Оборудование для производства наногетероструктурных солнечных элементов

Москва 2023

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра полупроводниковой электроники 
и физики полупроводников

ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ
СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4382

УДК 621.38-022.532
 
О-22

Р е ц е н з е н т
канд. хим. наук С.К. Шаров (АО «НПП “Квант”»)

А в т о р ы :
А.А. Лебедев, М.В. Рябцева, И.В. Бадурин, Е.С. Чуянова, 
Е.С. Логинова, М.А. Генали, Н.Т. Вагапова

О-22  
Оборудование для производства наногетероструктурных солнечных элементов : лаб. практикум / 
А.А. Лебедев [и др.]. – Москва : Издательский Дом 
НИТУ МИСИС, 2023. – 166 с.

В лабораторном практикуме рассматриваются методики характеризации каскадных фотоэлектрических преобразователей энергии 
(солнечных элементов) на основе материалов АIIIBV/Ge, позволяющие учитывать их особенности и нашедшие применение при разработке, отладке технологии и непосредственно при производстве 
таких приборов для использования их в составе солнечных батарей 
космических аппаратов.
Практикум включает три раздела, в которых представлены методики характеризации фотоэлектрических преобразователей и их структурных частей по электрическим, оптическим параметрам, а также методы выявления технологических дефектов. Теоретическое введение, 
предшествующее каждой из практических частей практикума, позволяет получить минимально необходимые знания как по фундаментальным вопросам физики полупроводников, источников оптического излучения, так и по прикладным вопросам работы полупроводниковых 
приборов и технологическим аспектам их создания и др. В практической части рассмотрены методики характеризации фотоэлектрических 
преобразователей с помощью импульсного имитатора внеатмосферного 
солнечного излучения, установки измерения внешнего кантового выхода фотоотклика, установки измерения электролюминесценции, эллипсометра, спектрофотометра, оптического микроскопа. Методики 
характеризации эпитаксиальных слоев и композиций из них рассмотрены в первой части практикума (№ 3504).
Предназначен для обучающихся в магистратуре по направлению 
подготовки 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» (трек «Перспективные полупроводниковые оптоэлектронные приборы»).

УДК 621.38-022.532

 Коллектив авторов, 2023
 НИТУ МИСИС, 2023

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений и принятых обозначений . . . . . . . . . . . .5

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1. Определение электрических параметров 
фотоэлектрических преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . .12

Теоретическое введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Лабораторная работа 1.1. Характеризация 
фотоэлектрических преобразователей посредством 
измерения вольт-амперной характеристики  . . . . . . . . . . 46

Лабораторная работа 1.2. Характеризация 
фотоэлектрических преобразователей по внешнему 
квантовому выходу фотоотклика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Вопросы для самоподготовки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2. Исследование внешнего вида фотоэлектрического 
преобразователя и составляющих его элементов . . . . . . . . .74

Теоретическое введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Лабораторная работа 2.1. Дефектоскопия каскадных 
фотоэлектрических преобразователей методом 
электролюминесценции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Лабораторная работа 2.2. Исследование геометрии 
контактной системы фотоэлектрического 
преобразователя методом оптической микроскопии . . . 103

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Вопросы для самоподготовки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3. Определение оптических характеристик 
фотоэлектрического преобразователя и его элементов . . .117

Теоретическое введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Лабораторная работа 3.1. Характеризация 
антиотражающего покрытия фотоэлектрических 
преобразователей методом спектральной 
эллипсометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Лабораторная работа 3.2. Характеризация 
фотоэлектрических преобразователей и их защитных 
стекол методом спектрофотометрии  . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Вопросы для самоподготовки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164

Основные правила техники безопасности
при выполнении лабораторных работ. . . . . . . . . . . . . . . . .164

