МНОГОСЛОЙНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MULTI-LAYER PHOTO CONVERTER

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к многопереходным (каскадным) солнечным фотоэлементам, которые преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.
Мировой рынок наземных солнечных фотоэлектрических систем растет в среднем на 30% в год с 2000 г. Согласно оценкам объем рынка фотоэнергосистем в 2020 г. превысит 50 ГВт/год, т.е. за 15 лет объем рынка увеличится в 25 раз. Однако развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразователей (солнечных элементов), важнейшим параметром которых является эффективность преобразования солнечной энергии (КПД).
3
5
3
5
Одним из наиболее успешных направлений развития солнечных элементов является использование гетероструктур. Наибольшей эффективностью преобразования (до 40%) обладают каскадные гетероструктурные фотопреобразователи на основе соединений АB, которые находят свое применение в наземных (концентраторных) и космических солнечных батареях. Важным преимуществом гетероструктурных СЭ на основе соединений АB, обуславливающим экономическую перспективность их использования в наземных условиях, является также их способность эффективно преобразовывать концентрированное солнечное излучение, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения и существенно снизить стоимость солнечной энергии.
+
+
+
+
+
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Известен многопереходный фотопреобразователь (см. патент US №4667059, H01L 31/0304, опубликован 19.05.1987), включающий нижний элемент с фотоактивным р-n переходом для преобразования фотонов низкой энергии, выполненный из GaAs, содержащий p-GaAs базовый слой толщиной 2,9-3,1 мкм, осажденный на подложку p-GaAs, выполняющую роль тыльного потенциально барьера, и n-GaAs эмиттерный слой толщиной 0,1-0,3 мкм, осажденный на p-GaAs слой; верхний элемент с фотоактивным p-n переходом для преобразования фотонов высокой энергии, выполненный из GalnP, содержащий p-GalnP слой, выполняющий роль тыльного потенциального барьера, осажденный на n-GaAs слой, p-GalnP базовый слой толщиной 2,9-3,1 мкм, осажденный на p-GalnP слой и n-GalnP эмиттерный слой толщиной 0,05-0,15 мкм, осажденный на p-GalnP слой и низкоомную развязку между верхним и нижним элементами, представляющую собой p/n туннельный диод. Состав твердого раствора GalnP, используемого в качестве материала для верхнего перехода, находится в диапазоне 0,505≤×≤0,515, что позволяет реализовать согласованные по параметру решетки с GaAs слоями в диапазоне температур 300-900 К. Ширина запрещенной зоны верхнего и нижнего переходов составляет порядка 1,9 эВ и порядка 1,4 эВ соответственно.
x
1-x
Недостатками данной структуры являются: отсутствие "широкозонных" окон - потенциальных барьеров на границах эмиттерных слоев, что приводит к заметному падению коротковолновой чувствительности GalnP и GaAs переходов и выражается в меньших токах короткого замыкания и КПД для приборов на основе такой структуры; большая толщина p-GalnP базового слоя, при которой невозможно достижение согласования по току верхнего и нижнего переходов как для наземного, так и для космического спектров и расположение тыльного потенциального барьера для нижнего элемента на металлургической границе подложка-эпитаксиальный слой, которая может характеризоваться наличием рекомбинационных центров и проявляться в виде пониженной длинноволновой чувствительности GaAs элемента каскада.
+
19
+
18
+
18
17
+
18
+
19
+
19
+
18
+
18
+
18
17
+
18
+
18
+
Известен многослойный фотопреобразователь (см. Tatsuya Takamoto, Eiji Ikeda, and Hiroshi Kurita, - "Over 30% efficient InGaP/GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 70 (3), 1997), включающий p-GaAs подложку с уровнем легирования атомами Zn <1·10 с последовательно осажденными на нее слоями: буферного слоя p-GaAs (7·10 Zn) толщиной 0,3 мкм, p-GalnP (2·10 Zn) тыльного потенциального барьера для нижнего перехода толщиной 0,1 мкм, p-GaAs (1·10 Zn) базового слоя нижнего перехода толщиной 3 мкм, n-GaAs (2·10 Si) эмиттерного слоя нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AllnP (1·10 Si) широкозонного окна нижнего элемента толщиной 0,05 мкм, n-GalnP (1·10 Si) слоя туннельного диода толщиной 0,015 мкм, p-GalnP (8·10 Zn) слоя туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слоев p-AIInP (<1·10 Zn) толщиной 0,03 мкм и p-GaInP (2·10 Zn) толщиной 0,03 мкм, являющихся комбинированным тыльным потенциальным барьером верхнего элемента, р-GaInP (1,5·10 Zn) базового слоя верхнего элемента толщиной 0,55 мкм, n-GaInP (2·10 Si) эмиттерного слоя верхнего элемента толщиной 0,05 мкм, n-AIInP (<8·10 Si) широкозонного окна верхнего элемента толщиной 0,3 мкм и контактного слоя p-GaAs толщиной 0,3 мкм.
