Фотоэлектрические преобразователи излучения на основе узкозонных полупроводников (GaSb, Ge, InAs)
Диссертация
Помимо солнечных элементов принцип фотоэлектрического, преобразования излучения реализуется также в термофотоэлектрических (ТФЭ) преобразователях. Метод позволяет осуществлять преобразование энергии излучения нагретых тел (эмиттеров) в электроэнергию с помощью полупроводниковых фотоэлементов, чувствительных в инфракрасной области спектра. Этот менее известный способ преобразования излучения… Читать ещё >
Содержание
- 1. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
- 1. 1. Узкозонные фотоэлементы: особенности применения в фотоэнергетике
- 1. 2. Термофотоэлектрические преобразователи: принцип действия и возможности эффективного использования
- 1. 3. Обоснование выбора полупроводниковых материалов для изготовления термофотоэлектрических преобразователей
- 1. 4. Формулирование задач диссертационной работы
- 2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ГЕРМАНИЯ
- 2. 1. Особенности легирования германия в квазизамкнутом объеме
- 2. 2. Выбор легирующей примеси для формирования р-я-перехода в германии. 42'
- 2. 3. Диффузионное легирование германия и характеристики получаемых фотоэлементов
- 2. 4. Разработка термофотоэлектрических элементов на основе Ge с тыльным зеркалом
- 3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ p-GaAs/p-Ge/n-Ge ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
- 3. 1. Фотоэлектрические преобразователи на основе Ge с широкозонным окном GaAs, выращенным методом жидкофазной эпитаксии
- 3. 1. 1. Получение гетероструктур GaAs/Ge комбинацией методов быстрого охлаждения раствора-расплава и газовой диффузии
- 3. 1. 2. Параметры Ge фотоэлементов с GaAs окном, выращенным методом жидкофазной эпитаксии
- 3. 2. Фотоэлектрические преобразователи на основе Ge с широкозонным окном GaAs, выращенным методом газофазной эпитаксии
- 3. 2. 1. Поиск оптимального технологического способа изготовления гетероструктур GaAs/Ge с помощью методов диффузии и газофазной эпитаксии. у ^
- 3. 2. 2. Характеристики Ge фотоэлементов с GaAs окном, выращенным методом газофазной эпитаксии
- 3. 3. Сравнительный анализ основных параметров Ge фотоэлементов, полученных различными способами
- 3. 1. Фотоэлектрические преобразователи на основе Ge с широкозонным окном GaAs, выращенным методом жидкофазной эпитаксии
- 4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ УЗКОЗОННЫХ А3В5 ПОЛУПРОВОДНИКОВ (GaSb, InAs)
- 4. 1. Фотоэлектрические преобразователи на основе GaSb
- 4. 1. 1. Исследование свойств слиткового материала GaSb
- 4. 1. 2. Формирование и исследование омических контактов к GaSb
- 4. 1. 3. Исследование влияния глубины /?-и-перехода и формы диффузионного профиля на выходные характеристики GaSb фотоэлементов
- 4. 1. 4. Разработка термофотоэлектрических GaSb элементов с тыльным зеркалом. Ю
- 4. 1. 5. Характеристики разработанных фотопреобразователей на основе GaSb
- 4. 2. Термофотоэлектрические преобразователи на основе InAs
- 4. 2. 1. Термофотоэлектрические элементы на основе InAs
- 4. 2. 2. Термофотоэлектрические элементы на основе InAsSbP
- 4. 1. Фотоэлектрические преобразователи на основе GaSb
Список литературы
- Найденко В.В., Губанов Л.Н, Петрова Е. Н. Глобальные эколого-экономические проблемы: Учебное пособие. Нижний Новгород, 2002.
- Алферов Ж.И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции развития солнечной фотоэлектроэнергетики // ФТП, 2004, т.38, вып.8, стр.937−943.
- Андреев В. М Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения.-Л.: Наука, 1989.-310 с.
- Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987, 192 с.
- King R.R., Sherif R.A., Kinsey G.S. et.al. Bandgap engineering in high-efficiency multijunction concentrator cells // Proc. of Int. Conf. on Solar Concentrators for the Generation of Electricity or Hydrogen, 2005, Arisona.
