S T U D I A U N I V E R S I T A T I S M O L D A V I A E

Revist tiinific a Universitii de Stat din Moldova, 2013, nr.2(62)

50

CELULE SOLARE CU HOMOJONCIUNE DIN FOSFUR DE INDIU

Vasile BOTNARIUC, Leonid GORCEAC, Boris CINIC,

Andrei COVAL, Ion INCULE, Simion RAEVSCHI

Universitatea de Stat din Moldova Homojonciunea p+-p--n+InP cu i fr strat frontal nCdS a fost obinut aplicnd metoda de epitaxie din faza gazoas

n sistemul In-PCl3-H2 (p-InP, n

+InP) i metoda de volum cvasinchis (nCdS). La studierea proprietilor electrice i fotoelectrice ale acestor structuri s-a constatat c fotosensibilitatea a crescut cu dou ordine, iar eficiena CS este de 12% pentru homostructura cu strat frontal nCdS. Aceasta se datoreaz micorrii recombinrii purttorilor de sarcin minoritari la suprafa i particularitilor proprietilor electrice i fotoelectrice ale acestor structuri.

Cuvinte-cheie: homojonciune, fosfur de indiu, celul solar, procedeu tehnologic, strat epitaxial.

SOLAR CELLS BASED ON INDIUM PHOSPHIDE HOMOJUNCTION p

+-p

--n

+InP homo-junction with or without nCdS frontal layer was obtained by gaseous phase epitaxy method in a

In-PCl3-H2 (p-InP, n

+InP) system and by quasi-closed volume method (nCdS). From the studies of electrical and photo-

electrical properties of these structures it has been established that their photo-sensitivity increases by two orders of magnitude and the SC efficiency is of 12% for the homo-structure with nCdS frontal layer, due to the diminishing of minority charge carriers surface recombination and the peculiarities of electrical and photo-electrical properties of these structures.

Keywords: homojunction, indium phosphide, solar cells, technological procedure, epitaxial layer.

Introducere Celulele solare (CS) cu homo- sau heterojonciune din InP rmn actuale pn n prezent din urmtoarele

considerente: au rezisten sporit la aciunea radiaiei corpusculare, fapt stabilit att n condiii de laborator [1,7],

ct i n condiii de exploatare pe orbita geostaionar [4]; se pot obine CS din InP cu randamentul de 26%, calculat teoretic [6], fa de cca 19% obinut n

condiii de laborator [3]. Analiza datelor din literatura de specialitate indic la utilizarea mai multor metode pentru confecionarea

CS cu homojonciune din InP: prin difuzie n sistem deschis sau nchis, utiliznd tehnologia epitaxial de cretere din faza lichid sau gazoas, implantarea de ioni sau diferite combinaii ale acestora.

Homojonciunile epitaxiale n+-p sau p+-nInP cu densitatea redus a defectelor la interfa pot fi preparate prin metoda de epitaxie din faza gazoas n sistemul In-PCl3-H2. Acest procedeu asigur obinerea straturilor epitaxiale omogene pe toat suprafaa i de aceeai grosime, permite doparea lor cu diferii dopani donori sau acceptori ntr-un singur ciclu tehnologic. Etapele principale ale procedeului tehnologic de cretere a straturilor epitaxiale n- sau p-InP sunt:

pregtirea sistemului de distribuire a fluxurilor gazoase i a reactorului pentru procedeu; saturaia sursei de In cu fosfor; pregtirea substraturilor n- sau p-InP; creterea straturilor epitaxiale n- sau p-InP. Procedeul de cretere este anticipat de corodarea gazoas a

suprafeei substratului din InP, care i asigur o densitate redus a defectelor la interfaa homostructurii; doparea straturilor epitaxiale p-, n-InP crescute cu Zn sau, respectiv, cu Te, n intervalul concentraii-

lor de acceptori sau de donori 1016

...1019

cm-3

prin metoda de dopare individual. n acest caz se folo-sesc dou fluxuri separate de gaz: unul conine elementul dopant, altul componenta principal care se amestec n faa zonei de cretere a straturilor.

Procedeul tehnologic de depunere a straturilor epitaxiale InP din faza gazoas n sistemul In-PCl3-H2 este descris de autori n [2].

1. Tehnologia de obinere a straturilor n calitate de substrat au fost utilizate plachete pInP tiate din lingouri crescute prin metoda Czochralsky

dopate cu Zn la nivelul concentraiei purttorilor de sarcin de 1018 cm-3. Orientarea cristalografic a substra-turilor corespunde direciei (100), dezorientarea constituie 3...5 spre planul (110), densitatea dislocaiilor

este de (3...5)1011 cm-2, grosimea de cca 400 m, aria total a plachetelor pn la 5 cm2.

