Как было показано в ряде исследований, для полупроводникового соединения AlxGa1-xAs при x≤0,4 характерны прямые оптические переходы, а в области 0,4≤x≤0,8 (предел химической устойчивости соединения) спектральная зависимость коэффициента поглощения имеет вид, типичный для непрямого перехода. Таким образом, перед разработчиками элементов открывается возможность уменьшить поглощение излучения в слое твердого раствора благодаря использованию для материала окна-фильтра тонкого слоя с большим значением х или варизонной 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 сравнительно 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.
Рис. 4.9. Зависимость ширины запрещенной зоны полупроводникового соединения АlxGа1-xАs от его состава для различных видов оптических переходов
1 — прямые; 2 — смешанные
Pис. 4.10. Спектральная зависимость коэффициента собирания (а) солнечных элементов на основе арсенида галлия с гомогенным p-n-переходом (I) и гетеропереходом p-Ga0.3Al0,7As — p-GaAs — n-GaΛs (II) и схема расположения слоев в элементах обоих типов (б)
1 — просветляющие и защитные покрытия; 2 — верхний токосъемный контакт; 3 — широкозонное окно-фильтр из слоя твердого раствора p-AlxGa1-хAs; 4 — p-GaAs; 5 — базовый слой n-GaAs толщиной 250–300 мкм; 6 — тыльный контакт
На рис. 4.9 представлена зависимость ширины запрещенной зоны AlxGa1-xAs 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 х≤0,4 и непрямых при х≥0,4 (кривая 2).
Влияние толщины и состава верхних слоев на оптические характеристики и КПД солнечных элементов с широкозонным окном-фильтром из AlxGa1-xAs и р-п-переходом в находящемся под ним монокристаллическом арсениде галлия можно проследить, сравнивая результаты работ, проведенных различными исследователями. На рис. 4.10 представлены экспериментальные спектральные зависимости коэффициента собирания носителей заряда солнечного элемента из арсенида галлия обычной конструкции с гомогенным p-n-переходом (кривая 7) и гетероструктурой на поверхности (кривая 2). Солнечный элемент с гетероструктурой имел следующий состав и толщину слоев: p-Ga0,3Alo0.7As (8 мкм), p-GaAs (0,7 мкм) и n-GaAs (300 мкм). Такие солнечные элементы позволили получить при измерениях в наземных условиях КПД более 20 %. В то же 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. 4.10).
Расчетная оптимизация параметров солнечных элементов на основе арсенида галлия с гетеропереходами, проведенная в ряде работ, показала, что, уменьшая толщину верхнего слоя твердого раствора и изменяя его состав (увеличивая содержание 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 Al0.36Ga0.14As и следующих параметрах элементов: толщина слоев p-GaAs и n-GaAs 1,5 и 250 мкм соответственно, концентрация носителей заряда во всех слоях (1–3)×1018 см-3; в верхнем слое твердого раствора диффузионная длина Ln=0,5 мкм, подвижность носителей заряда μn= =250 см2∕(B×c); в p-GaAs слое Ln=5 мкм, μn= =2500 см2/(B×c); в n-GaAs слое Lp=0,5 мкм, μp= =150 см2/(B×c), представлены на рис. 4.11.
Следует отметить, что высокие значения коэффициента собирания данных элементов в длинноволновой области (при λ=0,6÷0,9 мкм) объясняются сравнительно большим значением диффузионной длины носителей в p-GaAs (более чем в три раза превышающей толщину слоя).
Рис. 4.11. Спектральная зависимость коэффициента собирания солнечных элементов структуры p-Al0.86Ga0.14AS — p-GaAs (толщиной l = 1,5 мкм) — n-GaAs (l = 250 мкм) при разной толщине верхнего слоя твердого раствора
1–1,0 мкм; 2–0,5; 5–0,25; 4–0,1; 5–0,05 мкм
Рис. 4.12. Зависимости максимального КПД солнечного элемента с р-n-переходом в гомогенном материале от ширины запрещенной зоны полупроводника при различной степени концентрации излучения
1 — 1000; 2 — 100; 3 — 10; 4–1 (однократный солнечный поток)
Рис. 4.13. Энергетические зонные диаграммы и схемы расположения слоев в различных солнечных элементах на основе арсенида галлия а — с переходом в гомогенном материале и широкозонным окном-фильтром на поверхности; б — с варизонной структурой в слое окна-фильтра; в — с переизлучающей структурой между двумя областями окна-фильтра; 1 — p-n-переход в арсениде галлия; 2 — окно-фильтр из твердого раствора алюминия в арсениде галлия; 3 — варизонная структура (переменный по х состав AlxGa1-xAs); 4 — переизлучающая структура; А — солнечное излучение; Б — люминесценция