- Araki K., Yamaguchi M., Kondo M., Uozumi H. Which is the best number of junctions for solar cells under ever-changing terrestrial spectrum? // Proc. of 3 rd World Conf. on PVSEC, 2003, Osaka, Japan, pp. 1LN-C-07.
- King R.R., Law D.C., Edmondson K.M. et. al. Metamorphic Concentrator Solar Cells with Over 40% Conversion Efficiency // Proceed. 4th Int. Conf. on Solar Concentrators, 2007, El Escorial, Spain.
- Bett A.W., Baur C., Beckert R. et.al. Development of high-efficiency mechanically stacked GalnP/GalnAs-GaSb triple-junction concentrator solar cells // 17th EPVSE Conf. Proceed., Munich, Germany, 2001, pp.84−87.
- Bett A.W., Dimroth F., Stollwerck G., Sulima O.V. III-V compounds for solar cell applications // Appl. Phys., 1999, A 69, pp.119−129.
- Posthuma N.E., Flamand G., Poortmans J. Dual junctuin germanium bottom cells application in mecanically stacked solar cells // 20th EPVSE Conf. Proceed., 2005, Barcelona, Spain, pp.78−81.
- Green M.A., Emery K., Hishikawa Y., Warta W. Solar Cell Efficiency Tables (Version 32) // Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008, v. 16, pp.435−440.
- Green M., Emery K., King D. et. al. Solar Cell Efficiency Tables (Version 25) // Prog. Photovolt: Res. Appl. 2005, v. 13, pp.49−54.
- Coutts T.J., Fitzgerald M.C. Thermophotovoltaics // Scientific American, 1998, pp.90−95.
- Coutts T.J. A review of progress in thermophotovoltaic generation of electricity // J. Renewable and Sustainable energy reviews, 1999, v.3, pp.77−184.
- Baldasaro P.F., Raynolds J.E., Charache G. W. et.al. Thermodynamic analysis of thermophotovoltaic efficiency and power density tradeoff // J. of Appl. Phys., 2001, v89, № 6, pp.3319−3327.
- Nelson R.E. A brief history of thermophotovoltaic development // Semicond.Sci.Technol., 2003, v.18, pp. S141-S143.
- Guazzoni G., Matthews S. A retrospective of four dacades of military interest in thermophotovoltaics // AIP Conf. Proc. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, p.3−12.
- Wang C. Antimony-based III-V thermophotovoltaic materials and devices // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.255−266.
- Fraas L. and Minkin L. TPV Histoiy from 1990 to Present& Future Trends // AIP Conf. Proceed. 2007 (6th Conf. TPVGE), v.890, pp.17−23.
- Murray C., Crowley C., Murray S. et.al. Thermophotovoltaic converter design for radioisotope power systems // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.123−132.
- Wilt D., Chubb D., Wolford D. et. al. Thermophotovoltaics for Space Power -Applications // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, p.335−345.
- Andreev V.M., Khvostikov V.P., Vlasov A.S. «Solar thermophotovoltaics» in: «Concentrator Photovoltaics», Eds.: A. Luque, V. Andreev, Springer Series in Optical Sciences, v. 130, 2007, pp. 175−197.
- Bitnar В., Durich W., Waser A. TPV systems from reasearch towards commercialisation//AIP Conf. Proc. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.33−41.
- Luque A. Solar Thermophotovoltaics: Combining Solar Thermal and Photovoltaics // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp.3−16.
- Bett A.W., Keser S., Stollwerck G., Sulima O.V. Recent progress in developing of GaSb photovoltaic cells // 14th EPVSE Conf. Proc., 1997, Barcelona, Spain.
- Bauer Т., Forbes I., Perlington R., Pearsall N. Heat transfer modelling of glass media within TPV systems // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.153−168.
- Tobler W., Durisch W. Slurry- and Plasma-spray Coating of Selective Emitting Rare-earth Oxides on High Temperature Substrates // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp.37−46.
- Coutts T.J. An overview of thermophotovoltaic generation of electricity // J. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2001, v.66, pp. 443−452.r
- Jovanovic N., Celanovic I., Kassakian J. Two-dimensional Tungsten Photonic Crystals as Thermophotovoltaic Selective Emitters // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp.47−55.
