ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SEMICONDUCTOR MULTIJUNCTION SOLAR CELL

Изобретение относится к гетероструктурам полупроводниковых приборов, в частности, обеспечивающих прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую.
Солнечные элементы являются экологически чистым средством получения электрической энергии. Потенциал солнечной энергетики весьма высок: мировое потребление энергии (15 ТВт) составляет около одной сотой процента мощности солнечного излучения, попадающего на Землю; разведанные запасы нефти соответствуют примерно полутора дням солнечного излучения. Солнечные батареи не имеют альтернативы как источник электроэнергии для космических летательных аппаратов.
Используемые солнечные элементы в подавляющем большинстве основаны на кремниевых приборах (98.2% мощности, в том числе 38% - кристаллический кремний, 52% - поликристаллический, 5% - аморфный). Прочие материалы (1.8%) представлены в основном соединением кадмий-теллур (1.6%) и соединениями элементов в III-IV групп (In, Ga, As, Sb, P и др.)
Преобразование энергии солнечного излучения в электрическую в полупроводниковом приборе основано на внутреннем фотоэффекте - генерации электронно-дырочной пары при поглощении фотона.
Конструкция наиболее эффективных солнечных элементов - многопереходных (именуемых также каскадными или тандемными) - основана на последовательном соединении ряда активных компонентов (элементарных солнечных ячеек), обеспечивающих эффективное преобразование солнечного излучения в электричество в своем диапазоне длины волны.
Известен солнечный элемент, содержащий подложку, многопереходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части многопереходной структуры солнечного элемента, при этом многопереходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки, осуществляющей функцию базы, и слоя с противоположным типом проводимости относительно подложки, осуществляющего функцию эмиттера, отличающийся тем, что в качестве материала для нижнего каскада солнечного элемента использован кремний, а комбинированный буфер в составе многопереходной структуры выполнен оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, или верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом, RU 2308122 C1.
Это техническое решение имеет два основных недостатка: во-первых, необходимость иметь различные значения ширины запрещенной зоны диктует использование разных материальных систем - Ge, GaAs, GaInAs, GaInAsP, GaAsSb, что усложняет технологию производства, во-вторых, данный солнечный элемент имеет низкую радиационную стойкость, что приводит к его быстрой деградации в космических приложениях.
l-x
x
Известен полупроводниковый многопереходный солнечный элемент, включающий подложку, на которой размещено не менее двух сопряженных друг с другом выполненных из InGaN двухслойных компонентов с p-n или n-p переходами между слоями, сопряженными посредством туннельного перехода или омического контакта, причем ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к источнику солнечной энергии, US 2004/0118451 А1.
l-x
x
Это устройство обеспечивает последовательное преобразование отдельных полос спектра солнечного излучения. Часть излучения с энергией фотонов, равной или превосходящей ширину запрещенной зоны, поглощается и генерирует электронно-дырочную пару. Излучение с энергией фотонов менее ширины запрещенной зоны свободно проходит через слои верхнего компонента и преобразуется в электрическую энергию в компонентах, расположенных дальше от источника солнечной энергии. Изменение ширины запрещенной зоны достигается варьированием состава эпитаксиального слоя InGaN.
l-x
x
Однако устройство не позволяет достаточно эффективно преобразовать ультрафиолетовую часть спектра солнечного излучения в электрическую энергию. Это объясняется тем, что компоненты устройства-прототипа имеют максимально возможную для твердого раствора InGaN ширину запрещенной зоны Eg=3.4 eV. Однако большая часть ультрафиолетового спектра солнечного излучения соответствует фотонам с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны.
Генерация электронно-дырочной пары при поглощении фотона с такой энергией приводит к появлению горячих носителей заряда, и избыточная энергия, переходящая в тепло в процессе термализации, в электрическую энергию не преобразуется.
Таким образом коэффициент полезного действия солнечного элемента-прототипа относительно невысок и, несмотря на теоретические расчеты, составляет на практике не более 40% (при отсутствии дополнительных концентраторов излучения).
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.
l-x
x
l-x-y
x
y
l-x
x
Согласно изобретению полупроводниковый многопереходный солнечный элемент, включающий подложку, на которой размещено не менее двух сопряженных друг с другом выполненных из InGaN двухслойных компонентов с p-n или n-p переходами между слоями, сопряженными посредством туннельного перехода или омического контакта, причем ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к источнику солнечной энергии, содержит дополнительный двухслойный компонент, выполненный из InGaAlN с p-n или n-p переходом между слоями, размещенный со стороны источника солнечной энергии, сопряженный со смежным двухслойным компонентом из InGaN посредством туннельного перехода или омического контакта; в солнечном элементе, по меньшей мере, один двухслойный компонент содержит, по меньшей мере, одну квантовую яму.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».
l-x-y
x
y
Реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает возможность эффективного использования фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны Eg=3.4 eV. Дополнительный двухслойный компонент из твердого раствора InGaAlN с p-n или n-p переходом между слоями, размещенный со стороны источника солнечной энергии, имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 4.5-5.5 eV.
l-x
x
l-x
x
Излучение, энергия которого ниже 4.5 eV, проходит через дополнительный двухслойный компонент и преобразуется в электрическую энергию в расположенных ниже двухслойных компонентах из InGaN, а ультрафиолетовая часть излучения с энергией фотонов, несколько превышающей 4.5-5.5 eV, эффективно поглощается в дополнительном двухслойном компоненте и в большей части не переходит в тепло в процессе термализации электронов и дырок, что имело бы место при поступлении ультрафиолетовой части излучения в двухслойные компоненты из InGaN.
