СИСТЕМА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SYSTEMS OF PHOTOELECTRIC CONVERTERS OF SOLAR RADIATION

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к конструкциям фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения на основе гетероструктур.
3
5
3
5
20
-3
В настоящее время наиболее перспективным направлением развития солнечной энергетики является концентраторная фотовольтаика, позволяющая использовать за счет существенного снижения расхода полупроводникового материала при концентрировании света современные высокоэффективные, но дорогостоящие многокаскадные фотопреобразователи. В концентраторных фотоэлементах уже достигнуты эффективности свыше 40%, что более чем в 2 раза превышает КПД кремниевых фотоэлектрических преобразователей. Каскадные солнечные элементы на основе материалов AB на германиевых подложках используют в космических батареях благодаря их высокому удельному энергосъему и большому сроку службы на орбите. В наземных условиях их применение оказывается целесообразным только в концентраторных модулях со степенью концентрирования более 500 крат. Среди возможных путей развития концентраторной фотовольтаики, наряду с использованием монолитных каскадных AB-структур, представляется достаточно перспективным исследование систем с расщеплением спектра. Использование селективных оптических элементов в концентраторных модулях является новым шагом в развитии солнечной энергетики и открывает широкие возможности для дальнейшего повышения КПД фотопреобразователей при использовании одно- и двухпереходных фотоэлементов, преобразующих различные спектральные диапазоны, что снимает ограничения, вызванные необходимостью использования полупроводниковых материалов с одной постоянной решетки, а также снижает количество служебных фотопассивных слоев, в том числе и высоколегированных (р>10 см) слоев, используемых в туннельных диодах.
Известна система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения (см. патент US №7122733, МПК H01L 136/249, опубликован 17.10.2006), состоящая из подложки, на которой последовательно расположены первый буферный слой, второй буферный слой, первый многокомпонентный слой с первым типом легирования на основе соединения, содержащего бор, второй многокомпонентный слой со вторым типом легирования на основе соединения, содержащего бор, и широкозонный слой. Второй буферный слой имеет большую ширину запрещенной зоны, чем первый многокомпонентный слой. Содержание бора в первом и втором многокомпонентных слоях больше 3%.
К недостаткам известной системы относится необходимость согласования полупроводниковых материалов по периоду решетки, а также сложность технологии выращивания многокомпонентных соединений с бором (использована газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений).
Известна система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения (см. патент US №6281426, МПК H01L 25/00, опубликован 28.08.2001), включающая многопереходный монолитный фотопреобразователь, состоящий из фотоактивных р-n-переходов, соединенных в тандем и расположенных на подложке GaAs или Ge. Предложено три варианта реализации системы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения. Первый вариант - двухпереходный солнечный элемент, состоящий из нижнего р-n-перехода на основе GaInAsN или GaAsGe и верхнего р-n-перехода на основе GaInAsP. Второй вариант системы - трехпереходный солнечный элемент, включающий в себя дополнительный р-n-переход на основе Ge, расположенный под нижним р-n-переходом первого варианта системы. Третий вариант системы - трехпереходный солнечный элемент, включающий в себя нижний р-n-переход на основе GaInAsN или GaAsGe, средний р-n-переход на основе GaAs и верхний р-n-переход на основе GaInP. Четвертый вариант системы - четырехпереходный солнечный элемент, включающий в себя первый р-n-переход на основе GaInP, второй р-n-переход на основе GaAs, третий р-n-переход на основе GaInAsN или GaAsGe и четвертый р-n-переход на основе Ge.
К недостаткам такой системы относятся сложность технологии получения фотопреобразователя из-за большого количества последовательно выращиваемых слоев, требующих согласования между собой по периоду решетки, сложности получения многокомпонентных соединений на основе азота, а также необходимость выполнения требования согласования р-n-переходов по току в такой фотоэлектрической системе.