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ПРИНЯТЫХ 
ОБОЗНАЧЕНИЙ

АОП – антиотражающее покрытие;
ВАХ – вольт-амперная характеристика;
ЗС – защитное стекло;
ИИ – ионизирующее излучение;
ИК – инфракрасный;
КВФ – квантовый выход фотоотклика;
КПД – коэффициент полезного действия;
КСИ – концентрированное солнечное излучение;
КФП – контрольный фотопреобразователь;
ОПЗ – область пространственного заряда;
РБО – распределенный брэгговский отражатель;
СБ – солнечная батарея;
ТД – туннельный диод;
ТПБ – тыльный потенциальный барьер;
УК – управляющий компьютер;
УФ – ультрафиолетовый;
ФЭП – фотоэлектрический преобразователь;
ЭЛ – электролюминесценция;
-Si – аморфный кремний;
c-Si – монокристаллический кремний;
Ec – энергия, соответствующая дну зоны проводимости;
EF – уровень Ферми;
Eg – ширина запрещенной зоны;
Ev – энергия, соответствующая потолку валентной зоны;
Ew – энергия свободного электрона в вакууме;
FF – фактор заполнения ВАХ;
Ge – германий;
I0 – ток насыщения;
Iк.з – ток короткого замыкания;
Iмакс – ток в точке максимальной мощности;
Iф – фототок;
InGaAs – арсенид галлия-индия;

InGaP – фосф ид галлия-индия;
Pмакс – максимальная мощность;
Qext – внешний квантовый выход фотоотклика;
Qint – внутренний квантовый выход фотоотклика;
Rн – сопротивление нагрузки;
Rп – последовательное сопротивление;
Rш – шунтирующее сопротивление;
Si – кремний;
Uмакс – напряжение в точке максимальной мощности;
Uх.х – напряжение холостого хода.

ВВЕДЕНИЕ

Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) относится 
к классу оптоэлектронных полупроводниковых приборов, 
преобразующих 
оптическое 
излучение 
непосредственно 
в электрическую энергию за один акт превращения энергии 
из одного вида в другой. Это важно учитывать, поскольку 
помимо солнечных батарей (СБ), созданных из ФЭП, работающих на фотовольтаическом эффекте, широкое распространение получили системы, именуемые гелиоэлектрическими 
станциями. Станции этого типа работают на аккумулировании и запасании тепла, идущего от Солнца, посредством 
генерации пара. В гелиоэлектрических системах запасенная энергия расходуется на приведение в движение роторов машинных устройств, генерирующих электричество, 
или на отопление жилища, получение горячей воды и т.д. 
В первом случае присутствует два и более актов превращения энергии из одного вида в другой, на каждом из которых 
имеют место потери, что, в теории, обусловливает меньшую 
эффективность этих способов по сравнению со способами однократного – прямого преобразования энергии света в электрическую энергию.
В зависимости от того или иного типа приложения различают множество ФЭП. Наиболее известными из них являются кремниевые ФЭП и СБ на их основе, что обусловлено 
широкой распространенностью и доступностью кремния (Si) 
в природе, высокой степенью развития технологий его добычи, очистки и последующей переработки, которые являются едиными для микроэлектроники в целом. Все эти обстоятельства определяют сравнительно низкую себестоимость 
таких батарей.
Кремниевые ФЭП используются в составе СБ и электростанций для генерации электрической энергии в области 
автономных потребителей как крупных, таких как отдаленные поселения, труднодоступные объекты инфраструктуры 
(газо-, нефтепроводы, вышки связи, лагеря геологоразведки 

и т.д.), так и мелких – светофорные объекты, остановочные 
павильоны общественного транспорта, карманные калькуляторы, фонарики и др. Такие СБ являются одним из «чистых» альтернативных источников энергии и рассчитаны 
на преобразование солнечного излучения, ослабленного атмосферой Земли (спектр АМ1,5), в условиях колебания температуры от минус 50 С до плюс 85 С и при давлении, близком к атмосферному с эффективностью около 19 % в течение 
10–25 лет (с деградацией электрических параметров не больше 20 %). 
Для космического приложения к приборам предъявляются высокие требования по устойчивости к радиации, 
перепадам температуры от минус 50 С до плюс 75 С (для 
СБ орбитальных станций) и выше, вакууму и другим факторам космического пространства, а также по удельным 
характеристикам. Среди известных систем выделяются 
приборы, созданные на основе материалов типа АIIIBV,  т.е. 
твердых растворов замещения из элементов третьей (In, Al, 
Ga) и пятой (As, P, Sb, N) групп периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, таких как InGaAs, 
GaN, InAlGaP и др., в полной мере отвечающие предъявляемым к ним требованиям. Благодаря возможности варьирования состава твердых растворов на основе материалов 
типа АIIIBV в достаточно широком диапазоне возможно получение решеточно-согласованных гетероструктур типа 
InGaP/InGaAs/Ge с заданными свойствами, что позволяет создавать так называемые каскадные, или тандемные, 
ФЭП, наиболее полно захватывающие и наиболее эффективно преобразующие солнечное излучение, демонстрируя 
КПД ~ 30 % под воздействием внеатмосферного солнечного 
света со спектром АМ0 и при температуре 25 С, рекордные 
значения удельной мощности, составляющие ~ 400 Вт/м2 
и ~ 350 Вт/кг – при удельной массе ~ 1 кг/м2. Это и другое 
важное свойство материалов такого типа – сравнительно 
высокая стойкость к комплексному воздействию факторов 
космического пространства, среди которых выделяется ра