+
Недостатками известного многослойного фотопреобразователя являются: наличие гетерограниц между фосфидными и арсенидными слоями, характеризующихся повышенными скоростями поверхностной рекомбинации, внутри фотоактивной части нижнего GaAs элемента каскадного фотопреобразователя вследствие использования GaInP и AIInP в качестве тыльного потенциального барьера и широкозонного окна для этого элемента, что может приводить к падению спектральной чувствительности, уменьшению тока короткого замыкания и снижению эффективности преобразования для такой структуры; использование широкозонных твердых растворов GaInP для создания туннельного диода, что обуславливает падение пикового тока туннелирования и увеличение последовательного сопротивления такого диода и приводит к потерям мощности внутри структуры фотопреобразователя и использование атомов Zn, обладающих большим коэффициентом диффузии, в качестве легирующей примеси для слоя туннельного диода и, как следствие, низкая концентрация атомов Zn в p-GaInP слое туннельного диода, увеличивающая последовательное сопротивление диода.
x
1-x
Известен двухпереходный солнечный элемент (см. патент US №6281426, H01L 25/00, опубликован 28.08.2001), выполненный из материалов, согласованных по параметру решетки с подложками GaAs или Ge, который включает: первый элемент, расположенный на подложке, включающий, по крайней мере, один полупроводниковый слой p-проводимости и один полупроводниковый слой n-проводимости, состоящий из (GaAs)Ge или других твердых растворов с шириной запрещенной зоны в диапазоне 0,67-1,3 эВ, второй элемент, расположенный на первом элементе, включающий, по крайней мере, один полупроводниковый слой р-проводимости и один полупроводниковый слой n-проводимости, состоящий из твердых растворов GaInAsP, GaInNP, AIGaAs или GaInAsNP и туннельного диода, расположенного между первым и вторым элементами.
Недостатками известного двухпереходного солнечного элемента являются: отсутствие тыльных потенциальных барьеров и широкозонных окон у верхнего и нижнего переходов, что приводит к значительным потерям в спектральной чувствительности и КПД приборов на основе такой структуры.
17
17
16
18
18
+
19
+
19
+
18
17
+
18
17
+
Известен многослойный фотопреобразователь (см. К.A.Bertness, Sarah R.Kurtz, D.J.Friedman, A.E.Kibbler, C.Kramer, and J.M.Olson, - "29.5% - efficient GaInP/GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 65 (8), 1994), включающий p-GaAs подложку, легированную атомами Zn с последовательно осажденными на нее слоями: буферного слоя p-GaAs (3·10 Zn) толщиной 0,2 мкм, p-GaInP (3·10 Zn) тыльного потенциального барьера для нижнего перехода толщиной 0,07 мкм, p-GaAs (8·10 Zn) базового слоя нижнего перехода толщиной 3,5 мкм, n-GaAs (1·10 Se) эмиттерного слоя нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-GaInP (1·10 Se) широкозонного окна нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-GaAs (1·10 Se) слоя туннельного диода толщиной 0,011 мкм, p-GaAs (8·10 С) слоя туннельного диода толщиной 0,011 мкм, p-GaInP (3·10 Zn) тыльного потенциального барьера верхнего элемента толщиной 0,05 мкм, p-GaInP (1.5·10 Zn) базового слоя верхнего элемента толщиной 0,5 или 0,6 мкм, n-GaInP (2·10 Se) эмиттерного слоя верхнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AIInP (4·10 Si) широкозонного окна верхнего элемента толщиной 0,025 мкм и контактного слоя p-GaAs толщиной 0,5 мкм.
