К арсениду галлия привлечено внимание большого числа исследо­вателей, поскольку в солнечных элементах из этого полупроводника с р—п-переходом в гомогенном материале сразу удалось получить достаточно высокий КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию (т}=4—6%) [150, 151]. Создание р—«-перехода осуществлялось диффузией примеси р-типа — кадмия (впоследствии цинка) — в исходные пластины «-типа.

Несмотря на некоторые недостатки (хрупкость, большая плот-

ность), у арсенида галлия имеются несомненные преимущества пе­ред кремнием. В силу большой ширины запрещенной зоны способ­ность арсенида галлия преобразовывать длинноволновое солнечное излучение ограниченна (арсенид галлия поглощает излучение с дли­ной волны менее 0,9 мкм). Однако это же обстоятельство приводит к значительно меньшим значениям обратного тока насыщения Л=10-9-10~10 А/см2 (в то время как у солнечных элементов из кремния /0=Ю~6—10~7 А/см2) [69, 70], что, в свою очередь, дает возможность получать большие, чем у кремниевых солнечных эле­ментов, значения напряжения холостого хода Uxx (0,7—0,8 В для р—п-перехода в гомогенном материале) и достаточно высокий КПД (10—12% при измерениях на имитаторах внеатмосферного солнеч-* ного излучения). Эти же особенности данного полупроводникового материала обусловливают значительно более медленное падение КПД с ростом температуры, составляющее у солнечных элементов из арсенида галлия 0,25% /°С (у кремниевых элементов 0,45— 0,46%/°С).

Эти преимущества арсенида галлия были полностью подтвержде­ны в ходе более чем десятимесячной эксплуатации солнечных бата­рей, снабжавших электроэнергией советские межпланетные авто­матические аппараты «Луноход-1, -2» [142]. Солнечные батареи из арсенида галлия при температуре 130—140° С на поверхности Луны генерировали выходную электрическую мощность, более чем в два раза превосходившую мощность, ожидаемую по расчетным данным для кремниевых солнечных батарей в этих условиях [142]. В дан­ном случае было особенно важно иметь высокую эффективность ба­тарей, поскольку решение задачи осложнялось ограниченной пло­щадью, на которой могла быть размещена солнечная батарея (откид­ная крышка космического аппарата). На радиатор космического аппарата было нанесено зеркальное теплоотражающее покрытие из радиационно стойких стеклопленок со слоем алюминия или серебра на внутренней поверхности [23]. Отношение интегрального коэффи­циента поглощения солнечного излучения <зс к интегральному коэф­фициенту собственного теплового излучения поверхности е данного покрытия составляло менее 0,2 [23].

В начале и конце лунного дня при малых углах подъема Солнца над лунным горизонтом солнечное излучение, отражаясь от зеркаль­ного радиатора, попадало на откинутую крышку космического ап­парата. В эти моменты с помощью телеметрической информации было четко зафиксировано увеличение тока солнечных батарей и повышение их температуры от 120 до 140° С [142]. Радиатор ис­пользовался одновременно как своеобразный концентратор-отра­жатель.

Такие солнечные элементы с р—^-переходом в гомогенном арсе­ниде галлия целесообразно устанавливать на космических аппара­тах, направляемых как в сторону Солнца, так и к дальним планетам

Солнечной системы [19, 106]. При росте фототока за счет увеличе­ния плотности падающего потока излучения (например, при прибли­жении к Венере или Меркурию) и уменьшении исходного значения обратного тока насыщения h температурный градиент мощности элементов может составить 0,15% /°С, что в три раза меньше, чем у кремниевых солнечных элементов обычной конструкции. Эффек­тивность использования солнечных элементов из арсенида галлия в условиях низкой освещенности (не только в космосе, но и в зем­ных условиях, например для создания высокочувствительных фото — и киноэкспонометров, а также малогабаритных солнечных батарей для электронных часов и калькуляторов) также связана с малыми значениями /0, крутой люкс-амперной характеристикой, резким ростом £7ХХ и напряжения нагрузки при небольшом увеличении по­тока излучения в области весьма низкой освещенности (от несколь­ких единиц до десятков люкс).