1
2
3
4
Известна система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения (см. патент US №5853497, МПК H01L 25/00, опубликован 29.12.1998), совпадающая с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Система содержит два согласованных по току или напряжению фотоэлектрических преобразователя, каждый из которых содержит по два фотоактивных p-n-перехода. Первый фотоэлектрический преобразователь установлен на втором фотоэлектрическом преобразователе и прикреплен к нему адгезивом. Четыре фотоактивных p-n-перехода фотоэлектрических преобразователей работают соответственно в диапазонах длин волн λ<0,67, λ<0,89, λ<1,3 и λ<1,7 мкм. Для получения указанных p-n-переходов были использованы следующие материалы: GaInP, GaAs, GaInAsP и GaInAs.
Недостатками системы-прототипа являются сложность технологии получения монолитных двухпереходных фотоэлектрических преобразователей и дальнейшего согласования их по току или напряжению, трудность получения надежного механического и электрического контакта между двумя фотоэлектрическими преобразователями, сложность монтажа и теплоотвода. Кроме того, при расположении фотоэлектрических преобразователей друг под другом возникают оптические потери, что снижает эффективность системы фотоэлектрических преобразователей.
Задачей заявляемого изобретения является разработка такой системы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения, которая позволяет упростить технологию ее изготовления, обеспечивает возможность преобразования солнечного излучения высокой плотности, свободу выбора вида электрической коммутации фотоэлектрических преобразователей (параллельное или последовательное соединение), что должно привести к увеличению общего КПД фотопреобразования солнечного излучения.
1
Поставленная задача решается тем, что система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения включает оптическую систему, разделяющую солнечное излучение на первый световой поток со спектральным диапазоном с длинами волн λ, удовлетворяющим соотношению:
1
λ<0,54-0,68 мкм;
2
на второй световой поток со спектральным диапазоном с длинами волн λ, удовлетворяющим соотношению:
1
2
λ<λ<0,83-1,0 мкм;
3
на третий световой поток со спектральным диапазоном с длинами волн λ, удовлетворяющим соотношению:
2
3
λ<λ<1,3-1,4 мкм;
4
и на четвертый световой поток со спектральным диапазоном с длинами волн λ, удовлетворяющим соотношению:
4
3
λ>λ;
g1
g2
g3
g4
и четыре фотоэлектрических преобразователя с одиночным р-n-переходом, при этом первый фотоэлектрический преобразователь, установленный на пути первого светового потока, выполнен на основе полупроводникового материала с E=1,8-2,3 эВ; второй фотоэлектрический преобразователь, установленный на пути второго светового потока, выполнен на основе полупроводникового материала с E=1,3-1,5 эВ; третий фотоэлектрический преобразователь, установленный на пути третьего светового потока, выполнен на основе полупроводникового материала с E=0,9-1,1 эВ, и четвертый фотоэлектрический преобразователь, установленный на пути четвертого светового потока, выполнен на основе полупроводникового материала с E=0,6-0,75 эВ.
x
1-x
x
0.5-x
0.5
x
1-x
Первый фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен на основе твердых растворов AlGaAs, где x=0,3-0,35, на подложке GaAs, на основе твердых растворов AlGaInP, где х=0-0,1, на подложке GaAs или на основе твердых растворов GaInP, где х=0,40-0,55, на подложке GaAs.
x
1-x
Второй фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен на основе твердых растворов GaInAs, где х=0,9-1, на подложке GaAs или на основе бинарного соединения InP.
x
1-x
y
1-y
x
1-x
y
1-y
Третий фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен на основе твердых растворов AlGaAsSb, где х=0,2-0,25, y≤0,32, на подложке GaSb или на основе твердого раствора GaInAsP, где х=0,23-0,25, y=0,5-0,45, на подложке InP.
x
1-x
y
1-y
x
1-x
Четвертый фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен на основе бинарного соединения GaSb, на основе твердого раствора GaInAsSb с х≥0,88, y≤0,104, на подложке GaSb или на основе твердого раствора AlGaSb с х≤0,05, на подложке GaSb.
Все фотопреобразователи могут быть изготовлены методом жидкофазной эпитаксии и диффузии.
Фотоэлектрические преобразователи в предлагаемой конструкции могут быть соединены между собой либо параллельно, либо последовательно, либо последовательно-параллельно, благодаря тому что появляется возможность независимого подключения каждого фотопреобразователя к соответствующей нагрузке.
i
В заявляемой системе для каждого из четырех световых потоков, на которые расщеплено излучение солнечного спектра с помощью оптической системы из селективных оптических элементов - дихроических призм, селективных оптических фильтров и других известных элементов, подобраны полупроводниковые материалы фотоэлектрических преобразователей с соответствующей шириной запрещенной зоны E.