Недостатками известного многослойного фотопреобразователя являются: наличие гетерограниц между слоями GaInP и GaAs, характеризующихся повышенной скоростью поверхностной рекомбинации, в нижнем элементе каскадной структуры, приводящее к падению КПД приборов; использование узкозонных слоев GaAs для создания туннельного диода, что приводит к потере части фотонов, преобразующихся в нижнем элементе, за счет поглощения в слоях туннельного диода, и выражается в меньшем токе короткого замыкания и КПД такой структуры; и повышение вредности работы персонала вследствие применение атомов Se для получения слоев n-проводимости, что связано с высокой токсичностью селена и его молекулярных соединений.
+
+
+
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является многослойный фотопреобразователь (см. патент US №5223043, H01L 31/068, опубликован 29.06.1993), принятый за прототип и включающий последовательно осажденные на подложку p-GaAs p-GaAs базовый слой нижнего перехода толщиной 3,5 мкм, n-GaAs эмиттерный слой нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AIGaAs широкозонное окно нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-GaAs слой туннельного диода толщиной 0,01-0,02 мкм, p-GaAs слой туннельного диода толщиной 0,01-0,02 мкм, p-GaInP базовый слой верхнего элемента толщиной 0,7 мкм, n-GaInP эмиттерный слой верхнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AIInP широкозонное окно верхнего элемента толщиной 0,03 мкм и контактный слой.
Недостатками известного многослойного фотопреобразователя-прототипа являются: расположение тыльного потенциального барьера для нижнего элемента каскада на металлургической границе подложка-эпитаксиальный слой, что может выражаться в падении длинноволновой чувствительности нижнего перехода на основе GaAs и эффективности преобразования каскадной структуры в целом; отсутствие тыльного потенциального барьера для верхнего элемента каскада, понижающее ток коротко замыкания этого перехода и КПД структуры в целом; и использование узкозонных слоев GaAs для создания туннельного диода, приводящее к потерям, связанным с повышенным поглощением полезного излучения в узкозонных слоях туннельного диода.
Задачей заявляемого технического решения является улучшение параметров многослойного фотопреобразователя, работающего как в условиях космоса, так и в наземных условиях, посредством повышения тока, генерируемого такими элементами.
+
++
++
Поставленная задача достигается тем, что многослойный фотопреобразователь содержит последовательно расположенные сплошной металлический контакт, подложку, выполненную из p-GaAs, нижний элемент, туннельный диод, верхний элемент и металлическую контактную сетку с контактным подслоем. Нижний элемент включает последовательно расположенные p-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой, эмиттерный n-слой и n-слой широкозонного окна. Туннельный диод включает n-слой и p-слой, выполненный из AIGaAs. Верхний элемент включает p-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерный n-слой и n-слой широкозонного окна.
На фронтальную поверхность фотопреобразователя может быть нанесено просветляющее покрытие.
Толщина базового слоя верхнего элемента может предпочтительно составлять 0,4 мкм для спектра АМ0 (космический спектр), а для спектра AM1,5D (стандартизированный наземный спектр) - 0,65 мкм.
0.52
0.48
Базовый и эмиттерный слои нижнего элемента фотопреобразователя могут быть выполнены из GaAs, а базовый и эмиттерный слои верхнего элемента могут быть выполнены из твердого раствора GalnP, согласованного по параметру решетки с GaAs.
17
18
17
18
В фотопреобразователе толщина базового слоя нижнего элемента может составлять 3,1 мкм при уровне легирования атомами цинка 2·10, толщина эмиттерного слоя нижнего элемента может составлять 0,1 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10, уровень легирования атомами цинка базового слоя верхнего элемента может составлять 1·10, толщина эмиттерного слоя верхнего элемента может составлять 0,05 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10.
0.8
0.2
0.4
0.6
0.52
0.48
0.53
0.47
17
++
18
++
19
18
17
18
При этом широкозонное окно нижнего элемента может быть выполнено из твердого раствора AlGaAs толщиной 0,04 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10, n-слой туннельного диода может быть выполнен из GaAs толщиной 0,015 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10, p-слой туннельного диода может быть выполнен из AlGaAs толщиной 0,015 мкм и уровнем легирования атомами углерода 6·10, тыльный потенциальный барьер верхнего элемента может быть выполнен из твердого раствора GalnP толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами цинка 2·10, широкозонное окно верхнего элемента может быть выполнено из твердого раствора АllnР, согласованного по параметру решетки с GaAs, толщиной 0,03 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10, а контактный слой может быть выполнен из GaAs толщиной 0,5 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10.
