книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики.-1

СЭ с параллельным разделением солнечного спектра состоят из узкополосных СЭ, разнесенных в плоскости, но имеющих общие токосъемные шины для всех ячеек. Имеют рекордный КПД 43 %, но требуют фазовых голограмм для разделения солнечного света на спектральные поддиапазоны. Они позволяют добиться такой спектральной зависимости дисперсии прошедшего света, при которой 80–90 % энергии, сосредоточенной в данном диапазоне, направляется на соответствующий СЭ (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Солнечная батарея из трех параллельно соединенных СЭ первого поколения, в которой параллельное разделение спектров осуществляется плоской фазовой голограммой: а – общая схема;

б– распределение высот вступов голограммы; в – то же распределение

вувеличенном горизонтальном масштабе. Расстояние d = 1 см [3]

Солнечные элементы третьего поколения экситонного типа работают как фотоэлектрические преобразователи не диодного, а фотоэлектрохимического типа. Они состоят из слоя органического полимера (донора), поверх которого нанесен слой прозрачного для солнечного света материала с электронным типом проводимости (акцептора). В фотоэлектрическом донорном слое под действием солнечного излучения генерируются экситоны. Разделение экситонов на свободные электроны и дырки, создающие фототок, происходит при достижении экситонами границы донорного слоя и электронного акцептора.

3.3.2. Солнечные элементы на основе металлоорганических перовскитов

Перовскит – минерал, титанат кальция. Эмпирическая формула – CaTiO3. Перовскит – источник Ti, Nb и ряда других элементов. Перовскит светлых цветов прозрачен. Твердость по минералогической шкале

51

5,5–6, плотность 3,97–4,0 г/см3. Кальций может замещаться на Ce, Ti на Nb и Та. Атомы титана в перовските расположены в узлах слабо искаженной кубической решетки. В центрах псевдокубов располагаются атомы кальция. Атомы кислорода образуют вокруг атомов титана практически правильные октаэдры, которые немного развернуты и наклонены относительно идеальных положений. Среди соединений, имеющих структуру перовскита, оксиды, галогениды, интерметаллиды.

Металлоорганические перовскиты (МОП) – это материалы с хи-

мической формулой ABX3 и определенным типом кристаллической

структуры, показанной на рис. 3.8, а. A и B – катионы, X – анион. Например, для перовскита CH3NH3PbI3 катион А – метиламмоний

(CH3NH3 ), ионный радиус 0,18 нм, меньший катион B – тяжелый ме-

талл свинец Pb (ионный радиус 0,07 нм), анион – йод I (ионный радиус 0,13 нм). Энергетическая структура электронных состояний металлоорганического перовскита показана на рис. 3.8, б. Валентная зона формируется -cвязями Pb6s–I5p, зона проводимости – -связями

Pb6p–I5s и -cвязями Pb6p–I5s.

Рис. 3.8. Кристаллическая структура синтетических перовскитов

сметаллоорганическими катионами (А, В) и анионами (Х) (а)

иэнергетическая структура электронных состояний

вметаллоорганическом перовските CH3NH3PbI3, сформированная

катион-анионным кластером PbI3 4 (б) [3]

Главное достоинство галогенидов со структурой перовскита МОП – это высокое оптическое поглощение (до 106 см 1) в ближнем ультра-

фиолете и большое в диапазоне солнечного излучения. Экспериментальные значения показателей поглощения указывают на прямозонные

52

электронные переходы. Значения статической диэлектрической проницаемости МОП подтверждают ионную структуру кристаллов и низкую энергию кристаллической решетки. Интегральный коэффициент поглощения МОП в солнечном спектре сравним с коэффициентом поглощения легированных многокомпонентных полупроводников типа CdTe, что уникально для экситонного СЭ. Наибольший вклад в изменение ширины запрещенной зоны вносит вариация состава неорганической части МОП. Изменение в 0,4 эВ дает комбинация катионов свинца Pb и олова Sn в одном кристалле. Изменение в 1,6 эВ дает комбинация анионов.

На рис. 3.9 показана современная тонкопленочная гетеропереходная структура p–i–n-типа с перовскитом: 1-й слой – алюминий Al; 2-й слой – оксид титана TiO2; 3-й слой – PCBM ((6.6)-фенил-С61-бути-

ровой кислоты метиловый эфир); 4-й слой – i-слой (МОП) перовскита; 5-й – слой PEDOT-PSS (натриевая соль сульфанированного полистирола + поли-3-4-этилендиокситиофен); 6-й слой – SnO2:F(FTO)-анод.