Seria tiine exacte i economice

Fizic ISSN 1857-2073

51

Respectnd procedeul tehnologic descris n [5], saturaia sursei de In cu P a fost efectuat la temperatura de cca 750C, iar creterea straturilor epitaxiale n- sau pInP s-a produs la temperaturile 640...660C n zona substraturilor i la 750C n zona sursei. Astfel au fost preparate structuri de tipul p+InP-pInP-n+InP (p

+=(14)1018 cm-3, p=1016...1017 cm-3, n+=1019 cm-3). Straturile epitaxiale nInP au fost depuse ntr-un ciclu tehnologic cu stratul pInP sau separat.

Concomitent, au fost preparate i structuri de tipul p+InP-pInP-n+InP-n+CdS, care permit asamblarea celulelor fotovoltaice cu strat fereastr pentru a modifica gradul de utilizare a spectrului luminii incidente pe suprafaa structurii. Stratul nCdS a fost preparat prin metoda de volum cvasinchis cu derularea procedeului de cretere n flux de H2 (debitul 500 cm

3/min) [8]. Gradientul de temperatur ntre sursa CdS i substrat con-

stituie 80...100C, temperatura sursei CdS fiind de cca 800C. Parametrii electrici ai straturilor nCdS depuse

pe suprafaa frontal a homostructurii specificate constituie: =10-2...10-3 cm, =150...260 cm2V-1s-1, n=10

18...10

19 cm

-3. Straturile nCdS, pentru care parametrii electrici au fost studiai prin metoda Van der Paw,

au fost crescute pe substrat InP semiizolant ( ~106 cm). Autodoparea straturilor CdS n procesul de cre-

tere prin difuzia In din substrat, substituind Cd n reeaua cristalin a CdS, i determin rezistena mic a

acestor straturi ( cca 10-3

cm). n calitate de contact ohmic pentru stratul frontal de n-CdS s-a utilizat In sau Ag depuse prin evaporarea

termic n vid, utiliznd o masc-gril de anumit configuraie geometric. Suprafaa fotoactiv a celulei solare constituie cca 85...90% din cea total. Pentru contactul verso, ctre suprafaa substratului pInP s-a folosit aliajul Ag+(5%Zn) depus, de asemenea, prin evaporarea termic n vid. Contactele frontal i verso au fost tratate n hidrogen separat cte 10 min. la 250C (In) i la 400C (Ag sau Ag+(5%Zn)). Astfel de con-tacte asigur pentru structurile cu strat frontal nCdS rezistena n serie (Rss) de (6...21) cm

2, iar rezistena de untare (Rsh) (600...1800) cm

2.

2. Rezultate i interpretare n Figura 1 sunt prezentate caracteristicile de sarcin ale homojonciunilor p+InP-p-InP-n+InP cu i fr

strat frontal nCdS depus dup procedeul descris. Caracteristicile au fost cercetate la temperatura camerei i la puterea luminii incidente de 100 mW/cm

2. Se observ o mbuntire esenial a caracteristicii de sarcin

n cazul structurilor cu homojonciune i strat frontal nCdS: tensiunea de circuit deschis (Ucd) 0,758 V, densitatea curentului de scurt circuit (Jsc) 22,5 mA/cm

2,

coeficientul de umplere (FF) 0,7, puterea maximal (Pmax) 11,9 mW/cm

2 i randamentul

( ) 11,95%. Majorarea para-metrilor fotoelectrici speci-ficai este determinat de faptul c: CdS de grosime

sub 10 m are rolul de fe-reastr optic i conduce la diminuarea vitezei de recom-binare la suprafaa structurii. Aceasta se datoreaz faptului c lrgimea benzii interzise a compusului CdS (2,42 eV) i a InP (1,34 eV) asigur apa-riia cmpului electric, care se opune deplasrii purtto-rilor de sarcin minoritari spre suprafa i, respectiv, micoreaz procesul de re-combinare a lor. Astfel, stratul nCdS n structura nCdS-nInP-pInP-p

+InP mai

joac i rolul de pasivator.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0

10

20

UMAX

=0.590V

JMAX

=20.25mA/cm2

FF=70%

=11.95%

UMAX

=0.420V

JMAX

=6.17mA/cm2

FF=44.88%

=2.6%

2

1

0.758

22.5

8.61

0.670

J,

mA

/cm

2

U, V

Fig.1. Caracteristica de sarcin a homojonciunii epitaxiale p

+InP-p

-InP-n

+InP cu (2) i fr (1) strat frontal nCdS. E=100 mWcm-2.