18
Тыльный потенциальный барьер нижнего элемента может быть выполнен из слоя GaAs толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами цинка 2·10.
0.3
0.7
18
Тыльный потенциальный барьер нижнего элемента может быть выполнен из твердого раствора AlGaAs толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1·10.
Создание тыльных потенциальных барьеров и широкозонных окон для нижнего (GaAs) и верхнего (GaInP) элементов двухпереходного каскада GaInP/GaAs с использованием гетеро- и гомограниц позволяет уменьшить скорости поверхностной рекомбинации.
Заявляемая конструкция туннельного диода, используемого для эффективной низкоомной развязки верхнего (GaInP) и нижнего (GaAs) переходов двухпереходного GaInP/GaAs элемента, обеспечивает пониженное поглощение полезного излучения, наряду с малым последовательным сопротивлением и высоким значением пикового тока туннелирования.
В заявляемой конструкции обеспечивается согласование токов, генерируемых верхним (GaInP) и нижним (GaAs) элементами при преобразовании спектров АМ0 (условия космоса) и AM1.5D (наземные условия).
Толщина нижнего элемента выбирается достаточной для эффективного поглощения фотонов с энергией кванта >1,4 эВ.
Толщина верхнего элемента выбирается из соображений согласования токов, генерируемых верхним (GaInP) и нижним (GaAs) элементами каскада GaInP/GaAs.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена схема заявляемого многослойного фотопреобразователя;
4
4
5
5
2
2
p
p
n
n
на фиг.2 приведены расчетные зависимости внешней квантовой эффективности GaAs однопереходного фотопреобразователя со следующей структурой: n-AIGaAs - 30 нм (окно), n-GaAs - 100 нм (эмиттер), p-GaAs - 3000 нм (база), p-AIGaAs 40 нм (тыльный потенциальный барьер) при различных скоростях поверхностной рекомбинации (S) на границе базы с тыльным потенциальным барьером: кривая 1 - S=0, кривая 2 - S=1·10, кривая 3 - S=5·10, кривая 4 - S=1·10, кривая 5 - S=5·10. При этом в расчете использовались следующие значения диффузионной длинны неосновных носителей (L) и коэффициентов диффузии (D) для эмиттера: L=1-3 мкм, D=7.5 см/сек и для базы: L=10 мкм, D=65 см/сек;
4
4
5
5
2
2
p
p
n
n
на фиг.3 изображены расчетные зависимости внешней квантовой эффективности GaAs однопереходного фотопреобразователя со структурой: n-AIGaAs - 30 нм (окно), n-GaAs - 100 нм (эмиттер), p-GaAs - 3000 нм (база), р-AIGaAs 40 нм (тыльный потенциальный барьер) при различных скоростях поверхностной рекомбинации (S) на границе эмиттера с широкозонным окном: кривая 1 - S=0, кривая 2 - S=1·10, кривая 3 - S=5·10, кривая 4 - S=2·10, кривая 5 - S=5·10. При этом в расчете использовались следующие значения диффузионной длины неосновных носителей (L) и коэффициентов диффузии (D) для эмиттера: L=1-3 мкм, D=7,5 см/сек и для базы: L=10 мкм, D=65 см/сек;
x
1-x
на фиг.4 представлена зависимость холловской концентрации положительно заряженных носителей в солях AlGaAs, легированных атомами углерода с использованием технологии автолегирования растущих слоев, от состава твердого раствора х;
2
2
2
2
на фиг.5 представлены спектральные зависимости внешнего квантового выхода для верхнего GaInP (1) и нижнего GaAs (2) элементов каскада GaInP/GaAs для заявляемого фотопреобразователя, согласованного по току для космического солнечного спектра АМ0 (--): JGaInP=16,19 мА/см, JGaAs=16,09 мА/см с общей толщиной верхнего GaInP элемента равной 450 нм и для стандартизированного наземного спектра AM1.5D (-○-): JGaInP=13,39 мА/см, JGaAs=13,42 мА/см с общей толщиной верхнего GaInP элемента, равной 700 нм;
на фиг.6 представлены зависимости напряжения холостого хода - Ux.x. (1), фактора заполнения ВАХ - FF (2) и эффективности преобразования (3) для двухпереходного GaInP/GaAs заявляемого фотопреобразователя, согласованного по току для космического спектра АМ0, от степени концентрирования солнечного излучения;
x.x.