Таким образом, достигается важный новый результат - значительное увеличение использования ультрафиолетовой части солнечного излучения, благодаря чему существенно повышается коэффициент полезного действия солнечного элемента (до 50% без использования концентраторов излучения).
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, содержащие сведения об эффективном использовании в солнечном элементе ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения. Указанное новое свойство объекта обусловливает, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема полупроводникового многопереходного солнечного элемента.
Полупроводниковый многопереходный солнечный элемент включает низкодислокационную монокристаллическую подложку 1, выполненную из A1 N; это позволяет вырастить активные эпитаксиальные слои с низким уровнем дефектов и тем самым избежать снижения эффективности, связанного с присутствием большого числа дислокации; последние действуют как центры рекомбинации носителей заряда, снижая диффузионные длины электронов и дырок.
l-x
x
На подложке 1 в данном примере размещены три сопряженных друг с другом двухслойных компонента 2, 3, 4, InGaN с p-n (в данном примере) или n-p переходами между слоями. Двухслойные компоненты 2, 3 сопряжены между собой посредством омического контакта 5, а компоненты 3 и 4 - посредством омического контакта 6. Омические контакты представляют собой напыленный слой серебра.
l-x-y
x
y
4
3
2
1
l-x
x
4
0.61
0.39
3
0.45
0.55
2
Двухслойный компонент 4 со стороны солнечного излучения сопряжен посредством омического контакта 7 с дополнительным двухслойным компонентом 8, выполненным из твердого раствора InGaAl N с p-n переходом (в данном примере) между слоями; возможен также n-p переход. Ширина запрещенной зоны (Eg) двухслойных компонентов 2, 3, 4, 8 возрастает в направлении от подложки к источнику солнечной энергии: Eg<Eg<Eg<Eg. Двухслойный компонент 2 выполнен в конкретном примере из соединения InGaN, в котором x=0, то есть из твердого раствора, имеющего в этом случае вид In N. Eg=0.7 eV. В двухслойном компоненте 3 x=0.39, соединение при этом имеет вид InGaN. Eg=1.4 eV. В двухслойном компоненте 4 x=0.55. Соединение имеет вид InGaN с шириной запрещенной зоны Eg=1.84 eV.
0.1
0.45
0.45
1
В дополнительном двухслойном компоненте 8 в конкретном примере x=0.45; y=0.45. Соединение имеет вид InAlGaN, Eg=4.5 eV.
1-x
x
In
Ca
В соединении InGaN ширина запрещенной зоны Eg определяется выражением Eg=(1-x)Eg+х*Eg+α(1-x)x,
In
где Eg - ширина запрещенной зоны In,
Ga
Eg - ширина запрещенной зоны Ga,
α - коэффициент отклонения Eg от линейной зависимости,
0≤x≤1.
y
l-x-y
x
В соединении AlInGaN
Al
In
Ga
Eg=yEg+(1-х-у)Eg+xEg+β(1-x)x+γ(1-y) y,
где β и γ - коэффициенты отклонения Eg от линейной зависимости,
0≤x≤1,
0≤y≤1.
Солнечный элемент изготовлен в едином процессе эпитаксиального роста, при этом каждый двухслойный компонент образован путем подачи соответствующей концентрации реагентов на вход эпитаксиального реактора.
1
2
3
4
Полупроводниковый многопереходный солнечный элемент работает следующим образом. На поверхность двухслойного компонента 8 падает солнечное излучение. Часть фотонов с энергией Eg>4.5 eV поглощается компонентом 8 и вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Разделение электронов и дырок достигается за счет электрического поля p-n перехода между слоями компонента 8. Фотоны с энергией 1.84 eV ≤ Eg≤ 4.5 eV поглощаются компонентом 4, фотоны с энергией 1.4 eV ≤ Eg≤ 1.84 eV поглощаются компонентом 3, фотоны с энергией 0.7 eV ≤ Eg≤ 1.4 eV поглощаются компонентом 2, при этом происходят процессы генерации электронно-дырочных пар и разделение электронов и дырок аналогично описанным для компонента 8. При этом между внешней поверхностью компонента 8 и поверхностью компонента 2, смежной с подложкой 1, возникает разность потенциалов (электрические контакты на этих поверхностях на чертеже условно не показаны). При замыкании этих контактов протекает электрический ток. Контакты выполняются из меди или серебра.
Образцы солнечного элемента с описанными выше параметрами изготовлены в лабораторных условиях с использованием установки хлоридной газофазной эпитаксии. Эффективность полученных образцов (коэффициент полезного действия) составила от 47 до 52 процентов без применения концентраторов солнечного излучения.