0 and 10 A·cm-2 (lines 1,2,3 respectively), which depend on boundary wavelength of the semiconductor material; lines 4, 5, 6, 7 - conversion efficiency of monochromatic radiation for idealized photovoltaic converters based on InGaP, GaAs, InGaAs (GaSb), Ge respectively which depend on wavelength of converted radiation S o u r c e: made by the authors V.M. Andreev, M.Z. Shvarts дырочных пар до их разделения p-n-переходом. Не учитывались также потери, связанные с протеканием в объеме p- и n-области ФЭП фотогенерированных носителей тока. Причинами оптических потерь в преобразователях лазерного излучения являются отражение части излучения от поверхности ФЭП и затенение контактной сеткой. Снижение коэффициента отражения R достигается нанесением на поверхность ФЭП просветляющих покрытий в виде тонких пленок, обеспечивающих интерференцию и взаимное гашение световых волн, отраженных от поверхности пленки и от границы пленка - полупроводник. Интегральный коэффициент отражения, таким образом, может быть уменьшен от R ≈ 30 % для непросветленной поверхности до R < 1 % при использовании многослойных просветляющих покрытий. Вторую часть оптических потерь в ФЭП составляют потери на затенение светочувствитель- ной поверхности электрическим контактом к освещаемой области р-n-перехода. Для снижения омических потерь контакт обычно выполняется в виде металлической сетки с шагом от 100-200 мкм (для преобразования лазерного излучения средней мощности - 1-10 Вт/см2) до 50 мкм (для преобразования более мощного лазерного излучения). При этом потери на затенение могут составлять от нескольких процентов до 10 %. Основным способом повышения фоточувствительности является увеличение времени жиз- ни генерированных электронов (дырок), приводящее к увеличению КПД, что достигается использованием материала более высокого качества. Поверхностную рекомбинацию на тыльной стороне фотоактивной области ФЭП уменьшают при создании потенциального барьера за счет создания тыльного широкозонного барьера (рис. 3). Для уменьшения рекомбинационных потерь и эффективного собирания носителей тока, отраженных от тыльного потенциального барьера, уменьшают толщину базовой области. Однако при этом увеличивается прозрачность структуры для излучения с hv Eg. Эффективным путем снижения потерь для этого излучения является использование встроенного брэгговского зеркала, состоящего из периодической структуры с чередованием слоев GaAs и AlAs, имеющих различную оптическую плотность. Недостатком брэгговского зеркала является обеспечение высокого коэффициента отражения только внутри телесного угла с раскрытием ± 20 угловых градусов, что не позволяет обеспечить отражение рекомбинационного излучения, генерированного неразделенными р-n-переходом электронно-дырочными парами. Более эффективное отражение и рециркуляцию фотонов обеспечивает тыльный Ag-отражатель, встроенный в структуру. ФЭП такого типа с Agотражателем будут рассмотрены в последнем разделе статьи. 2. Фотоэлектрические преобразователи мощного лазерного излучения на основе AlGaAs/GaAs структур На рис. 3 показана AlGaAs/GaAs структура фотоэлектрических преобразователей мощного лазерного излучения (λ = 800-870 нм), получаемых методом МОС-гидридной эпитаксии на подложках n-GaAs. Первый слой n-AlxGa1-xAs (x = 0,2-0,3) в структуре, показанной на рис. 3, выполняет функцию потенциального барьера для носителей тока, генерированных в фотоактивной области, включающей слои n-GaAs и p-GaAs, суммарной толщиной порядка 2 мкм. Фронтальный сильно легированный слой р-AlxGa1-xAs (x = 0,15-0,2) выполняет функцию широкозонного «окна», прозрачного для излучения с длиной волны 820-870 нм. Этот слой выращивается с повышенным уровнем легирования (1019 см-3) для снижения сопротивления растекания для носителей тока, генерированных между токоотводящими полосковыми контактами. Рис. 3. Гетероструктура фотоэлектрического преобразователя мощного лазерного излучения И с т о ч н и к: составлено авторами В.М. Андреевым, Н.А. Калюжным Figure 3. Heterostructure of photovoltaic laser power converter S o u r c e: made by the authors V.M. Andreev, N.A. Kalyuzhnyy Рис. 4. Зависимость напряжения холостого хода (кривая 1) и КПД (2) от мощности импульсного лазерного излучения (нижняя шкала абсцисс) и от плотности мощности (верхняя шкала) AlGaAs/GaAs фотопреобразователя И с т о ч н и к: составлено авторами М.