на фиг.7 представлены зависимости напряжения холостого хода - U (1), фактора заполнения ВАХ - FF (2) и эффективности преобразования (3) для двухпереходного GaInP/GaAs заявляемого фотопреобразователя, согласованного по току для наземного спектра AM1.5D, от степени концентрирования солнечного излучения.
Использование заявляемого многослойного фотопреобразователя (ФЭП) позволяет снизить влияние основных факторов, лимитирующих теоретически достижимую эффективность полупроводниковых ФЭП, к которым относятся неполное поглощение солнечного спектра и потери на термализацию носителей.
При прохождении света через полупроводниковый материал фотоны, энергия которых больше ширины его запрещенной зоны, поглощаются, рождая электрон-дырочные пары. При этом фотоны, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны материала, рождают носители, обладающие избыточной кинетической энергией в зоне проводимости ("горячие" носители, в основном - электроны). За счет столкновения с атомами кристаллической решетки электроны быстро теряют эту энергию и "опускаются" на дно зоны проводимости. Этот процесс называют термализацией носителей, при котором вся избыточная энергия носителя уходит на нагрев кристаллической решетки и не дает вклад в вырабатываемую ФЭП энергию.
Потери, связанные с этим процессом, относятся к числу основных факторов, ограничивающих теоретически достижимую эффективность при преобразовании солнечной энергии.
Вторым таким фактором, определяющим значительные энергетические потери при преобразовании солнечного излучения, является то, что полупроводниковые материалы "прозрачны" для фотонов с энергией, меньшей ширины их запрещенной зоны, и такие фотоны не поглощаются в ФЭП и не дают вклада в вырабатываемую ФЭП энергию.
При уменьшении ширины запрещенной зоны материала, т.е. при уменьшении потерь, связанных с неполным поглощением солнечного излучения, увеличиваются потери на термализацию и наоборот. Этот факт может быть также проиллюстрирован при рассмотрении характеристик солнечных фотоэлементов.
к.з.
х.х.
к.з.
х.х
к.з.
х.х.
Основными характеристиками ФЭП являются их спектр фотоответа (спектральная зависимость внешней квантовой эффективности) и нагрузочные характеристики (ВАХ). Спектральная зависимость внешней квантовой эффективности показывает отношение количества падающих на поверхность ФЭП фотонов к количеству разделившихся электрон-дырочных пар, для каждой длины волны интеграл произведения спектра фотоответа со спектральной плотностью фотонов, падающих на поверхность солнечного элемента, дает ток, генерируемый ФЭП (ток короткого замыкания - I). Вольт-амперная характеристика ФЭП представляет собой диодную характеристику, имеющую экспоненциальный вид, которая сдвинута вниз в четвертый квадрант на величину тока короткого замыкания. Точка пересечения ВАХ с осью абсцисс называется напряжением холостого хода (U) ФЭП, которое возрастает с увеличением генерируемого им тока по логарифмической зависимости, что обуславливает возрастание КПД у ФЭП, преобразующих концентрированное солнечное излучение. На экспоненциальной ВАХ ФЭП существует точка максимальной мощности, или оптимальной нагрузки. Отношение мощности, выделяемой в этой точке, к произведению I на U называют фактором заполнения (FF) вольт-амперной характеристики ФЭП. Эффективностью преобразования ФЭП является отношение произведения I·U·FF к падающей мощности.
Уменьшение ширины запрещенной зоны материала ФЭП будет приводить к расширению спектрального диапазона его фоточувствительности и увеличению тока короткого замыкания, однако при этом будет происходить падение напряжения холостого хода ввиду того, что оно пропорционально зависит от ширины запрещенной зоны материала, из которого выполнен p-n переход,
Таким образом, существует диапазон значений ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов, при которых описанные потери наиболее оптимально скомпенсированы и достигается максимум КПД фотопреобразователей для однопереходных структур.
Дальнейшее увеличение КПД возможно только при использовании многопереходных структур. Это происходит за счет деления солнечного спектра на диапазоны и преобразования излучения в каждом из них отдельным переходом за счет складирования слоев с различной шириной запрещенной зоны в каскадные ФЭП на гетеропереходах.
