Patent RU-138028-U1 (RU)
Title: ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ КАСКАД НА ОСНОВЕ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРЫ InAs/GaAsN НА ПОДЛОЖКЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
IPC: B82B3/00
Filed: 2013-05-23
Granted: 2014-02-27
Abstract: Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам фотоэлектрических преобразователей на основе соединений элементов III и V таблицы Менделеева, таких как InAs, GaAs, GaN, GaP, InP и твердых растворов этих соединений, используемых для изготовления солнечных элементов, то есть преобразующих световую энергию солнца в электрическую энергию, в том числе многопереходных (многокаскадных). 
     Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является создание эффективного фотоэлектрического инфракрасного каскада оригинальной конструкции на основе наногетероструктуры InAs/GaAsN на подложке арсенида галлия, работающего в диапазоне длин волн вплоть до 1200 нм, при комнатной температуре (300 К). Использование настоящего каскада в составе двухкаскадных (первый каскад на основе GaAs, второй каскад на основе InAs/GaAsN) и трехкаскадных (первый каскад на основе InGaP, второй каскад на основе GaAs, третий каскад на основе InAs/GaAsN) солнечных элементов позволяет расширить диапазон преобразуемого солнечного излучения в длинноволновую область солнечного спектра, до длин волн вплоть до 1200 нм, и, тем самым, повысить их коэффициент полезного действия. Использование настоящего каскада в составе четырехкаскадных (первый каскад на основе InGaP, второй каскад на основе GaAs, третий каскад на основе InAs/GaAsN четвертый каскад на основе Ge) солнечных элементов, создаваемых на подложках Ge, позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного излучения в спектральном диапазоне 870-1200 нм, увеличить напряжение холостого хода солнечного элемента и, тем самым, повысить его коэффициент полезного действия. 
     Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является использование слоев соединений и твердых растворов, не содержащих сурьму, в частности наногетероструктуры InAs/GaAsN с минимальной энергией оптических переходов 1.00 эВ, то есть, на 0,4 эВ меньшей, чем минимальная энергия оптических переходов в арсениде галлия. Причем, средний параметр кристаллической решетки используемой наногетероструктуры InAs/GaAsN практически совпадает с параметром кристаллической решетки арсенида галлия, и формирование такой наногетероструктуры на поверхности арсенида галлия не приводит к возникновению кристаллических дефектов, таких как дислокации несоответствия. 
     Технический результат достигается за счет того, что, активная область фотоэлектрического инфракрасного каскада на основе наногетероструктуры InAs/GaAsN состоит из чередующихся сверхтонких слоев узкозонного бинарного соединения InAs и более толстых слоев тройного твердого раствора GaAsN с большей шириной запрещенной зоны, где расстояние между сверхтонкими слоями узкозонного бинарного соединения InAs выбирается таким образом, чтобы обеспечить эффективное перекрытие волновых функций носителей заряда локализованных в области этих слоях, в диапазоне 6-11 нм, а толщина сверхтонких слоев узкозонного бинарного соединения InAs менее 0.5 нм, то есть выбирается таким образом, чтобы предотвратить формирование трехмерных островов арсенида индия на эпитаксиальной поверхности. Активная область предложенной наногетероструктуры не легируется какой-либо примесью. Примесями р- и n-типа легируются только прилежащие к активной области слои арсенида галлия, в результате чего, формируются p-i-n наногетсроструктура и встроенное электрическое поле, разделяющее неосновные носители заряда, в активной области. Предложенная наногетероструктура демонстрирует высокую квантовую эффективность преобразования оптического излучения, внешняя квантовая эффективность более 75% при нулевом отражении, что соответствует величине внутренней квантовой эффективности порядка 90%, а также демонстрирует высокое значение напряжения холостого хода более 0.4 В. Причем при реализации фотоэлектрического инфракрасного каскада используются только слои бинарных соединений InAs, GaAs, и тройных твердых растворов GaAsN, а какие либо слои твердых растворов, содержащие индий и азот одновременно, например InGaAsN, отсутствуют, за счет чего увеличивается время жизни неосновных носителей заряда но причине уменьшения плотности кристаллических дефектов. Использование сходной наногетероструктуры InP/GaPAsN, с чередующимися сверхтонкими слоями InP и более широкозонными слоями GaPAsN, при формировании фотоэлектрического каскада видимого диапазона излучения на подложках GaP и Si, со средним параметром кристаллической решетки близким к параметру указанных подложек, также приводит к эффективному преобразованию солнечного излучения в электрическую энергию. Минимальная энергия оптических переходов в сверхрешетках меняется посредством изменения периода сверхрешетки и элементного состава образующих сверхрешетку слоев GaAsN, которые изменяются лишь посредством изменения потока галлия на энитаксиальную поверхность. Также вместо подложки арсенида галлия, как альтернатива, может использоваться подложка германия.