Арсенид галлия
Арсенид Галлия
Арсенид галлия (GaAs) – сложный полупроводник, состоящий из двух элементов, галлия (Ga) и мышьяка (As). Галлий является побочным продуктом плавления других металлов, в частности, алюминия и цинка и, фактически, сравним по своей редкости и ценности с золотом. Мышьяк – не такой редкий, но ядовитый материал. Арсенид галлия, используемый для солнечных панелей, разрабатывался наряду с арсенидом галлия для светоиспукающих диодов, лазеров и других оптоэлектронных приборов.
Монокристаллические кремневые и монокристаллические GaAs панели стремительно достигли вершины эффективности их использования в фотоэлектрической продукции. В 1989 году экспериментальные кремневые пластины достигли эффективности около 23% под необогащенным солнечным светом; в свою очередь, показатели GaAs панелей достигли почти 26% при необогащенном солнечном свете и 29% при концентрированном. В коммерческом производстве такие панели имели средние показатели эффективности 20%. Это был тип панелей, который предполагался к использованию как источник питания автомобилей, один из которых феноменально пересек Австралию в 1987 году. Их высокая эффективность и сопротивляемость радиации так же способствовали всеобщему предпочтению в применении для питания искусственных спутников и космических кораблей.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
Арсенид галлия является довольно практичным в использовании в высокоэффективных солнечных панелях по нескольким причинам:
- Запрещенная (энергетическая) зона арсенида галлия составляет 1.43 EV (электронвольт) и является приближенной к идеальной для солнечных панелей;
- Арсенид галлия обладает высокой поглощательной способностью, благодаря чему, ширина панели в несколько микрон является достаточной для впитывания солнечного света;
- В отличии от кремниевых панелей, GaAs панели относительно нечувствительные к нагреванию;
- Сплавы, образованные из арсенида галлия с использованием алюминия, фосфора, сурьмы или индия, имеют ряд характеристик, дополняющих сам арсенид галлия, что допускает отличную гибкость в дизайне и предназначении высокоэффективных панелей;
- Арсенид галлия очень устойчив к радиационным повреждениям. Этот факт, наряду с высокой эффективностью материала, делает его крайне востребованным в космической индустрии.
В кремневых панелях p-n соединения формируются путем легирования поверхности кремневой пластины p-типа смесью n-типа. Этот метод не применим с арсенидом галлия. Вместо этого, все активные части GaAs солнечной панели образуются методом выращивания последовательных тонких монокристаллических слоев на монокристаллической подложке. В процессе выращивания, каждый слой легируется разными способами с целью формирования p-n соединений.
Слои арсенида галлия выращиваются при помощи одной из двух наиболее популярных техник: эпитаксии молекулярного пучка (ЭМП) либо металлоорганического химического парового осаждение (МХПО). При ЭМП нагретая подложка пластины под атомы галлия и мышьяка, которые сгущаются на пластине при контакте и выращивают тонкую GaAs пленку. При МХПО нагретая подложка подставляется под органические молекулы, содержащие галлий и мышьяк, которые реагируют при высоких температурах, высвобождая атомы галлия и мышьяка, которые наслаиваются на подложку. В обоих этих техниках слои монокристаллического арсенида галлия выращиваются эитаксиально, т.е. новые атомы, осажденные на подложке, продолжают кристаллическую структуру ее решетки с некоторыми изменениями атомного порядка. Результатами такого выращивания являются высокая степень кристаллизации и эффективность панелей.
Одним из наиболее существенных превосходств арсенида галлия и его сплавов, как материала, используемого в фотоэлектрическом производстве, является широкий ряд возможных структурных решений. Панель, содержащая GaAs основу, может состоять из нескольких несущественно отличающихся структурно слоев, что позволяет разработчику панели контролировать образование и концентрацию электронов и отверстий. Подобная степень контроля дает возможность разработчику продвигать эффективность панелей ближе и ближе к теоретически возможному уровню.
СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ ПАНЕЛЕЙ
Наивысшей преградой на пути к успеху GaAs панелей в повседневном использовании предположительно являлась высокая себестоимость монокристаллической GaAs подложки, которая предположительно составляла $10,000 за квадратный метр. Не смотря на то, что это звучит пугающе, вышеприведенная ситуация упрощенна.
Во-первых, никто не производит квадратные метры монокристаллического арсенида галлия; общая стоимость $10,000 сформирована, исходя из цен на гораздо более маленькие в размерах подложки.
Во-вторых, GaAs панели используются преимущественно в концентраторных системах. Типичная концентраторная солнечная панель имеет приблизительную площадь 0.25 см2 и способна производить обильное количество энергии. Таким образом, $10,000 – стоимость 400 таких панелей. Такая цена вполне приемлема для конкурентоспособности GaAs панелей, при условии, что эффективность модуля колеблется в пределах 25-30%, что делает возможным снижение стоимости остальных частей системы.
Ученые изучают два возможных способа снижения стоимости материалов на основе арсенида галлия. Первый предполагает производство GaAs панелей на основе более дешевых подложек из кремния или германия, нежели более дорогих GaAs. Второй способ – выращивание GaAs панелей на передвижных GaAs подложках многоразового использования.
Выращивание высококачественных кристаллов арсенида галлия требует использования подложки с кристаллической структурой идентичной арсениду галлия и со схожими термическими параметрами. Естественно, арсенид галлия является лучшим материалом для подложек, но кремний и германий так же могут использоваться в этих целях, снижая стоимость и длительность возможного использования подложек. Но небольшие различия в кристаллических структурах кремния или германия и арсенида галлия приводит к появлению дефектов при выращивании кристалла арсенида галлия. Один из способов решения этой проблемы является выращивание относительно толстого амортизирующего слоя арсенида галлия между кремнием и активной GaAs панелью; амортизирующий слой в следствии поглощает множество дефектов в кристаллической структуре. Другой способ – обогащение панели водородом, как в случае с полукристаллическим кремнием, что уменьшает воздействие дефектов.
Наивысшая эффективность GaAs панелей на основе кремния, полученная в 1989 году превышала 22%. Несколько лабораторий работают над усовершенствованием системы GaAs панелей на основе кремния, поскольку она приобретает все большую важность не только для солнечных панелей, но и для скоростных микроэлектронных компонентов . Это один из примеров перекрестного обмена знаниями между фотоэлектронными и полупроводниковыми исследованиями.
Сопутсвующий товар:
И что скажете!?