0.52
0.48
Таким многопереходным гетероструктурным ФЭП является заявляемый двухпереходный GaInP/GaAs многослойный фотопреобразователь, выращенный на подложке GaAs (см. фиг.1). Изготовление такого фотопреобразователя обусловлено возможностью получения изопериодичного с подложкой и нижним элементом твердого раствора GalnP. Использование изопериодичных твердых растворов дало возможность получать гетероструктуры высокого кристаллического совершенства и создавать высокоэффективные приборы на их основе.
0.52
0.48
0.3
0.7
0.8
0.2
0.52
0.48
0.52
0.48
0.52
0.48
0.52
0.48
0.53
0.47
+
18
18
16
17
18
17
18
++
18
++
19
20
+
18
17
+
+
18
17
Заявляемый многослойный фотопреобразователь состоит из подложки 1 p-GaAs, нижнего перехода 2 на основе GaAs, туннельного диода 3, верхнего перехода 4 на основе, например, материала GalnP, изопериодичного с GaAs, и контактного слоя 5 n-GaAs, легированного, например, атомами Si на уровне 2·10, толщиной, например, 0,2-0,5 мкм. На тыльную поверхность подложки нанесен сплошной металлический контакт 6. На поверхность структуры нанесена контактная сетка 7. При этом в местах, не закрытых контактной сеткой, контактный слой удален и нанесено просветляющее покрытие 8. Нижний переход 2 состоит из последовательно осажденных слоев: тыльного потенциального барьера 9, например из p-AlGaAs и толщиной 0,05-0,1 мкм, легированного, например, атомами Zn на уровне 1·10, базового слоя 10, например, из p-GaAs толщиной 3,1 мкм, легированного, например, атомами Zn на уровне 7·10-2·10, эмиттерного слоя 11, например, из n-GaAs толщиной 0,1 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 1-5·10, и широкозонного окна 12, например, из n-AlGaAs толщиной 0,025-0,04 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 1·10-1·10. Туннельный диод 3 состоит из последовательно осаждаемых непосредственно на нижний переход 2 слоя 13, например, из n-GaAs толщиной 0,01-0,02 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 5·10, и слоя 14 из p-AIGaAs толщиной, например 0,01-0,02 мкм, легированного, например, атомами С на уровне 5·10-2·10. Верхний переход 4 состоит из последовательно осаждаемых на туннельный диод 3 тыльного потенциального барьера 15, например, из р-GalnP толщиной 0,1 мкм, легированного, например, атомами Zn на уровне 2·10, базового слоя 16 толщиной 0,35-0,7 мкм, например, из р-GalnP, легированного, например, атомами Zn на уровне 1-10, n-GalnP эмиттерного слоя 17, например, из n-GalnP толщиной 0,05 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 2·10 и широкозонного окна 18, например, из n-АllnР толщиной 0,03 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 1·10.
Существует ряд факторов, которые ограничивают эффективность преобразования как одно- так и многопереходных солнечных элементов, кроме рассмотренных выше неполного поглощения и потерь при термализации носителей. К ним относятся отражение света от поверхности ФЭП, затенение поверхности контактной сеткой, возможность выхода фотогенерированных носителей за границы активных переходов (в подложку на поверхность или в слои туннельного диода), поглощение полезного излучения в слоях, не составляющих активный переход, несогласованность токов, генерируемых отдельными переходами каскада. Все эти потери в основном приводят к падению общего тока, который генерируется каскадным ФЭП, что обуславливает снижение КПД каскадной структуры.
В заявляемом многослойном фотопреобразователе снижаются эти потери, что дает возможность получать двухпереходные GaInP/GaAs фотопреобразователи с высокими значениями КПД как для космических, так и для наземных применений.
Для снижения потерь при отражении света в заявляемом многослойном фотопреобразователе использовано антиотражающее покрытие, которое позволяет повысить ток короткого замыкания фотопреобразователя на величину порядка 30%.
Улучшение собирания носителей из слоев активных переходов за счет использования тыльных потенциальных барьеров и широкозонных окон позволяет значительно улучшить спектральные характеристики полупроводниковых фотопреобразователей. Однако при этом необходимо учитывать, что поверхностная рекомбинация на границах тыльный потенциальный барьер - база и широкозонное окно - эмиттер может приводить к заметному падению внешней квантовой эффективности фотопреобразователя.