Рис. 3.9. Солнечный элемент – современная тонкопленочная гетеропереходная структура p–i–n-типа с перовскитом [3]

Предположительный механизм работы СЭ на основе МОП.

Падающее излучение вызывает в прямозонном полупроводнике перовските электронные переходы на энергетические уровни с высокой плотностью состояний. Некоторые возбужденные электроны в зоне проводимости оказываются свободными. Остальные электроны связываются с дырками и формируют экситоны с энергией связи от 0,02 до 0,55 эВ в зависимости от структуры МОП (размерность кристалла 3D, 2D, 1D, 0D) и его статических электрических свойств.

53

Для перовскита CH3NH3PbI3 энергия связи экситонов лежит

в интервале от 0,02 до 0,05 эВ. Это пограничная область между экситонами Ванье – Мотта 0,02 эВ и экситонами Френкеля 0,1 эВ. Это диодный СЭ, у которого в фототоке преобладают свободные носители. В других видах МОП экситоны имеют энергию связи больше 0,1 эВ и в центральной части слоя МОП в фототоке преобладают экситоны. После диссоциации экситонов в МОП длины свободных пробегов составляют для электронов 0,5 мкм и дырок 1 мкм. Это позволяет использовать i-слои перовскита толщиной 350–500 нм. Оптимальный тонкопленочный p–i–n-СЭ на основе МОП имеет также толщину слоя материала с электронной проводимостью и толщину слоя материала с дырочной проводимостью от десятков до трех сотен нанометров. Их экспериментальный КПД составляет около 20 %.

3.4.ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Особое значение для оптроники имеют строчки и матрицы, использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) – это интегральные микро-

схемы, состоящие из совокупности МДП-структур (металл – диэлектрик – полупроводник), сформированных на общей полупроводниковой подложке. Полоски электродов образуют линейчатую или матричную регулярную структуру. Расстояния между соседними электродами малы, так что становится существенным их взаимовлияние из-за пространственного перекрытия заряда между краями соседних электродов

(рис. 3.10).

Рис. 3.10. Структура прибора с зарядовой связью:

1 – кристалл кремния; 2 – вход и выход; 3 – металлические электроды; 4 – диэлектрик (окись кремния) [4]

54

В ПЗС осуществляется направленная передача заряда от электрода к электроду путем манипуляции электрическими напряжениями на этих электродах. Используется термин «фоточувствительный прибор

сзарядовой связью» (ФПЗС).

3.4.1.Технология изготовления фоточувствительного прибора с зарядовой связью

ФПЗС изготавливают на основе монокристаллического кремния. На поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создается тонкая (0,1–0,15 мкм) диэлектрическая пленка окиси кремния SiO2. Обеспечивается совершенство границы раздела полупро-

водник–диэлектрик и минимальная концентрация рекомбинационных центров на границе. Электроды отдельных МДП-элементов производятся из алюминия, их длина 3–7 мкм, зазор между электродами составляет 0,2–3 мкм. Типичное число МДП-элементов составляет 500–2000 в линейном и 104–106 в матричном ПЗС, площадь пластины 1см2. Под

крайними электродами каждой строки изготавливают p–n-переходы, для ввода и вывода порции зарядов фотоэлектрическим способом ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении, во избежание затеняющего действия электродов, алюминий заменяют пленкой сильнолегированного поликристаллического кремния, прозрачного в видимой ближней ИК-области спектра.

Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трехфазной схемой, показан на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра: I, II, III – рабочие такты; Ucм – напряжение смещения; Uc – напряжение считывания; Uхр – напряжение хранения

55

Втечение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается напряжение хране-

ния Uхр. Оно оттесняет основные носители дырки в глубь проводника и образует обедненные слои глубиной 0,5–2 мкм, потенциальные ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объеме кремния избыточные электрон-дырочные пары. Электроны стягиваются в потенциальные ямы и локализуются в тонком приповерхностном слое под электродами 1, 4, 7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.

Во время такта II на электродах 2, 5, 8 прикладывается напряже-

ние считывания Uc, более высокое, чем Uхр. Под электродами 2, 5, 8 возникают более глубокие потенциальные ямы, чем под электродами 1, 4, 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5, 7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние более глубокие потенциальные ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается

до Uхр, а с электродов 1, 4, 7 снимается. Так осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во все время работы на электродах, не подключенных к потенциа-

лам Uхр или Uc, поддерживается небольшое напряжение смещения Ucм, равное 1–3 В, обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление рекомбинационного эффекта.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний p–n-переход последовательно все зарядовые пакеты, возбужденные светом в строке. В выходной строке возникают импульсы напряжений, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещенности трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется

впоследовательность электрических импульсов.

