Индий-содержащая нанопроволока для высокоэффективных некремниевых солнечных батарей

1475
19.06.2012, 19:25

Главная цель разработчиков солнечных батарей — конвертировать как можно большее число длин волн солнечного света. Именно поэтому учёные активно работают с индий-галлиевым нитридом, одно из достоинств которого заключается в следующем: изменения в концентрации индия позволяют тонко подстраивать свойства материала, с тем чтобы он — совершенно верно! — абсорбировал максимум длин волн солнечного света. Полагаете, что речь дальше пойдёт о подстройке материала под предполагаемые регионы использования? Отнюдь.

Специалисты из Национальной лаборатории Сандия (США) оказались хитрее, сумев догнать сразу двух зайцев. Не нужно получать чистый материал с заранее заданным соотношением индия, лучше сразу иметь смесь. Более того, чем больше локальных вариаций окажется в данной системе, тем бóльшая часть солнечного спектра может быть абсорбирована, позволяя достигать новых рекордов эффективности солнечных батарей. Для сравнения: чистый кремний, стандарт современной фотогальванической индустрии, сильно ограничен в своих способностях «видеть» и «захватывать» различные области светового спектра.

Всё дело в самих нитридах индия и галлия. В первом случае, как недавно выяснилось, ширина запрещённой зоны меньше 1,0 эВ, а второй, напротив, является типичным представителем полупроводников с широкой запрещённой зоной. Именно поэтому, смешивая оба полупроводника в разных соотношениях, можно покрыть бóльшую часть солнечного спектра. Индий-галлиевые нитриды относятся к группе так называемых III-нитридов — полупроводников с широкой запрещённой зоной (в общем случае).

После такого начала обычно следует предложение, начинающееся с «но». Так и есть, не обошлось без проблемы. Эти твёрдые растворы (или, если угодно, сплавы) обычно выращивают на тонкой плёнке из нитрида галлия. К сожалению, атомные слои нитрида галлия имеют несколько иной период кристаллической решётки, чем растущие на их поверхности атомные слои нитрида индия. Набирающее силу геометрическое несоответствие резко ограничивает как толщину создаваемого слоя, так и процент вводимого в состав твёрдого раствора индия. Таким образом, процент индия, добавляемого к нитриду галлия, расширяет границы доступного диапазона солнечных лучей и одновременно уменьшает способности материала переносить механическое напряжение.

Поиском решения этой проблемы и занялись в лаборатории Сандия, учёные которой сообщают в журнале Nanotechnology об инновационной стратегии, заключающейся в выращивании смешенного нитрида не на плоской поверхности, а на вертикально ориентированных фалангах нанопроволок нитрида галлия. Небольшая площадь поверхности последних позволяет индиевому покрытию не особенно обращать внимание на напряжение в нижних слоях, релаксируя вдоль каждой проволочки. Эта релаксация позволила создать солнечную батарею на нанопроволочках с содержанием индия, на 33% большим, чем это было до сих пор возможным для солнечных батарей на III-нитридах.

Чтобы получить батарею на нанопроволоке III-нитрида, авторы работы применили сразу несколько уникальных методов. Для создания массива нанопроволочек нитрида галлия был задействован производственный процесс «сверху-вниз»: подложка нитрида галлия покрывалась маской из коллоидного оксида кремния, а затем проводилось травление вглубь. В результате образовывался стройный вертикальный массив нанопроволок нитрида галлия (GaN) одинаковой длины.

После этого покрытие индий-галиевого нитрида (InGaN) с высоким содержанием индия формировалось на поверхности нитрида галлия методом MOCVD (химического осаждения металлорганического соединения из газовой фазы). В ходе заключительного этапа на вершинах проволочек создавалось покрытие In0.02Ga0.98N, которое связало все проволочки в единый «плоскопанельный массив», что важно для практического применения этой системы для производства конечных устройств.