4
5
Для иллюстрации этого факта были рассчитаны (см. фиг.2 и 3) зависимости внешней квантовой эффективности GaAs одноперереходного фотопреобразователя с различной скоростью поверхностной рекомбинации на границе с тыльным потенциальным барьером и широкозонным окном соответственно. Из чертежей видно, что падение длинноволновой чувствительности солнечного элемента начинается при скорости поверхностной рекомбинации на тыльном потенциальном барьере 10 см/сек и становится значительным при скорости поверхностной рекомбинации 10 см/сек. Подобными зависимостями будут характеризоваться как спектры фотоответа однопереходных фотопреобразователей на основе GaInP, так и спектры фотоответа элементов каскада GaInP/GaAs.
Падение длинноволновой чувствительности при этом обусловлено тем, что глубина поглощения фотонов напрямую зависит от их длины волны. Это приводит к тому, что в глубине активного перехода поглощаются более длинноволновые фотоны. Рожденные при этом носители рекомбинируют на границе с тыльным потенциальным барьером, что обуславливает падение длинноволнового края спектра фотоответа.
+
+
0.3
0.7
Для создания качественных тыльных потенциальных барьеров, характеризующихся низкими скоростями поверхностной рекомбинации, в заявляемом решении предложено создание потенциальных барьеров между эпитаксиальными слоями p-GaAs или p-AlGaAs и базой для нижнего GaAs элемента каскада GaInP/GaAs. Создание в известных ФЭП тыльного потенциально барьера между p-GaAs подложкой и базой приводит к тому, что гомограница совпадает с металлургической границей подложка-эпитаксиальный слой, что может являться причиной гибели носителей на этом интерфейсе.
+
+
+
+
0.3
0.7
Как известно, гетерограницы между арсенидными и фосфидными слоями характеризуются присутствием дефектов и центров рекомбинации носителей вследствие перемешивания атомов мышьяка и фосфора в газовой фазе при эпитаксиальном выращивании таких гетерограниц (см. Т.Takamoto, E.Ikeda, Н.Kurita, M.Ohmori, First WCPEC Hawaii, 1994, pp.1729-1732; F.E.G.Guimaraes, В.Elsner, R.Westphalen, B.Spangenberg, HJ.Geelen, P.Balk, K.Heime, J. Crystal Growth 124 (1992), что приводит к повышенной скорости поверхностной рекомбинации на таких гетерограницах. Это обуславливает недостатки использования слоев GaInP в качестве тыльного потенциального барьера нижнего GaAs перехода двухпереходного GaInP/GaAs элемента. Поэтому в заявляемом многослойном фотопреобразователе предложено использовать эпитаксиальные слои p-GaAs или p-AlGaAs для тыльного потенциального барьера нижнего элемента, что дает преимущество над приведенными выше аналогами. Достаточно низкий потенциальный барьер p-GaAs/p-GaAs является эффективным вследствие того, что в глубине активного перехода GaAs поглощаются фотоны с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны GaAs, поэтому рождение носителей, обладающих достаточной энергией для преодоления этого барьера, с последующей диффузией в подложку, невозможно, особенно в случае увеличения толщины слоя p-GaAs до 0,1-0,2 мкм, а использование комбинированного тыльного барьера p-AIGaAs/p-GaAs позволяет повысить напряжение холостого хода.
+
+
На основании вышесказанного предложено использовать слой p-GaInP в качестве тыльного потенциального барьера для верхнего GaInP элемента каскада GaInP/GaAs. Однако в случае значительного увеличения толщины p-GaInP тыльного потенциального барьера в нем может происходить поглощение полезного излучения, преобразуемого нижним GaAs элементом. Создание качественной гетерограницы AIInP/GaInP, которая характеризовалась бы низкой скоростью поверхностной рекомбинации, является серьезной проблемой. Иногда рекомбинация носителей на гетерогранице тыльный потенциальный барьер - база при использовании AIInP может приводить к отсутствию заметного улучшения спектральной характеристики верхнего GaInP элемента за счет использования тыльного потенциального барьера (см. D.J.Friedman, S.R.Kurtz, A.E.Kibbler, and J.M.Olson, Conference Record of the 22nd Photovoltaic Specialists Conference IEEE, NewYork, 1991, p.358).
