Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках

АННОТАЦИЯ

Проведен  анализ научно-технической литературы по методам получения фотоэлектрических  преобразователей (ФЭП). Представлена классификация различных типов  современных ФЭП. Показан высокий  потенциал практического использования ФЭП с промежуточной энергетической подзоной. Описаны физические основы функционирования ФЭП с промежуточной энергетической подзоной на основе гетероструктур с квантовыми точками. Предложена модельная эквивалентная электрическая схема такого ФЭП, учитывающая генерационные процессы «валентная зона-зона проводимости», «валентная зона–промежуточная подзона», «промежуточная подзона–зона проводимости» и рекомбинационные процессы: излучательная рекомбинация, ударная ионизация и Оже-рекомбинация. На основе экспериментальных данных по исследованию электролюминесценции, спектральной зависимости внешнего квантового выхода и вольт-амперной характеристики определены значения токов на каждом элементе эквивалентной схемы ФЭП с промежуточной подзоной типа RM/GaAs(n⁺)/GaAs(n)/10xInAs-QD+δ-Si/GaAs(p⁺)/MG+ARC.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………7

 

1 ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА  
И ТИПЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ………………...8

1.1 Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии………8

1.2 Полупроводниковые материалы…………………………………………11

1.2.1 Моно полупроводники……………………………………………….11

1.2.2 Полупроводники А³В⁵………………………………………………..14

1.2.3 Полупроводники А²В⁶………………………………………………..16

1.2.4 Органические материалы…………………………………………….17

1.3 Технология получения полупроводниковых структур…………………19

1.3.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия……………………………………19

1.3.2 МОС ГФЭ……………………………………………………………..21

1.3.3 Жидкофазная эпитаксия......................................................................23

1.3.4 Ионно-лучевая эпитаксия……………………………………………25

1.4 Классификация ФЭП……………………………………………………...27

1.4.1 Кремниевые ФЭП…………………………………………………….27

1.4.2 ФЭП А³В⁵……………………………………………………………..32

1.4.3 ФЭП А²В⁶……………………………………………………………..35

1.4.4 ФЭП на органических материалах…………………………………..37

1.4.5 ФЭП с квантовыми точками…………………………………………39

1.5 Постановка цели и задач дипломной работы…………………………...41

 

2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ………………………………42

2.1 Спектр солнечного излучения…………………………………………..42

2.2 Краткая теория полупроводников………………………………………..43

2.3 Процессы поглощения и рекомбинации………………………………...48

2.4 Фотовольтаический эффект в p-n-переходе……………………………..54

2.5 Модель классического солнечного элемента…………………………...57

2.6 Основные характеристики солнечных элементов (ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, фактор заполнения, кпд)………….61

2.7 Кремниевые фотоэлектрические преобразователя……………………..63

2.7.1 Структура кремниевого фотоэлектрического преобразователя….63

2.7.2 Вольтамперные и спектральные характеристики кремниевых фотоэлектрических преобразователей…………………………………………66

2.8 Фотоэлектрические преобразователи на основе  
гетероструктур A³B⁵…………………………………………………………….68

2.8.1Структура фотоэлектрических  преобразователей на основе гетероструктур A³B⁵…………………………………………………………….68

2.8.2 Вольтамперные и спектральные характеристики фотоэлектрических преобразователей на основе гетероструктур A³B⁵……..70

 

3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ  
С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПОДЗОНОЙ  
НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ………….73

3.1 Физическая модель функционирования  
фотоэлектрических преобразователей с промежуточной подзоной…………73

3.2 Эквивалентная электрическая схема  
фотоэлектрического преобразователя с промежуточной подзоной………….75

3.3 Расчет токов на элементах  эквивалентной схемы  
фотоэлектрического преобразователя с промежуточной подзоной………….81

 

4 БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ……………………………....89

4.1 Анализ производственной среды………………………………………...89

4.2 Выявление и анализ опасных и вредных производственных факторов в лаборатории………………………………………………………………………90

4.3 Производственная санитария…………………………………………….91

4.3.1 Расчет вентиляции  помещений……………………………………...91

4.3.2 Расчет освещения  помещений……………………………………….94

4.3.3 Организационные мероприятия по снижению уровней шума и вибрации………………………………………………………………………….96

4.3.4 Производственная эстетика……………………………………….....98

4.3.5 Санитарно-бытовые устройства……………………………………..99

4.3.6 Средства индивидуальной  защиты персонала……………………...99

4.3.7 Мероприятия, компенсирующие  негативное воздействие ОВПФ  на работающих……………………………………………………………………....99

4.4 Техника безопасности……………………………………………….........99

4.4.1 Электробезопасность………………………………………………...99

4.4.2 Меры по обеспечению безопасности оборудования, работающего под давлением…………………………………………………………………..101

