Солнечная энергетика как одна из разновидностей альтернативных источников энергии является перспективным и востребованным направлением науки. Существующие высокоэффективные многопереходные солнечные элементы по уровню КПД уже приблизились к своему теоретическому пределу, поэтому сегодня все усилия мирового научного сообщества направлены на создание и внедрение более эффективных и экономически выгодных подходов к их изготовлению.

Одним из направлений фотовольтаики является формирование решеточно-рассогласованных A₃B₅ солнечных элементов на кремниевых подложках. Однако такой подход имеет существенный недостаток – значительная плотность дислокаций в приборах за счет несоответствия постоянных решетки приводит к низкому качеству слоев соединений A₃B₅ и их сильной деградации, что ограничивает их использование для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Вариант решения этой проблемы предложил профессор кафедры фотоники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (вуз – участник Проекта 5–100), доктор технических наук Александр Сергеевич Гудовских. Результаты научного исследования опубликованы в журнале Physica Status Solidi (a) – applications and materials science.

Подход, предложенный ученым ЛЭТИ, основан на использовании кремниевых подложек, формируемых с помощью совмещения технологии атомно-слоевого осаждения на начальном этапе роста, и метода газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОС-гибридной эпитаксии). Его принципиальное отличие от предыдущих разработок состоит в том, что рост нуклеационного слоя осуществляется методом плазмохимического атомно-слоевого осаждения при сравнительно низких температурах с последующим эпитаксиальным ростом верхнего перехода на основе A₃B₅ квантоворазмерных структур методом МОС-гидридной эпитаксии.

«Существующие способы создания фотоэлементов предполагают высокотемпературный (900–1000 °C) отжиг кремниевой подложки на начальной стадии роста для удаления оксида и реконструкции поверхности, что в дальнейшем приводит к деградации времени жизни в подложке», – профессор кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Сергеевич Гудовских.

Новая технология предполагает уменьшение температуры эпитаксиального роста GaP на Si подложках до 600–750 °C, а также формирование структур GaP/Si с нуклеационным слоем GaP методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения при температуре 380 °C.

В ходе исследований структурных и электронных свойств, а также температурной стабильности нового материала было доказано, что структуры GaP/Si, полученные методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения без дополнительной водородной плазмы, имеют лучшие фотоэлектрические свойства по сравнению со структурами, изготовленными с высокой мощностью водородной плазмы, которая вызывает образование дефектов в приповерхностной области Si.

«Отжиг при температуре 550–600 ºC приводит к уменьшению концентрации дефектов, создаваемых водородной плазмой. Таким образом, после отжига качества границ раздела GaP/Si, изготовленных обоими типами процессов, сравнялось. Термическая обработка структур GaP/Si при температуре 725–750 ºC приводит к диффузии фосфора из GaP в Si и к образованию изотипного гетероперехода n-GaP/n-p-Si с улучшенным фотоэлектрическими свойствами», – комментирует Александр Сергеевич Гудовских.

Новая технология эпитаксиального роста GaP на Si подложках позволит увеличить КПД двухпереходных солнечных элементов до рекордных значений: более 30% для неконцентрированного излучения AM0 и более 35 % для концентрированного излучения AM1.5D. Высокая эффективность и оптимальная стоимость новой технологии открывает перед ней широкие перспективы применения – от элементов для солнечной энергетики, устанавливаемых на поверхности Земли, до электропитания космических аппаратов.

Разработка соответствует стратегическому приоритету научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Также технология отвечает интересам национального проекта «Экология», связанным со снижением уровня загрязнения атмосферного воздуха в крупных промышленных центрах.

Работа выполнена совместно с коллегами из Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета им. Ж. И. Алфёрова РАН, Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН и Университета Париж-юг (Франция) на средства гранта Российского научного фонда №17–19–01482.

Кафедра фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (до 2018 года – кафедра квантовой электроники и оптико-электронных приборов) – широко известный в России и за рубежом научно-педагогический коллектив. В последние годы, в связи развитием солнечной энергетики в стране, ученые кафедры проводят научные исследования в области тонкопленочных и гетероструктурных солнечных модулей на основе кремния.

С 2011 года ЛЭТИ в рамках первой в России магистерской программы «Солнечная гетероструктурная фотоэнергетика» проводит опережающую подготовку высококвалифицированных специалистов в области проектирования, технологии производства и эксплуатации тонкопленочных солнечных модулей широкого применения.