S T U D I A U N I V E R S I T A T I S M O L D A V I A E

Revist tiinific a Universitii de Stat din Moldova, 2013, nr.2(62)

52

n afar de aceasta, n folosul acestui fenomen este i faptul c constantele reelei cristaline a compuilor

CdS i InP difer doar cu cca 0,3%. Coeficientul ideal n determinat din dependena exponenial a curentului

de tensiune la ntuneric AkT

eUII o exp , n care oI curentul de saturaie, U tensiunea aplicat la bornele

homojonciunii, T temperatura, k constanta Boltzmann, constituie 1,85...2. Aceasta fapt indic la meca-nismul generare-recombinare de trecere a curentului prin homojonciune. Valoarea densitii curentului de

saturaie la ntuneric, determinat din aceeai caracteristic, nu depete (0,6...3) nAcm-2, ceea ce demon-

streaz c interfaa homostructurii p+-p--n-InP cu strat frontal nCdS este perfect.

Depunerea pe suprafaa homojonciunii p+InP-pInP-nInP a stratului frontal nCdS nu modific tipul jonc-

iunii, ceea ce rezult din caracteristica spectral (Fig.2).

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Lungimea de und,

x100

2

1

Fo

tose

nsib

ilita

tea

, u

n.a

rb.

, m

Fig.2. Caracteristica spectral a homojonciunii epitaxiale p+InP-p-InP-n+InP cu (1) i fr (2) strat frontal nCdS.

Fotosensibilitatea homostructurii cu strat frontal nCdS cuprinde intervalul lungimilor de und 500... 950 nm cu maximumul la 930 nm i este mai mare cu 2 ordine dect n cazul homostraturilor fr strat frontal nCdS. Cderea fotosensibilitii n intervalul undelor lungi corespunde lrgimii benzii interzise n InP, iar n intervalul undelor scurte se datoreaz creterii vitezei de recombinare la suprafa.

Concluzii Au fost confecionate i cercetate proprietile fotoelectrice ale homostructurilor p+InP-p-InP-n+InP cu i

fr strat frontal nCdS. S-a constatat c homostructura p+-p--n-InP cu strat frontal nCdS are fotosensibilitatea

cu dou ordine mai mare, iar eficiena CS pe baza lor este de cca 12%. Acest fapt se datoreaz micorrii

recombinrii purttorilor de sarcin minoritari la suprafa i particularitilor proprietii structurii: meca-

nismul de trecere a curentului, valorile densitii curentului de saturaie i ale rezistenei n serie a contactului

frontal. Eficiena CS din InP cu strat frontal nCdS poate fi majorat prin optimizarea parametrilor homo-

jonciunii de tipul p+InP-pInP-n+InP.

Bibliografie:

1. BOTNARIUC, V.M., GORCHIAK, L.V., GRIGORIEVA, G.M., KAGAN, M.V. Radiation degradation of solar

cells based on InP-CdS heterojunction. In: Sol. Energy Materials, 1990, no.20, p.359-365.

2. BOTNARIUC, V., GORCEAC, L., PLECA, V. Particulariti tehnologice la creterea straturilor epitaxiale InP. n:

Analele tiinifice ale USM. Seria tiine fizico-matematice, 1999, p.79-83.

3. GORADIA, C., GEILER, J.V., WEINBERG, I. Modeling and desing of high efficiency radiation tolerant indium

phosphide space solar cells. In: 19th

IEEE Photovoltaic Spec. Conf., New Orleans, La, 4-8 Illay 1987. New York,

1987, p.937-943.

Seria tiine exacte i economice

Fizic ISSN 1857-2073

53

4. OKUZAKI, H., TAKAMOTO, T., KUKAMURA, H., KAMEI, T., URA, M. Production of indium phosphide solar

cells for space power generation. In: 20th

IEEE Photovoltaic Spec. Conf., Las Vegas, Nev., 26-30 Sept. 1988: Conf.

Rec. vol.2. New York, 1988, p.886-892.

5. PLECA, V. Realizarea jonciunilor semiconductoare pe baza fosfurii de indiu i cercetarea proprietilor foto-

electrice: Tez de doctor. Chiinu, 1996.

6. SPITZER, M.V., KEAVNEY, C.J., VERNON, S.M., HAREN, V.T. Junction formation techniques for indium

phosphide solar cells. In: 19th

IEEE Photovoltaic Spec. Conf., New Orleans, La, 4-8 May 1987, New York, 1987,

p.146-152.

7. SHIBUKAWA, A., YAMAGUCHI, M., YAMAMOTO, A., UEMURA, C. Electron irradiation in n+-pInP solar

cells. In: 17th

IEEE Photovoltaic Spec. Conf., Kissimmee, Fla, 1-4 May, 1984, New York, 1984, p.905-909.

8. YADHIKAWA, S., SAKAI, Y. High efficiency n-CdS-p+InP solar cells prepared by the close/spased technique. In:

Solid. State Electronics, 1977, vol.20, p.133-137.

Not: Lucrarea a fost elaborat n cadrul Proiectului instituional 11.817.05.12A finanat de ctre CSDT al AM.

Prezentat la 16.06.2013