- J. van der Heide, Posthuma N., Flamand G., Poortmans J. Improving the back surface of germanium thermophotovoltaic cells using laser fired contacts //21st EPVSE Conf. Proceed., 2006, Dresden, Germany, pp.43−46.
- Abbott P., Bet W. Cell-mounted spectral filters for thermophotovoltaic applications // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.244−251.
- Rahmlow Т., DePoy D., Fourspring P. et. al. Development of Front Surface, Spectral Control Filters with Greater Temperature Stability for Thermophotovoltaic Energy Conversion // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp.59−67.
- Durisch W., Bitnar В., Roth F., Palfinger G. Small thermophotovoltaic prototype systems // J. Solar Energy, 2003, v.75, pp. 11−15.
- Durisch W., Bitnar В., Mayor J.C. et.al. Progress in the development of small thermophotovoltaic prototype systems // 17th EPVSE Conf. Proceed, 2001, Munich, Germany, pp.2296−2299.
- Yugami H., Yamaguchi M. An overiew of TPV research activities in Japan // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp. 15−23.
- Luther J. Thermophotovoltaic generation of electricity // Proc. of 3rd World Conf. on PVSEC, 2003, Osaka, Japan, pp. 1PL-B2−03.
- Lambrecht A., Bottner H., Nurnus J. Thermoelectric energy conversion -overiew of a TPV alternative // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.24−32.
- Mattarolo G., Bard J., Schmid J. TPV application as small back-up generator for standalone photovoltaic systems // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.133−141.
- Carlson R., Fraas L. Adapting TPV for Use in a Standard Home Heating Furnace // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp.273−279.
- Horne W., Morgan M., Sundaram V. et.al. 500 Watt diesel fueled TPV portable power supply // AIP Conf. Proceed. 2003 (5th Conf. TPVGE), v.653, pp.91−101.
- Lindberg E., Broman L. An animation tool for demonstrating the importance of edge filters in thermophotovoltaic applications // J. Renewable Energy, 2003, v.28 pp.1305−1315.
- Sulima O.V., Bett A.W., Dutta P. S. et.al. GaSb-, InGaAsSb-, InGaSb-, InAsSbP-, and Ge-TPV cells with diffused emitters // 29th Photovoltaic Spesialist Conf. Proceed., 2002, New Orleans, USA.
- Sala G., Anton I., Dominguez C. Qualification Testing of TPV Systems and Components: First Steps // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp.251−261.
- Mahorter R.G., Wersman В., Thomas R.M., Siergiey R.R. Thermophotovoltaics system testing // Semicond. Sci. Technol., 2003, v. 18, pp. S232-S238.
- Friedman D.J., Olson J.M., Ward S. et.al. Ge Concentrator Cells-for III-V Multijunction Devices // 28th Photovoltaic Specialists Conf. Proc., 2000, Anhorage, pp. 965−967.
- Friedman D.J., Olson J.M. Analysis of Ge Junctions for GalnP/GaAs/Ge Three Junction Solar Cells // Prog. Photovolt., 2001, v.9, pp. 179−189.
- Timo G., Flores C., Campesato R. Bottom cell growth aspects for triple junction InGaP/(In)GaAs/Ge solar cells // J.Cryst.Res.Technol., 2005, v.40, № 10−11, pp.1043−1047.
- Nagashima Т., Okumura K., Murata K., Yamaguchi M. A Germanium Back-Contact Type Cell for Thermophotovoltaic Applications, Proc. of 3rd World Conf. on PVSEC, 2003, Osaka, Japan, pp.200−203.
- Bailey S.G., Flood D.J., Brinker D.R. et.al. Front Surface Engineering of High Efficiency Si Solar Cells and Ge TPV Cells, 26th Photovoltaic Specialist Conf., Proc., 1997, Anaheim, USA, pp. 847−851.
- J. van der Heide, Posthuma N., Flamand G., Poortmans J. Development of Low-cost Thermophotovoltaic Cells Using Germanium Substrates // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp.129−138.
- Posthuma N.E., J. van der Heide, Flamand G., Poormans J. Recent progress in the development of stand-alone germanium solar cell // 21st EPVSE Conf. Proceed., 2006, Dresden, Germany, pp. 137−140.
- Posthuma N.E., J. van der Heide, Flamand G., Poormans J. Emitter formation and contact realization by diffusion for germanium photovoltaic devices // IEEE Trans. Electron Devices, 2007, v.54, № 5, pp. 1210−1215.