Следует сказать, что основные пути усовершенствования солнеч­ных элементов с р—«-переходом в гомогенном кремнии и арсениде галлия практически совпадают: дальнейшее уменьшение глубины залегания р—«-перехода до диапазона 0,1—0,2 мкм; увеличение диф­фузионной длины неосновных носителей заряда в базовом слое; использование встроенных электростатических тянущих полей и до­полнительных изотипных барьеров и р—«-переходов; оптимизация контактной системы, особенно для работы в условиях концентриро­ванных световых потоков, создаваемых с помощью параболических зеркальных отражателей или плоских линз Френеля. Для солнеч­ного элемента из гомогенного арсенида галлия с мелкозалегающим р—«-переходом получено ц=21,1% при освещении солнечным излу­чением со спектром наземного Солнца в условиях АМ1 при степени концентрации 24 и ц=16,9% при степени концентрации 325 [152]. При однократном потоке солнечного излучения со спектром АМ1 и температуре 80° С у таких элементов т)=15,4%, а С/Ж. х==0,97 В.

Компоненты, образующие полупроводниковый материал арсенид галлия, входят еще в целый ряд двойных, тройных и четверных полупроводниковых соединений [153] с близкой к арсениду галлия постоянной кристаллической решетки, но различной шириной запре­щенной зоны, зависящей от химического состава соединения. Тем самым открывается возможность образования на поверхности солнеч­ных элементов из гомогенного арсенида галлия слоя другого полу­проводникового соединения путем создания гетероперехода, причем в силу близости постоянных решетки контактирующих материалов в таком гетеропереходе будут отсутствовать механические напряже­ния и рекомбинационные центры. В то же время плавное изменение химического состава и, следовательно, ширины запрещенной зоны Ее по глубине верхнего слоя гетероперехода позволяет создать так на­зываемую варизонную структуру. Можно, например, получить струк­туру, в которой значение Eg у поверхности велико и уменьшается в глубину,— оптимальный случай для элементов, преобразующих сол-

печное излучение [63, 84]*, поскольку фотоны ультрафиолетового или коротковолнового видимого излучения с большой энергией погло­щаются в самых верхних слоях элементов.

Такие гетероструктуры служат не только для изменения (как правило, расширения) спектральной чувствительности; они позво­ляют создавать в -солнечных элементах из арсенида галлия значи­тельные тянущие электростатические поля как за счет градиента распределения легирующей примеси по глубине элемента (что яв­ляется единственно возможным способом получения тянущих полей в случае кремниевых солнечных элементов), так и за счет градиен­та ширины запрещенной зоны полупроводника.

Один из наиболее простых и оригинальных технологических приемов создания такой плавной варизонной структуры на поверх­ности солнечного элемента из арсенида галлия рассмотрен в работе [154]. При этом для получения структуры использовали не жидкост­ную или газовую эпитаксию, а хорошо отработанную технику термо­диффузии. Для изготовления солнечного элемента использовали пластинку из арсенида галлия н-типа (с Nn=І4-5-1017 см”3 и Рп=3000 см2/ (Вс), в которой путем термодиффузии фосфора в эва­куированной кварцевой ампуле (остаточное давление 10"6 мм рт. ст.) при температуре выше 900° С создавались поверхностный слой фос­фида галлия и тонкая переходная область, состав которой плавно менялся от GaP до GaAs, что соответствовало изменению ширины запрещенной зоны Ей от 2,25 до 1,35 эВ (при комнатной темпера­туре). Общая толщина слоя GaP и переходной варизонной области составляла 5—7 мкм. При последующей термодиффузии акцептор­ной примеси цинка в полученных структурах по аналогичной мето­дике создавались р—^-переходы, глубину залегания которых можно было регулировать с помощью режимов процесса термодиффузии.

Спектральная чувствительность таких элементов показана на рис. 2.17. Изменение вида кривой спектральной чувствительности объясняется различной глубиной залегания р—и-перехода: на

рис. 2.17, а кривая имеет резко йыраженный максимум при Я=0,45 мкм, что обусловлено залеганием р—п-перехода в приповерх­

ностном слое GaP; на рис. 2.17,6, в —два максимума (коротковол­новый при Я=0,45 мкм и длинноволновый при А=0,85 мкм), что соответствует залеганию р-н-перехода в области переменного со­става между фосфидом и арсенидом галлия. Следовательно, спект­ральную чувствительность таких солнечных элементов можно на­правленно изменять в интервале длин волн от 0,45 до 0,85 мкм. При большой глубине термодиффузии цинка и расположении р—н — перехода в чистом арсениде галлия на кривой спектральной чувстви­тельности остается практически один максимум при 0,85 мкм (на рис. 2.17 этот случай не показан). Напряжение холостого хода Uxx солнечных элементов на основе гетероструктуры фосфид галлия— арсенид галлия достигало 0,8 В, однако КПД не превышал 4—5%.*