Влинейном ФПЗС (рис. 3.12, а) заряды, накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из четных элементов) и в регистр 3 (из нечетных). В то время как по этим регистрам информация передается через выход 4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр.

ВФПЗС с кадровым переносом (рис. 3.12, б) информация, воспринятая матрицей накопления 1, быстро сбрасывается в матрицу хранения 2, из которой последовательно считывается ПЗС-регистром 3. В это же время матрица 1 накапливает новый кадр.

56

жестким геометрическим растром, позволяющим фиксировать координаты элементов разложения и исключить дисторсию искажения растра; долговечностью, меньшей потребляемой мощностью, нечувствительностью к внешним магнитным и электрическим полям.

Рис. 3.13. Разновидности приборов с зарядовой связью с поверхностным (а, б) и объемным каналами (в)

Основное функциональное назначение фоточувствительных ПЗС – это преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов (формирование видеосигнала). Эти приемники позволяют принимать, хранить некоторое время и последовательно передавать при считывании оптические сигналы.

Список литературы

1.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: учеб. пособие: в 2 т. – Долгопрудный: Интеллект, 2012. – Т. 2. – 784 с.

2.Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: учеб. пособие. – СПб.: Лань, 2011. – 544 с.

3.Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития/В.А.Миличко[идр.]//УФН.–2016.–Т.186,№8.–С.801–852.

58

ГЛАВА 4. МОДУЛЯТОРЫ

4.1.ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ

4.1.1.Электрооптические модуляторы света

Электрооптический эффект – это изменение показателя преломления, вызванное наложением постоянного или низкочастотного электрического поля. Модуляторы света – устройства для управления параметрами световыхпотоков,т.е.амплитудой,частотой,фазой,поляризацией.

Фазовые электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса

Модуляторы используют линейное изменение показателя преломления нецентрально-симметричных кристаллов в зависимости от величины электрического поля, в котором находится кристалл:

где n0 – показатель преломления кристалла без поля; r – электроопти-

ческий коэффициент, зависящий от свойств и ориентации кристалла, направления поля E и поляризации проходящего света. Типичные значения лежат в интервале 10 12 r 10 10 м/В. Например, для E 106 м/В (10 кВ приложено к ячейке толщиной 1 см) второе слагаемое в уравне-

нии (4.1) порядка 10 4 –10 6.

В ячейках Поккельса используют кристаллы NH4H2PO4(ADP)1, KH4PO4(KDP), LiNbO3, LiNbO3, CdTe.

Световой пучок, прошедший путь в кристалле, помещенном в электрическое поле, приобретает фазовый сдвиг

2 nL 0 n03rE ,

где – длина волны света в вакууме; 0 – начальный сдвиг фаз света в кристалле без поля; L – длина ячейки Поккельса.

1 В скобках сокращенное обозначение кристалла.

59

Наличие фазового сдвига 0 E означает фазовую мо-

дуляцию света. Линейный эффект позволяет изменять фазу за 10–12 с. При приложении электрического поля поперек к направлению распространения света внешнее электрическое напряжение U Eh , где h – размер кристаллического элемента по направлению силовых

линий электрического поля Е.

Полуволновое напряжение – напряжение, которое необходимо приложить к фазовому модулятору света для получения сдвига фаз на угол

180 , U /2 h / Ln03r. Полуволновое напряжение используется как

характеристика модулятора света на низких частотах модуляции.

На высоких частотах сдвиг фазы удобно определять как функцию мощности Р управляющего сигнала:

0 qP,

где q – величина, характеризующая качество модулятора света, зависящее от кристалла, его геометрии и отношения длины кристалла к площади его поперечного сечения.

На высоких частотах фаза модулирующего сигнала меняется за время прохождения светом кристалла:

где E0, , kM – амплитуда, частота, волновое число модулирующего

электрического поля; z – направление распространения света в кристалле. Длина модулирующего элемента не должна превышать величины

(LiNbO3), танталат лития (LiTaO3). Полуволновые напряжения модуляторов меняются от 100 В для длинных и тонких кристаллов в поперечном поле до 5 кВ в модуляторах, использующих широкие кристаллы в продольном поле.

Амплитудные модуляторы с поляризационной ячейкой отличаются от фазовых модуляторов наличием двух скрещенных поляризаторов, между которыми находится кристалл (рис. 4.1).

60