- Fernandez J., Dimroth F., Oliva E., Hermle M., Bett A.W. Back-surface Optimization of Germanium TPV Cells // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp. 190−197.
- Fernandez J., Dimroth F., Oliva E., Bett A.W. Development of germanium TPV cell technology // 22nd EPVSE Conf. Proceed., Milan, Italy, 2007, pp.516−519.
- Wojtczuk S.J., Tobin S.P., Sanfacon M.M. et.al. Monolithic Two-Terminal GaAs/Ge Tandem Space Concentrator Cells, 22nd Photovoltaic Specialists Conf. Proc., 1991, Las Vegas, pp. 73−79.
- Bett A.W., Sulima O.V. GaSb photovoltaic cells for applications in TPV generators // Semicond.Sci.Technol., 2003, v. 18, pp. S184-S190.
- Shegle Т., Dimroth F., Ohm A., Bett A. TPV modules based on GaSb structures // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.285−293.
- Martin D., Algora C. Theoretical comparison between diffused and epitaxial GaSb TPV cells // AIP Conf. Proc. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.311−319.
- Sulima O.V., Bett A.W. Fabrication and simulation of GaSb thermophotovoltaic cells // J. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2001, v.66, pp.533−540.
- Bett A.W., Keser S., Sulima O.V. Study of Zn diffusion into GaSb from the vapour and liquid phase // J. Crystal Growth, 1997, v. 181, pp.9−16.
- Andreev V.M., Khvostikov V.P., Rumyantsev V.D. et.al. Portable TPV generator based on metallic emitter and 1.5 Amp GaSb cells // Proc. 4th NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, 1998, Denver, p.3 84−393.
- Giesen С., Heuken M., Dimroth F. et al. MOVPE growth of Sb-based semiconductors in a 9×2-inch planetary reactor // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.267−275.
- Shegle Т., Abbot P., S. van Riesen, Bett A. Degradation study of MOVPE-growth and zinc-diffused GaSb cells for thermophotovoltaic applications // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.387−395.
- Agert C., Beckert R., Hinkov V., Sulima O.V., Bett A.W. Novel devicestructures for infrared solar cells based on GaSb: p-n-homojunctions, p-nthheterojunctions, and tandem cells //17 EPVSE Conf., Munich, Germany, 2001, pp.372−375.
- Welser E., Dimroth F., Ohm A. et.al. Lattice-matched GalnAsSb on GaSb for TPV Cells // AIP Conf. Proceed. 2007 (7th Conf. TPVGE), v.890, pp. 107−114.
- Conibeer G.J., Bumby C.W., Nicholas R.J., Mason NJ. Towards a GaSb-InAs tandem junction TPV cell // 17th EPVSE Conf. Proc., Munich, Germany, 2001, pp.269−272.
- Mauk M.G., Sulima O.V., Cox J.A. Low-bandgap (0.3 to 0.5 eV) InAsSbP thermophotovoltaics: assesment for open-circuit voltage improvements // Proc. of 3rd World Conf. on PVSEC, 2003, Osaka, Japan, pp. 1P-D3−17
- Атомная диффузия в полупроводниках под ред Д. Шоу, Изд. Мир, М., 1975.
- Коутный Й., Кудлак Я., Микушек Я., Технология серийного производства транзисторов и полупроводниковых диодов, пер. с чеш. В. Н. Пшениснова, М., «Энергия», 1968, 280 стр.
- Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках, «Наука», Л., 1972, 384 стр.
- Nagashima Т., Hokoi К., Okumura К., Yamaguchi М. Efficiency improvement of back-contact type photovoltaic cells by a floating emitter // 20th EPVSE Conf. Proceed., 2005, Barcelona, Spain.
- Чистяков Ю.Д., Райнова Ю. П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники, Учеб. пособие, М., Металлургия, 1979, 408 стр.
- Пичугин И.Г., Таиров Ю. М. Технология полупроводниковых приборов, Учеб. пособие, М., «Высшая школа», 1984, 288 стр.
- Саморуков Б.Е. Свойства полупроводников, Учеб. пособие, СПбГТУ, СПб, 1992, 88 стр.
