Солнечные элементы, обычно используемые в космических аппаратах, являются высокоэффективными, но слишком дорогими для коммерческого использования на Земле. Два метода, HVPE (гидридная парофазная эпитаксия) и предпочтительный MOVPE (металлоорганическая химическая парофазная эпитаксия), были использованы для изготовления этих суперэлементов, достигая эффективности 29,1%. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) говорит, что ее ученые обнаружили метод , D-HVPE, который должен достичь этих эффективностей гораздо дешевле. Они нашли новую технику, чтобы создавать поверхность, используя фосфат алюминия-индия (AlInP), который увеличивает прозрачность, позволяя солнечному свету достигать слоя поглотителя ниже, где фотоны преобразуются в электричество. Результатом является одноканальный солнечный элемент, который может быть изготовлен менее чем за минуту с помощью D-HVPE, что требует более часа использования MOVPE.
Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) добились технологического прорыва для солнечных батарей, ранее считавшихся невозможными.
Они успешно интегрировали источник алюминия в свой реактор гидридной парофазной эпитаксии (HVPE), а затем впервые продемонстрировали рост полупроводникового фосфата алюминия-индия (AlInP) и фосфата алюминия-галлия-индия (AlGaInP) по этой методике.
“Существует приличный объем литературы, которая предполагает, что люди никогда не смогут выращивать эти соединения с помощью гидридной паровой фазовой эпитаксии”, — сказал Кевин Шульте, ученый в центре применения и производительности материалов NREL и ведущий автор новой статьи, посвященной исследованию. “Это одна из причин , по которой многие представители III-V индустрии пошли на метаорганическую парофазную эпитаксию (MOVPE), которая является доминирующей техникой роста III-V. Это нововведение все меняет.”
Высокоэффективные (и дорогие!) солнечные модули на марсоходах
Солнечные элементы III-V, названные так из-за того, что материалы попадают в таблицу Менделеева, обычно используются в космосе. Отличающиеся высокой эффективностью, эти типы клеток слишком дороги для наземного использования, но исследователи разрабатывают методы для снижения этих затрат.
Марсоходы NASA Spirit and Opportunity приземлились на Марс в январе 2004 года
От HVPE к MOVPE к D-HVPE
Один из методов, впервые введенных в NREL, основан на новом методе роста, называемом динамической гидридной паровой фазовой эпитаксией, или D-HVPE. Традиционное HVPE, которое на протяжении десятилетий считалось лучшей техникой для производства светоизлучающих диодов и фотоприемников для телекоммуникационной отрасли, вышло из моды в 1980-е годы с появлением MOVPE. Оба процесса включают в себя осаждение химических паров на подложку, но преимущество принадлежало MOVPE из-за его способности формировать резкие гетероинтерфейсы между двумя различными полупроводниковыми материалами, место, где традиционно боролись HVPE.
Это изменилось с появлением D-HVPE.
Разница в цвете обусловлена различием в составе Al и Ga.
В частности, желтые образцы-это AlInP (no Ga), а оранжевые образцы-AlGaInP.
В более ранней версии HVPE использовалась одна камера, в которой один химический элемент осаждался на подложку, которая затем удалялась. Затем химия роста была заменена на другую, и субстрат вернулся в камеру для следующего химического применения. D-HVPE использует многокамерный реактор. Субстрат двигается назад и вперед между камерами, значительно уменьшая время изготовления фотоэлемента. D-HVPE может за одну минуту произвести солнечную батарею с одним переходом, на изготовление которой с помощью MOVPE потребуется час или два.
«Широкая запрещенная зона»
Несмотря на эти достижения, MOVPE по-прежнему обладала еще одним преимуществом: возможностью депонирования материалов с широкой полосой пропускания, содержащих алюминий, что обеспечивает высокую эффективность солнечных элементов. HVPE уже давно борется с ростом этих материалов из-за трудностей с химической природой обычного алюмосодержащего предшественника, монохлорида алюминия.
Исследователи всегда планировали вводить алюминий в D-HVPE, но сначала сосредоточили свои усилия на проверке метода роста.
“Мы пытались продвигать технологию вперед шагами, а не пытаться сделать все это сразу”, — сказал Шульте. “Мы подтвердили, что можем выращивать высококачественные материалы. Мы подтвердили, что можем выращивать более сложные устройства. Теперь следующий шаг для развития технологии — это алюминий.”
Соавторами Шульте из NREL являются Вондвосэн Метафериа, Джон Саймон, Дэвид Гилинг и Аарон Дж. Птак. Компания разработала способ получения уникальной алюминийсодержащей молекулы, которая затем могла бы поступать в камеру D-HVPE.
Ученые использовали генератор трихлорида алюминия, который нагревался до 400 градусов Цельсия для получения трихлорида алюминия из твердого алюминия и хлористого водорода газа. Трихлорид алюминия является гораздо более стабильным в реакторной среде HVPE, чем монохлоридная форма. Остальные компоненты — хлорид галлия и хлорид Индия — подвергались испарению при 800 градусах Цельсия. Эти три элемента были объединены и нанесены на подложку при температуре 650 градусов Цельсия.
Эффективность 29,1%
Используя D-HVPE, ученые NREL ранее были в состоянии сделать солнечные элементы из арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия-галлия (GaInP). В этих ячейках GaInP используется в качестве «оконного слоя», который пассивирует переднюю поверхность и позволяет солнечному свету достигать слоя поглотителя GaAs ниже, где фотоны преобразуются в электричество. Этот слой должен быть максимально прозрачным, но GaInP не настолько прозрачен, как фосфид алюминия-индия (AlInP), используемый в выращенных на MOVPE солнечных элементах. Текущий мировой рекорд эффективности для выращенных в MOVPE солнечных элементов GaAs, которые включают оконные слои AlInP, составляет 29,1% . При использовании только GaInP максимальный КПД для солнечных элементов, выращенных методом HVPE, оценивается всего в 27%.
Теперь, когда алюминий был добавлен в смесь D-HVPE, ученые заявили, что они смогут достичь паритета с солнечными элементами, изготовленными с помощью MOVPE.
«Процесс HVPE является более дешевым процессом», — сказал Птак, старший научный сотрудник Национального центра фотовольтаики NREL. «Теперь мы показали путь к той же эффективности, что и другие ребята, но с более дешевой техникой. Раньше мы были несколько менее эффективны, но дешевле. Теперь есть возможность быть точно такими же эффективными и дешевыми.”