Использование принципа спектрального расщепления света позволяет расположить в системе фотоэлектрические преобразователи с одним или несколькими p-n-переходами отдельно друг от друга, тем самым удешевить и упростить как сами преобразователи, так и процесс их монтажа. Возможные потери в этом случае, вызванные несогласованностью токов и напряжений, могут быть минимизированы за счет простоты коммутации одно- и двухпереходных фотоэлектрических преобразователей в системе при раздельном монтаже.
Заявляемая система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения поясняются чертежами, где:
на фиг.1 схематично изображено поперечное сечение фотоэлектрического преобразователя;
на фиг.2 показан спектр излучения Солнца, разделенный при помощи селективных оптических элементов на четыре световых потока с разными спектральными диапазонами;
на фиг.3 показаны спектральные характеристики четырех фотоэлектрических преобразователей в сравнении со спектром излучения Солнца, разделенного при помощи селективных оптических фильтров на четыре световых потока с разными спектральными диапазонами;
на фиг.4 приведена одна из возможных схем системы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения;
3
5
на фиг.5 в таблице представлены полупроводниковые материалы AB и твердые растворы на их основе.
3
4
2
5
1
2
3
4
1
1
2
2
3
3
4
На фиг.1 поясняется общая схема используемых фотоэлектрических преобразователей заявляемой системы. Каждый из четырех фотоэлектрических преобразователей, выращиваемых на подложке 1, имеет один p-n-переход (слои 2, 3), антиотражающее покрытие 4, фронтальный контакт 5 и тыльный контакт 6. В фотоэлектрических преобразователях на основе GaAs, AlGaAs или AlGaAsSb может быть нанесен слой 7 для создания тыльного потенциального барьера. Широкозонное оптическое «окно» 8 может быть использовано для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации, например, в фотоэлементах на основе GaAs, AlGaAs и AlGaAsSb. Слои 7, 8 не являются необходимыми и обязательными, например, для фотоэлектрического преобразователя на основе антимонида галлия. Нанесение контактного слоя 9 обеспечивает низкое переходное сопротивление и хорошую адгезию металлов контакта для структур с широкозонным оптическим «окном» 8 на основе GaAs, AlGaAs или AlGaAsSb. Электрохимически осажденные контактные слои 10, 11 снижают омическое сопротивление контактов, напыленных ранее, за счет увеличения их толщины. Выращивание слоев 2, 3, 7, 8 производят эпитаксиальными методами на подложке 1. Допустимо применение диффузионных процессов из газовой фазы для создания p-n-перехода (например, это наиболее удобный способ формирования приборной структуры на основе GaSb). Для осаждения антиотражающих покрытий 4 может быть использовано термическое вакуумное напыление. Формирование фронтального контакта 5 и тыльного контакта 6 проводят с использованием методов термического или электронно-лучевого испарения в вакууме, а также магнетронным распылением. В качестве антиотражающего покрытия 4 могут быть использованы, например, пленки SiN, TaO, ZnS или двухслойные композиции на основе сульфида цинка и фтористого магния, обеспечивающих интерференцию и взаимное гашение световых волн, отраженных от поверхности пленки и от границы металл-полупроводник. Изменение толщины d4 антиотражающего покрытия будет смещать минимум кривой отражения в заданную область спектра (λ, λ, λ, λ). На фиг.2 приведен солнечный спектр излучения после прохождения сквозь систему селективных оптических элементов. На фиг.2 обозначены: 12 - первый разделенный оптический диапазон λ<0,54-0,68 мкм; 13 - второй разделенный оптический диапазон λ<λ<0,83-1,0 мкм; 14 - третий разделенный оптический диапазон λ<λ<1,3-1,4 мкм; 15 - четвертый разделенный оптический диапазон λ<λ. На фиг.4 в качестве примера показана заявляемая система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения с селективными оптическими фильтрами, а также приведен ход лучей в системе. На фиг.4 обозначены: 16 - падающий концентрированный солнечный свет; 17, 18, 19 - излучение, прошедшее соответственно сквозь фильтр 20, фильтр 21 и фильтр 22; 23, 24, 25 - излучение, отраженное фильтром 20, 21 и 22 соответственно; 26 - концентраторная система; фильтр 20 - оптический фильтр, работающий на пропускание при λ=1,3-2,0 мкм (η≈95%) и на отражение при λ<1,3 мкм (η≈95%); фильтр 21 - оптический фильтр, работающий на отражение при λ=0,9-1,3 мкм (η≈90%) и на пропускание при λ<0,9 мкм (η≈95%); фильтр 22 - оптический фильтр, работающий на отражение при λ=0,65-0,9 мкм (η≈90%) и на пропускание при λ<0,65 мкм (η≈95%); 27 - первый фотоэлектрический преобразователь, 28 - второй фотоэлектрический преобразователь, 29 - третий фотоэлектрический преобразователь, 30 - четвертый фотоэлектрический преобразователь. Концентрированный при помощи концентраторной системы 26 солнечный свет 16 попадает на селективный фильтр 20, излучение 23 (первый световой поток), отраженное фильтром 20, преобразуется первым фотоэлектрическим преобразователем 27; излучение, прошедшее сквозь фильтр 20, попадает на фильтр 21; отраженное фильтром 21 излучение 24 (второй световой поток) преобразуется вторым фотоэлектрическим преобразователем 28; прошедшее сквозь фильтр 21 излучение 18 попадает на фильтр 22; отраженное фильтром 22 излучение 25 (третий световой поток) преобразуется третьим фотоэлектрическим преобразователем 29; излучение 19 (четвертый световой поток), прошедшее сквозь фильтр 22, преобразуется четвертым фотоэлектрическим преобразователем 30.
1
g1
g2
2
2
3
g3
3
4
g4
3
5
Пример. Для преобразования коротковолновой части спектра использовались фотоэлектрические преобразователи на основе AlGaAs и GaAs. Спектральному диапазону λ<0,68 мкм соответствует гетероструктура AlGaAs с шириной запрещенной зоны E~1,86 эВ, содержанием алюминия в широкозонном оптическом «окне» ~90%, содержанием алюминия в базовом и эмиттерном слое ~35%, содержанием алюминия в тыльном потенциальном барьере ~50%. Фотоэлектрический преобразователь на основе GaAs (E~1,42 эВ, содержание алюминия в широкозонном оптическом «окне» ~50%, содержание алюминия в тыльном потенциальном барьере ~10%) работает в спектральном диапазоне λ<0,9 мкм. Для длинноволновой части спектра использовались фотоэлектрические преобразователи в системах AlGaAsSb/GaSb (с содержанием алюминия в базовом и эмиттерном слоях ~20%, содержанием мышьяка ≤5%, λ<λ<1,3-1,4 мкм, E~0,95 эВ) и GaSb (λ<λ, E~0,72 эВ). Фотоэлектрические преобразователи на основе AlGaAsSb/GaSb-гетероструктур могут быть усовершенствованы за счет осаждения слоя широкозонного оптического «окна» с содержанием алюминия в базовом слое до ~25% и/или выращиванием тыльного потенциального барьера. Из сравнения представленных на фиг.3 спектральных характеристик четырех указанных фотоэлектрических преобразователей со спектром излучения Солнца (АМ1,5 D) следует возможность их эффективного использования для преобразования солнечного излучения практически во всем спектральном диапазоне (λ=0,35-1,8 мкм). На фиг.4 представлен вариант разделения солнечного спектра на четыре световых потока с соответствующими спектральными диапазонами и преобразования их фотоэлектрическими преобразователями, смонтированными на отдельных теплоотводах и расположенных рядом друг с другом. Такая система дает возможность как вывода напряжения с каждого фотоэлектрического преобразователя на отдельную нагрузку, так и произвольной коммутации фотоэлектрических преобразователей между собой. На фиг.5 в таблице представлены полупроводниковые материалы AB и твердые растворы на их основе, параметры которых (в первую очередь, ширина запрещенной зоны) соответствуют задаче преобразования соответствующего спектрального диапазона солнечного спектра.