- Курносов А.И. Материалы для полупрововдниковых приборов и интегральных микросхем, Уч.пособ., М., «Высшая школа», 1975, 342 стр.
- Зи С. Физика полупроводниковых приборов: пер. с ан.- М: Мир, 1984, т.2.
- Горелик С.С., Дашевский М. Я., Учебник для вызов, М., «Металлургия», 1988, 574 стр.
- Posthuma N.E., Flamand G., Poonnans J. Development of stand-alone germanium solar cells for application in space using spin-on diffusants // Proc. of 3rd World Conf. on PVSEC, 2003, Osaka, Japan, pp.777−780.
- Posthuma N., J. van der Hiede, Flamand G., Poortmans J. Development of low cost germanium photovoltaic cells for application in TPV using spin on diffusants // AIP Conf. Proceed. 2004 (6th Conf. TPVGE), v.738, pp.337−344.
- Андреев B.M., Долгинов Л. М., Третьяков Д. Н. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов. М.: Сов. радио, 1975, с. 186.
- Immorlica A., Ludington Jr., Burt W. Diffusion coefficient and solubility of Ge and GaAs in Pb and application to LPE growth of Ge on GaAs // J. of Crystal Growth, 1981, v.51, pp. 131−139.
- Мокрицкий B.A., Шобик B.C. Возможности гетероэпитаксии в системе Sn-Ge-GaAs // Электронная техника, сер. Материалы. 1978. в. 8, стр.70−72.
- Laugier A., Gavand М., Mesnard G.// Solid-State Electr, 1970, v. 13, № 6, p.741.
- Rosztoczy F.E., Stein W.W. // J. Electrochem. Soc., 1981, v. 119, № 8, pp.1119.
- Razegi M. The MOCVD Challenge. 1989, v.2, Ed. by Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, pp.179
- Воронина Т.И. Исследование однородности и распределения примесей в монокристаллах, эпитаксиальных пленках и р-п структурах арсенида галлия. // Дисс. канд. физ.-мат. наук, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Л., 1977, 192 с.
- Мильвидский М.Г., Пелевин О. В., Сахаров Б. А. Физико-химические основы получения разлагающихся полупроводниковых соединений. М.: Металлургия, 1974.
- Dutta P. S., Ostrogovsky A.G. Nearly diffusion controlled segregation of tellurium in GaSb // J. Cryst. Growth, 1998, v. 191, pp.904.
- Берт H.A., Куницын A.E., Мильвидская А. Г., Мильвидский М. Г., Чалдышев В. В. // ФТП, 1995, т.29, стр. 1116.
- Куницын А.Е., Мильвидская А. Г., Мильвидский М. Г., Чалдышев В. В. Свойства легированных теллуром монокристаллов антимонида галлия, выращенных из нестехиометрического расплава // ФТП, 1997, т.31, стр. 947.
- Dutta P. S., Bhat H.L., Kumar V. The physics and technology of GaSb: an emerging optoelectronic material // J.Appl.Phys., 1997, v.81, № 9, p.5821−5869.
- Baxter R.D., Reid F.J., Beer A.C. Phys.Rev., 1967, v. 162, pp.718.
- Андреев A.H., Растегаева М. Г., Растегаев В. П., Решанов С. А. К вопросу об учете растекания тока в полупроводнике при определении переходного сопротивления омических контактов // ФТП, 1998, т.32, стр.832−838.
- Джафаров Т.Д. Дефекты и диффузия в эпитаксиальных слоях.- Л.: Наука, 1978, 208 стр.
- Khald Н., Mani Н., Joullie A. Shallow diffusion of zinc into InAs and InAsSb // J. Appl. Phys., 1988, v.64, № 9, pp.4768−4770.
- Барышев H.C. Свойства и применение узкозонных полупроводников, Казань, УНИПРЕСС, 2000, 434 стр.
- Kobayashi N., Horikoshi Y. Liquid phase epitaxial growth of InAsix. vPxSb on InAs substrate // Jpn. J. Appl. Phys. 20 (1981), p. 2301.
- Wilson M.R., Krier A., Mao Y. Phase Equilibria in InAsSbP Quaternary Alloys Grown by Liquid Phase Epitaxy // J. of Electronic Materials, 1996, v. 25, № 9, pp. 1439−1445.