В. Нахимовичем, М.З. Шварцем Figure 4. Plots of open-circuit voltage (1) and conversion efficiency (2) vs. laser pulse power (bottom scale) and power density (top scale) for AlGaAs/GaAs photovoltaic converter S o u r c e: made by the authors M.V. Nakhimovitch, M.Z. Shvarts На рис. 4 приведены основные характеристики ФЭП лазерного излучения с длиной волны 840 нм, оптимизированного для работы при повышенной мощности (более 102 Вт/см2) излучения [20]. Гетероструктура ФЭП подобна изображенной на рис. 3 при ширине контактных полос 6 мкм и шаге 50 мкм, что обеспечивает минимизацию омических потерь в ФЭП при высокой мощности лазерного излучения. Измерения проводились под импульсным лазерным облучением с длительностью импульсов 300 нс. При максимальной мощности облучения (~ 104 Вт/см2) достигнуто значение напряжения холостого хода, равное 1,32 В. Максимальная величина КПД = 54 % получена при мощности лазерного излучения 1,4 кВт/см2. Рис. 5. Гетероструктура высокоэффективного фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения с Al0.3Ga0.7As слоем в области пространственного заряда p-n-перехода и с тыльным Ag-отражателем И с т о ч н и к: составлено авторами В.М. Андреевым, А.В. Малевской Figure 5. Photovoltaic converter heterostructure with Al0.3Ga0.7As in space charge of the p-n-junction and with rear Ag-reflector S o u r c e: made by the authors V.M. Andreev, A.V. Malevskaya На рис. 5 представлена разработанная гетероструктура фотоэлектрического преобразователя, основными особенностями которой являются встроенное Ag-зеркало и выполнение фотоактивной области на основе n-Al0.35Ga0.65As/p-GaAs гетероперехода со встроенным в гетеропереход слоем AlxGa1-xAs, включая плавный гетеропереход с линейным увеличением содержания AlAs от х = 0 близи слоя p-GaAs до х = 0,3 вблизи слоя n-Al0.3Ga0.7As. 3. Высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи на основе гетероструктур с тыльным Ag-отражателем Смещение широкозонного материала в область пространственного заряда p-n-гетеропере- хода уменьшает темновой ток насыщения, что обеспечивает увеличение напряжения в точке оптимальной нагрузки и рост КПД. Увеличение КПД получено также благодаря формированию в структуре тыльного Ag-отражателя и возврата в активную область рекомбинационного излучения, генерированного при рекомбинации части электронно-дырочных пар, не разделенных полем p-n-перехода. Это рекомбинационное излучение является изотропным, распространяющимся от p-n-перехода равновероятно во всех направлениях. Для эффективного внутреннего отражения и преобразования вторичного рекомбинационного излучения была разработана «инверсная» эпитаксиальная структура с удаляемой подложкой и технология комбинированного отражателя в виде слоя серебра, нанесенного на промежуточный слой диэлектрика (TiOx + SiO2). Такое зеркало обеспечивает двухстадийное отражение: полное внутреннее отражение «латеральных» лучей, падающих на границу полупроводник/ диэлектрик под углами, превосходящими угол полного внутреннего отражения, и отражение лучей, падающих на Ag-зеркало под углами, меньшими угла полного отражения от границы полупроводник/диэлектрик. Процессы рециркуляции и перепоглощения фотонов, происходящие благодаря тыльному отражателю, обеспечивают увеличение эффективного времени жизни генерированных носителей тока, увеличение фототока и генерируемого напряжения ФЭП. Постростовая технология изготовления чипов ФЭП (см. рис. 5) включала встраивание в структуру Ag-отражателя путем переноса гетероструктуры на пластину-носитель p-GaAs. Сначала на фронтальной поверхности гетероструктуры к слою р-Al0.16Ga0.84As изготавливались точеные металлические контакты с затенением 2 % поверхности. Затем в местах, свободных от точечных контактов, наносилось диэлектрическое покрытие TiOx/SiO2, обеспечивающее планаризацию поверхности и защиту напыляемого на SiO2 слоя серебра от взаимодействия (спекания) со слоем р-Al0.16Ga0.84As и для увеличения коэффициента отражения тыльного зеркала за