В дальнейшем было обнаружено, что в силу практически пол­ного соответствия постоянных решетки гетеропереход в системе твердый раствор алюминия в арсениде галлия—арсенид галлия обла­дает весьма малой плотностью состояний и центров рекомбинации на границе раздела [155], благодаря чему в этих структурах обеспе­чивается двустороннее собирание носителей заряда с высоким кван­товым выходом. На основе такой гетероструктуры был создан сол­нечный элемент с г]=11% при измерениях на имитаторе внеатмо­сферного солнечного излучения [116].

Наибольшее распространение нашли солнечные элементы на ос­нове гетеросистем p-Gai-xAlxAs—p-GaAs—н-GaAs, получаемых мето­дом жидкостной или газовой эпитаксии с одновременной термодиф­фузией акцепторной примеси цинка, в которых основной р—^-пере­ход, разделяющий носители заряда, расположен в базовой пластине из арсенида галлия, а слой твердого раствора алюминия в арсениде галлия выполняет роль широкозонного окна-фильтра и благодаря изотипному р—р-переходу на поверхности арсенида галлия практи­чески устраняет потери на поверхностную рекомбинацию [116, 117, 156-164].

Толщина и химический состав широкозонного фильтра могут меняться, существенно влияя на свойства получаемых солнечных элементов. Например, при увеличении толщины этого слоя, а также слоя p-GaAs и степени легирования обоих слоев резко уменьшается последовательное сопротивление элементов (и становится выгодно использовать их при больших концентрациях потока солнечного излучения) {160]; при уменьшении толщины верхних слоев эле­ментов практически исчезают оптические потери на поглощение в этих слоях [158]. Изменение химического состава слоя окна (в частности, содержания алюминия в нем) позволяет создать на поверхности варизонную структуру, помогающую собиранию носи­телей заряда, рождаемых коротковолновым светом в верхних слоях солнечных элементов. Для расчета и оптимизации оптических и электрических свойств солнечных элементов на основе таких гетеро­структур прежде всего необходимо знать зависимость ширины за­прещенной зоны и характера оптических переходов в основной по­

лосе поглощения от состава материала, а также оптические констан­ты полупроводниковых слоев.

Оптические константы монокристаллического и пленочного арсе­нида галлия приведены в работах [28, 29, 158], твердого раствора алюминия в арсениде ~ галлия — в публикациях [158—160], зависи­мость ширины запрещенной зоны этого соединения от его состава — в статье [165], где указано, что для полупроводникового соединения Al*Gat-*As при £<0,4 характерны прямые оптические переходы, а в области 0,4<£<О,8 (предел химической устойчивости соедине­ния) спектральная зависимость коэффициента поглощения имеет вид, типичный для непрямого перехода. Тем самым перед разработ­чиками элементов открывается возможность уменьшить поглощение излучения в слое твердого раствора путем использования для мате­риала окна-фильтра тонкого слоя с большим значением х или ва — ризонной структуры малой толщины (предпочтительно с неболь­шим значением х у поверхности твердый раствор—воздух и высоким значением х у границы раздела твердый раствор—арсенид галлия). При этом необходимо отметить, что в случае достаточно толстых слоев твердых растворов, получаемых технологически достаточно просто и имеющих преимущества с точки зрения создания надеж­ных электрических контактов, целесообразно применять твердые растворы с обратной зависимостью состава от глубины или просто равномерные слои со сравнительно высоким значением х [160].

На рис. 2.18 представлены зависимости ширины запрещенной зоны AlxGai~sAs от состава данного полупроводникового соединения (от величины х) для случая прямых оптических переходов при лю­бых значениях х (кривая 1) и для смешанной модели — прямых оп­тических переходов при £<0,4 и непрямых при #>0,4 (кривая 2) [160, 165]. На рис. 2.19 показаны спектральные зависимости коэф­фициента поглощения AI*Gai-^As для прямых (кривая 1) и непря­мых (кривая 2) оптических переходов, использованные для расчетов коэффициента собирания в работе [160], и аналогичная зависимость для того же соединения при £=0,86 (кривая 3), предложенная в ра боте [158] для смешанпой модели переходов.