4.5 Взрывопожарная безопасность…………………………………………101

4.5.1 Мероприятия по предупреждению  пожаров и взрывов………….101

4.5.2 Проектируемые средства и системы пожаротушения и локализация взрывов и пожаров……………………………………………………………...104

4.5.3 Проектируемые системы  сигнализации 
и оповещения о пожаре………………………………………………………..106

4.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях……………………………...108

4.6.1 Обеспечение безопасности  проектируемого производства в  условиях техногенных ЧС……………………………………………………..108

4.6.2 Обеспечение безопасности проектируемого производства в условиях ЧС природного происхождения……………………………………112

4.6.3 Обеспечение безопасности  проектируемого производства в  условиях ЧС военного характера……………………………………………...113

4.6.4 Экономический аспект  безопасности при проведении  НИР…….114

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………..115

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………..116

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается  тенденция развития альтернативных источников энергии, обладающих экономическими и технологическими преимуществами по отношению к широко распространенным традиционным ресурсам (нефть, уголь, газ). Одним из таких источников является энергия солнца. За последние шесть лет темпы роста фотоэнергетики составили около 35% в год, и объем годового производства солнечных фотоэлектрических установок превысил 2 ГВт. Укажем, что более 95% выпускаемых солнечных батарей являются кремниевыми, однако обладают относительно малой энергетической эффективностью – в среднем КПД таких солнечных батарей составляет около 11%. Использование гетероструктур с квантовыми точками в фотоэлектрических преобразователях позволит в значительной мере улучшить их характеристики по сравнению с аналогичными приборами на основе гомо-p-n-перехода [41, 42].

Внедрение высокоэффективных солнечных элементов  с промежуточной энергетической зоной позволит существенно расширить область максимальной спектральной чувствительности и, следовательно, увеличить эффективность преобразования солнечной энергии.

В дипломной работе предпринята попытка  теоретического описания функционирование фотоэлектрических преобразователей с промежуточной подзоной на основе гетероструктур с квантовыми точками. Для этого предложена эквивалентная схема такого фотоэлектрического преобразователя, учитывающая межзонные генерационные переходы и различные виды рекомбинационных процессов (безызлучательная и излучательная рекомбинация, Оже-рекомбинация). На основе экспериментальных данных (электролюминесценция, вольт-амперная характеристика, спектральная зависимость внешнего квантового выхода) будет проведена оценка токов на каждом из элементов эквивалентной схемы солнечного элемента с промежуточной подзоной. 

1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ТИПОВ ФЭП
1. Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии

Альтернативные  и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и  солнечного света, гидро- и геотермальная  энергия, во всем мире привлекает все  больше внимания [1]. В настоящее время в общественном сознании крепнет убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии. Растущий интерес вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов – с другой. Солнце — это огромный, неиссякаемый, абсолютно безопасный источник энергии, в равной степени всем принадлежащий и всем доступный. Ставка на солнечную энергетику должна рассматриваться не только как беспроигрышный, но в долговременной перспективе и как безальтернативный выбор для человечества. Возможность преобразования солнечной энергии в электрическую осуществляется при помощи полупроводниковых элементов [2]. Далее рассмотрим физические особенности преобразования солнечной энергии и работу фотоэлектрического преобразователя.

Простейшая  конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения –  на основе кристаллического кремния  показана на рис. 1.1. На малой глубине  от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Рисунок 1.1. Конструкция солнечного элемента

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.1.2,а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.1.2,б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Величина  установившейся фотоЭДС при освещении  перехода излучением постоянной интенсивности  описывается уравнением вольтамперной  характеристики (ВАХ) [1] (рис. 1.3):

        (1.1)

где I₀– ток насыщения, а I_ф=К_ф*Ф – фототок, Ф – солнечный поток.

Рисунок1.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) в начальный момент освещения; б) изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Рисунок 1.3. ВАХ солнечного элемента

Для эффективной работы солнечных элементов  необходимо соблюдение ряда условий:

•оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

•генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

•солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;

•полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

•структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

 

2. Полупроводниковые материалы
1. Монополупроводники

Германий. Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т. е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах [3]. Его содержание в земной коре составляет около 7*10^-4 %, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец, и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и ряда других элементов. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. Минералы с большой концентрацией германия встречаются очень редко и не могут служить сырьем для производства полупроводников. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медносвинцовоцинковых руд.

Чистый  германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокими твердостью и хрупкостью. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании на воздухе до температур выше 650°С он окисляется с образованием двуокиси GeО₂, однако из-за ее нестабильности не является надежным защитником от окружающей среды.

Германий  обладает относительно невысокой температурой плавления (936°С) и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Отмеченное обстоятельство существенно упрощает технику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют легированный германий. В качестве доноров и акцепторов наиболее часто используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы.