СВЕТОВОГО ПУЧКА
Для того чтобы максимально эффективно использовать весь довольно широкий спектральный диапазон солнечного излучения, он может быть разделен на спектральные «слои», по частоте наилучшим образом соответствующие характеристикам полупроводниковых фотодиодов. Так, для кремния, ширина запрещенной зоны которого равна 1.1 эВ, фотоэффект может быть с наибольшей эффективностью реализован лишь в достаточно узком диапазоне частот, начиная с 265 ТГц (инфракрасная область). Излучение в другом спектральном диапазоне должно быть ориентировано на другие фотодиоды или на его преобразоьание в тепло.
12.4.1. Каскадные фотоэлементы
Концептуально простейшая система со спектральным разделением светового потока реализуется в схеме с использованием двух фотодиодов с различной шириной запрещенной зоны, накладываемых один на другого. Пусть диод №1 с шириной запрещенной зоны Wgl размещен сверху (т. е. на него падает все излучение). Тогда он будет абсорбировать фотоны с энергией выше WgX и окажется прозрачным для фотонов, энергия которых ниже этого порога. Если под диодом №1 будет находиться диод №2 с шириной запрещенной зоны Wg2, которая меньше, чем у диода №1, то он будет абсорбировать часть фотонов, прошедших сквозь первый диод. Такой фотоэлектрический элемент, называемый каскадным, по очевидным причинам может иметь большую эффективность, чем однослойные устройства на основе любого из входящих в каскад фотодиодов.
Например, если диод №1 имеет ширину запрещенной зоны 1,8 эВ, а диод №2 — 1,1 эВ, идеальная эффективность их комбинации при условиях освещения солнечным излучением, соответствующих заатмосферным, оказывается равной 0,56, в то время как идеальная эффективность единичного лучшего из рассмотренных однослойного элемента равна 0,43.
Одной из проблем, которые возникают при создании каскадных фотодиодов, является соединение слоев. Обычно неосвещенная сторона устройства металлизируется, образуя токосъемник. Металлический слой непрозрачен для солнечного излучения и поэтому не может служить промежуточным слоем в каскадной структуре.
Одним из решений является построение многослойного преобразователя из одного полупроводникового кристалла, но с изменяющейся от слоя к слою шириной запрещенной зоной. Это может быть осуществлено, например, в четырехкомпонентном химическом соединении AlInGaAs путем ступенчатого изменения его стехиометрического состава, вызывающего изменение ширины запрещенной зоны при сохранении единой кристаллической структуры.
Известно, что красные светоизлучающие диоды делаются на основе GaAsP. а зеленые — из GaP. Поиск возможностей создания синих и более коротковолновых светодиодов привел к созданию тонкопленочных элементов из нитрида галлия, большая ширина запрещенной зоны которого (3,4 эВ) позволяла получать практически ультрафиолетовое излучение. При легировании нитрида галлия индиевой присадкой оказалось возможным контролировать изменение W так, что удалось создать композицию, обеспечивающую синее свечение. Хотя в пленках из нитрида галлия имеется большое количество дефектов, выяснилось, что чувствительность характеристик таких пленок к количеству дефектов весьма мала, во много раз слабее, чем для GaAsP и GaP, светодиоды на основе которых при аналогичной плотности дефектов становятся практически неработоспособными.
Путем варьирования относительного содержания индия ширина запрещенной зоны может быть уменьшена с 3,4 эВ (чистый GaN) до 0,7 эВ (чистый InN). Такой огромный диапазон изменения ширины запрещенной зоны (5:1) покрывает большую часть солнечного спектра.
Это открывает возможность для создания двойных каскадных фотоэлементов с оптимальной комбинацией толщин запрещенных зон 1,7/1,1 эВ. Отметим, что в настоящее время лучшие каскадные элементы характеризуются соотношением 1,83/1,43 эВ и соответственно имеют меньшую эффективность, чем элементы с соотношением 1,7/1,1.
Различия в кристаллических решетках различных слоёв каскадных элементов и соответственно в их геометрии способствуют возникновению внутренних напряжений и соответствующих дефектов в материалах, которые в свою очередь ведут к снижению эффективности преобразования энергии, а в некоторых случаях даже к разрушению материала. Существенным достоинством слоев lnAGa|xN является слабая чувствительность энергетических характеристик к количеству внутренних дефектов, что позволяет применять их при наличии больших внутренних напряжений.
Для получения полупроводника и-типа In^Gaj _J(N может быть легирован кремнием, однако задача поиска легирующей присадки для превращения его в полупроводник p-типа пока в должной степени не решена.
В добавление к изложенному следует заметить, что последние исследования показывают, что композиция In^AI^N характеризуется возможностью варьирования ширины запрещенной зоны в еще более широком диапазоне (от 0,7 до 6,2 эВ), чем это возможно для системы InxGa, xN.