счет использования эффекта полного внутреннего отражения от границы полупроводник/диэлектрик. Перенос гетероструктуры на пластину-носитель р-GaAs осуществлялся путем сплавления с использованием электропроводящего сплава Au-In. Далее осуществлялось удаление ростовой подложки n-GaAs до «жертвенного» слоя Al0.9Ga0.1As и стравливание «жертвенного» слоя. Далее осуществлялось «переворачивание» гетероструктуры, изготавливались фронтальные полосковые контакты к n-Al0.16Ga0.84As (ширина полос 6 мкм, шаг 50 мкм), наносилось антиотражающее покрытие (ARC) и осуществлялось формирование чипа ФЭП с фоточувствительной областью диаметром 500 мкм с контактными полосами шириной 6 мкм и с шагом 50 мкм. На рис. 6 (кривая 1) приведена спектральная зависимость внешней фоточувствительности (SRext) и коэффициента отражения (кривая 2) от поверхности ФЭП с антиотражающим покрытием TiOx/SiO2. На спектрах отражения в спектральном диапазоне более 850 нм наблюдаются пики фоточувствительности и отражения вследствие интерференции в тонких слоях диэлектриков (TiOx и SiO2). На рис. 7 приведены зависимости параметров разработанных ФЭП от плотности мощности импульсного (300 мкс) лазерного излучения. Значение фактора заполнения ВАХ составляют: FF = 87 % при Р = 60-170 Вт/см2 и FF = 79% при Р = 550 Вт/см2. Напряжение холостого хода (Voc) в ФЭП увеличивается от Voc = 1,26 В при Р = 170 В/см2 и до Voc = 1,28 В при Р = 550 Вт/см2. Полученные значения напряжения холостого хода превышают значения Voc, полученные в ФЭП на основе структур с гомо p-n-переходом в GaAs без тыльного отражателя. Существенное увеличение Voc в разработанных ФЭП получено благодаря включению широкозонного слоя AlхGa1хAs в область объемного заряда гетероперехода p-GaAs/n-AlхGa1-хAs и благодаря внутреннему переотражению (рециклированию) «подзонных» фотонов от встроенного тыльного отражателя. Максимальное значение КПД > 60 % достиг- нуто в изготовленных ФЭП при длине волны лазерного излучения 860 нм в даипазоне плот- ности мощности 50-400 Вт/см2 (рис. 7, кривая 1). При максимальной мощности Р = 550 Вт/см2 получен КПД = 57,8 %. Рис. 6. Спектры фотоответа (1), коэффициента отражения (2) фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения с тыльным Ag-отражателем и спектральная зависимость предельной теоретической фоточувствительности (3) И с т о ч н и к: составлено авторами М.В. Нахимовичем, М.З. Шварцем Figure 6. Spectral photoresponse (1), reflection coefficient of photovoltaic laser power converter with rear Ag-reflector (2), and theoretical maximum of spectral photoresponse (3) S o u r c e: made by the authors M.V. Nakhimovitch, M.Z. Shvarts Рис. 7. Зависимости КПД (Eff) фотопреобразователя лазерного излучения при λ = 860 нм (кривая 1) и при λ = 800 нм (2), фактора заполнения (FF) (3) нагрузочной вольтамперной характеристики и напряжения холостого хода (Voc) (4) от плотности мощности лазерного излучения И с т о ч н и к: составлено авторами М.В. Нахимовичем, М.З. Шварцем Figure 7. Photovoltaic converter efficiency (Eff) of laser radiation at λ = 860 nm (curve 1) and λ = 800 nm (2), fillfactor (FF) (3) of voltage-current characteristics and open circuit voltage (Voc) (4) depending of the value of laser power density S o u r c e: made by the authors M.V. Nakhimovitch, M.Z. Shvarts Заключение Разработаны фотоэлектрические преобразователи мощного (более 100 Вт/см2) лазерного излучения с длиной волны 800-860 нм. ФЭП изготовлены на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии. ФЭП включают узкозонную активную область в GaAs, окруженную широкозонными фронтальным и тыльным слоями. Для повышения генерируемого напряжения активная область была выполнена на основе гетероперехода Al0.3Ga0.7As/p-GaAs со встроенным «градиентным» слоем AlхGa1-хAs, сглаживающим потенциальные барьеры. В структуру ФЭП добавлен тыльный Ag-отражатель, обеспечивающий отражение фотонов в активную область ФЭП и снижение рекомбинационных потерь. Максимальный КПД > 60% преобразования лазерного излучения (λ = 860 нм) достигнут в диапазоне плотности мощности лазерного излучения 50-400 Вт/см2. Разработанные ФЭП, обеспечивающие высокоэффективное преобразование мощного лазерного