Влияние толщины и состава верхних слоев на оптические харак­теристики и КПД солнечных элементов с широкозонным окном — фильтром из Al*Gai.-xAs и р—^-переходом в находящемся под ним монокристаллическом арсениде галлия можно проследить, сравнивая результаты работ, проведенных различными исследователями. На рис. 2.20 представлены экспериментальные спектральные зависи­мости коэффициента собирания носителей заряда солнечного эле­мента из арсенида галлия обычной конструкции с гомогенным р—я — переходом (кривая 1) и гетероструктурой на поверхности (кри­вая 2) [117]. Солнечный элемент с гетероструктурой имел следую­щий состав и толщину слоев: p-Gae>3Al0f7As (8 мкм),р-СаАз (0,7мкм) и n-GaAs (300 мкм). Такие солнечные элементы позволили получить при измерениях в наземных условиях КПД более 20%. В то же

%2}0 — ^ —

1 —• прямые; 2 — смешанные

Рис. 2.20. Спектральная зависимость коэффициента собирания (а) солнечных элементов на основе арсенида галлия с гомогенным р—гс-переходом (2′) и гетеропереходом p-Gao зАІодАб—pGaAs—л-GaAs (2′) и схема расположения слоев в элементах обоих типов (б)

2 — просветляющие и защитные покрытия, 2 — верхний токосъемный контакт;

3 — широкозонное окно-фильтр из слоя твердого раствора p-AI*Gai-xAs; 4 — p-GaAs; З — базовый слой n-GaAs толщиной 250—300 мкм; 6 — тыльный контакт

время в силу сравнительно большой толщины широкозонного окна- фильтра и низкого последовательного сопротивления эти элементы можно эффективно использовать при повышенной плотности потока солнечного излучения, Однако по этой же причине коротковолновый край спектральной чувствительности таких солнечных элементов соответствует 0,51—0,52 мкм (см. рис. 2.20).

Расчетная оптимизация параметров солнечных элементов на ос­нове арсенида галлия с гетеропереходами, проведенная, например, в работах [158, 160, 166], показала, что, уменьшая толщину верх­него слоя твердого раствора и изменяя его состав (увеличивая со­
держание алюминия), можно значительно расширить спектральную чувствительность таких элементов в коротковолновую область спект­ра. Расчетные спектральные зависимости коэффициента собирания солнечных элементов данного типа при разной толщине слоя твер­дого раствора Alo^Gao. uAs и следующих параметрах элементов: толщина слоев p-GaAs и ra-GaAs 1,5 мкм и 250 мкм соответственно* концентрация носителей заряда во всех слоях (1-^3) *1018см“3; в верх­нем слое твердого раствора диффузионная длина Ln=0,5 мкм, подвижность носителей заряда цп=250 см2/(В *с); в p-GaAs слое

Рис. 2.21. Спектральная зависимость коэффициента собирания солнеч­ных элементов структуры р — Alo seGao i4As—p-GaAs (толщиной І— =1,5 мкм)—w-GaAs (£=250 мкм) при разной толщине верхнего слоя твер­дого раствора

1 —1,0 мкм;

#-0,5,

3 — 0,25;

Л—0.1.

f— 0,05 мкм

Ln=5 мкм, цп==2500 см2/(В*с); в гг-GaAs слое £Р=0,5 мкм, хр— «=150 см2/(В*с), представлены на рис. 2.21 [166].

Следует отметить, что высокие значения коэффициента собира­ния данных элементов в длинноволновой области (при А,=0,б4- ■*0,9 мкм) объясняются сравнительно большим значением диффу­зионной длины носителей в p-GaAs (более чем в три раза превы­шающим толщину слоя).

Эксперимент подтверждает результаты расчетов. Вольт-ампер — ная нагрузочная характеристика экспериментальных солнечных эле­ментов [167] говорит о том, что их КПД в условиях наземного Солнца уже заметно превышает 20% и может быть увеличен до 25%, например, за счет использования очень тонких верхних слоев твердого раствора с плавно меняющимися по глубине химическим составом и шириной запрещенной зоны, образующих варизонную структуру [166, 168].