Невозможный материал для солнечных батарей стал возможным

Эти солнечные элементы, обычно применяются в космической промышленности. Эти типы ячеек отличаются высокой эффективностью, но они слишком дороги для наземного использования

Ученые из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) достигли технологического прорыва в создании солнечных элементов, производство которых ранее считалось невозможным. Они успешно интегрировали источник алюминия в свой гидридный парофазный эпитаксиальный реактор, а затем с помощью новой технологии продемонстрировали рост полупроводников фосфида алюминия-индия (AlInP) и фосфида алюминия-галлия-индия (AlGaInP).

Гидридная парофазная эпитаксия (HVPE) - это метод эпитаксиального роста, который может снизить затраты на осаждение элементов III-V группы периодической таблицы Менделеева для последующего использования в фотоэлектрических и других оптоэлектронных устройствах.

«Существует достаточное количество литературы, в которой говорится, что люди никогда не смогут выращивать эти соединения с помощью паровой фазовой эпитаксии гидрида». «Это одна из причин, по которой многие представители III-V индустрии перешли на метаорганическую парофазную эпитаксию (MOVPE), которая является доминирующей технологией осаждения элементов III-V группы».

Соответствующая статья появилась в журнале ACS Applied Energy Materials.

Солнечные элементы, в которых используются элементы III-V группы, обычно применяются в космической промышленности. Эти типы ячеек отличаются высокой эффективностью, но они слишком дороги для наземного использования, поэтому исследователи разрабатывают методы для снижения производственных затрат.

Метод, впервые примененный в NREL, основан на новой методике роста, называемой динамической паровой фазовой эпитаксией гидрида, или D-HVPE. Традиционное HVPE, которое на протяжении десятилетий считалось наилучшей техникой для производства светодиодов и фотоприемников для телекоммуникационной отрасли, в 1980-х годах потеряло популярность с появлением MOVPE.

Оба процесса включают в себя осаждение химических паров на подложку, но преимущество сохранялось за MOVPE из-за его способности формировать резкие, высококачественные гетеробарьеры, которые жизненно важны для работы оптоэлектронных устройств, таких как фотоэлектрические, транзисторные и светоизлучающие диоды.

Что изменилось с появлением D-HVPE

В более ранней версии HVPE использовалась одна камера, в которой один химикат осаждали на подложку, которую затем удаляли. Далее химию роста меняли на другую, а субстрат возвращали в камеру для следующего химического использования.

D-HVPE использует многокамерный реактор. Подложка перемещается назад и вперед между камерами, что значительно сокращает время изготовления солнечного элемента. D-HVPE может за одну минуту произвести солнечную батарею с одним переходом, на изготовление которой с помощью MOVPE потребуется час или два.

Несмотря на эти достижения, MOVPE все еще имеет одно преимущество - способность наносить содержащие алюминий материалы, обеспечивающие максимальную эффективность солнечных элементов. HVPE долго боролось с трудностями, связанными с химической природой обычного содержащего алюминий предшественника, монохлорида алюминия.

Для осуществления плана ввести алюминий в D-HVPE исследователи сосредоточили свои усилия на проверке техники роста полупроводников. Было решено продвигать технологию поэтапно. «Была подтверждена возможность выращивать высококачественные материалы и более сложные устройства. Следующим шагом для развития технологии должен был стать алюминий».

Ученые использовали генератор, в котором при температуре 400 °С из твердого алюминия и газообразного хлористого водорода был получен трихлорид алюминия. Трихлорид алюминия намного более стабилен в среде реактора HVPE, чем монохлоридная форма.

Другие компоненты, хлорид галлия и хлорид индия, испарялись при 800 °С. Три элемента были объединены и нанесены на подложку при температуре 650 °С.

Теперь, когда алюминий был добавлен в смесь D-HVPE, ученые заявили, что они смогут достичь паритета с MOVPE в изготовлении солнечных элементов. «Процесс HVPE - более дешевый процесс». «Теперь у него есть возможность стать таким же эффективным и более дешевыми».

Источник: NREL