диационное воздействие, а также длительное воздействие 
температуры выше 80 С – определило их превалирование 
в космической отрасли, где они используются в составе СБ, 
входящих в энергоустановку космических аппаратов различного типа и назначения в качестве первичного источника электроэнергии.
Приборная структура, технология изготовления и методические приемы характеризации таких устройств определяются тем, что они сочетают в себе функциональные особенности разных приборов:
 
– генераторов (необходимость генерации высокой мощности);
 
– оптоэлектронных 
полупроводниковых 
приборов 
(стремление к выявлению и минимизации как оптических, 
так и электрических потерь мощности);
 
– приборов космического применения (необходимость 
достижения и контроля высоких удельных характеристик, 
таких как мощность к массе, мощность к занимаемой площади, мощность к занимаемому объему; увеличение срока 
активного существования приборов под воздействием факторов космического пространства; возможность выявления 
наиболее деградирующих элементов и наиболее значимых 
факторов, приводящих к деградации);
 
– монолитных гетероструктурных каскадных элементов 
с несколькими последовательно включенными в электрическую цепь электрон-дырочными переходами (необходимость 
соблюдения баланса токов, методическая сложность в характеризации отдельных каскадов прибора).

Современные каскадные ФЭП состоят из эпитаксиально- 
выращенной полупроводниковой структуры, контактной 
структуры, антиотражающего покрытия (АОП). Характерные значения толщины слоев элементов приборной структуры находятся в диапазоне от 10 нм до 5 мкм, при этом сам 
прибор имеет площадь фронтальной поверхности ~ 28 см2. 
Качество каждой проведенной технологической операции 
и формируемых слоев напрямую влияет на КПД готового 

прибора. При этом спецификой приборов рассматриваемого 
типа является низкая стойкость к внешним механическим 
воздействиям с высокой долей вероятности образования трещин ввиду их малой толщины (150 мкм) и высокой хрупкости, что требует высокой культуры производства как на этапах изготовления ФЭП, так и на последующих сборочных 
процессах создания СБ, где ФЭП электрически соединяют 
посредством приварки коммутационных шин и шунтирующих диодов, защищают от комплексного воздействия факторов космического пространства приклеиванием защитных 
стекол (ЗС) и монтируют на несущий каркас.
Высокое энергопотребление современных космических 
аппаратов требует создания СБ большой площади, что в свою 
очередь приводит к необходимости организации серийного 
производственного процесса изготовления ФЭП с применением методов контроля качества, которые, с одной стороны, 
достаточно просты в реализации, а с другой – позволяют получить необходимые и достаточные данные о годности и эффективности готового прибора. Для контроля качества изготавливаемых ФЭП проводят их внешний осмотр, исследование 
электрических характеристик. Приборы сортируют по типам 
дефектов, проводят их разбраковку. Только годные приборы 
переходят на последующие операции для монтажа в СБ.
Но помимо выявления дефектных приборов необходимо 
устанавливать причины возникновения дефектов в целях их 
устранения и принятия мер к недопущению впредь. Для этого служат более сложные в реализации, но вместе с тем более 
информативные методы и методики, которые также находят 
применение при отработке новых технологических приемов 
и технологии изготовления новых приборных структур, при 
проведении различного рода испытаний приборов.
В лабораторном практикуме представлены лабораторные 
работы, при выполнении которых обучающийся осваивает 
методы и методики контроля качества полупроводниковых 
приборов и исследования их структурных элементов – изучение контактной структуры (ее геометрии, качества адгезии),