0.8
0.2
0.8
0.2
0.8
0.2
Падение коротковолновой чувствительности одноперереходного GaAs элемента при увеличении скорости рекомбинации на гетерогранице эмиттер - широкозонное окно (см. фиг.3) связано с тем, что в области, близкой к этой гетерогранице, происходит поглощение самых коротковолновых (высокоэнергетических) фотонов. При выборе материала и характеристик широкозонного окна необходимо учитывать не только важность создания интерфейса с низкой скоростью поверхностной рекомбинации, но и необходимость снижения потерь за счет поглощения полезного излучения в слое широкозонного окна, а также тот факт, что в области этой границы могут рождаться носители с энергией, достаточной для преодоления барьера широкозонное окно - эмиттер. Исходя из этого предложено использовать твердый раствор AlGaAs толщиной 0,03 мкм в качестве широкозонного окна для нижнего GaAs элемента каскада GaInP/GaAs. При этом осуществляется возможность получения качественной гетерограницы по сравнению с использованием слоя GaInP. Кроме того, высота потенциального барьера будет большей при использовании гетерограницы AlGaAs/GaAs, по сравнению с гетеропереходом GaInP/GaAs, что обусловлено большей шириной запрещенной зоны AlGaAs (2,1 эВ) по сравнению с GaInP (1,9 эВ при 52% Ga). Более высокий потенциальный барьер широкозонного окна - эмиттер уменьшает потери, связанные с выходом "горячих" носителей из области активного перехода. Кроме того, использование более широкозонного материала позволяет минимизировать поглощение полезного излучения, преобразуемого нижним GaAs элементом, в слое широкозонного окна.
Для работы многопереходного ФЭП необходимо обеспечить электрическую развязку p-n переходов отдельных элементов каскада, потому что прямое соединение элементов приведет к возникновению p-n-p-n-p-n… структуры, в которой возникают встречно включенные p-n переходы на границах элементов каскада, препятствующие протеканию тока в структуре.
Для обеспечения электрической развязки переходов в конструкции многопереходного элемента используют встречно включенные туннельные диоды. Такой диод представляет собой p-n переход с высоким уровнем легирования, при котором происходит вырождение полупроводника, и уровень Ферми заходит в зону проводимости для n-типа и в валентную зону для p-типа. При этом носители, разделенные одним переходом, туннелируют через диод в другой переход, и в схеме течет ток.
Для достижения высоких значений КПД многослойных фотопреобразователей необходимо, чтобы входящие в их состав туннельные диоды обладали низким сопротивлением и поглощали минимальное количество полезного излучения. С этой точки зрения такие диоды должны быть очень тонкими (ввиду большого краевого поглощения сильно легированных слоев) и выполняться из материалов с большей, чем у нижнего элемента шириной запрещенной зоны. Однако в случае работы каскадных солнечных элементов в режиме преобразования концентрированного солнечного излучения (особенно при высоких степенях концентрации) необходимо также, чтобы туннельные диоды имели достаточно высокий пиковый ток - более 100 ампер на квадратный сантиметр. Ввиду того, что максимальный ток туннелирования экспоненциально падает с увеличением ширины запрещенной зоны материала, из которого выполнен туннельный диод, для солнечных элементов, работающих при высоких степенях концентрации, необходимо находить компромисс между поглощением полезного излучения в слоях туннельного диода и величиной пикового тока туннелирования.
++
Кроме того, существует серьезная технологическая трудность при создании туннельных диодов, связанная с диффузией атомов примеси из наноразмерных слоев туннельных диодов в области активных переходов, приводящая к деградации как параметров туннельных диодов, так и параметров фотоактивных переходов. В частности, использование атомов Zn для создания p-слоя туннельного диода может приводить к деградации спектра фотоответа верхнего GaInP элемента каскада GaInP/GaAs (см. Tatsuya Takamoto, Eiji Ikeda, and Hiroshi Kurita, - "Over 30% efficient InGaP/GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 70(3), 1997).
++
++
++
++
2
++
++
2
++
++
0.4
0.6
0.4
0.6
0.4
0.6
В заявляемом многослойном фотопреобразователе использован туннельный диод, созданный между слоями p-AlGaAs(C)/n-GaAs(Si), с общей толщиной 0,02-0,04 мкм (см. фиг.1). Проведенные серии экспериментов позволили заключить, что использование твердого раствора p-AlGaAs дает возможность значительно снизить поглощение полезного излучения в слоях туннельного диода по сравнению с p-GaAs и повысить ток короткого замыкания нижнего GaAs элемента с 14,412 мА/см (p-GaAs(C)/n-GaAs(Si) туннельный диод) до 15,370 мА/см (p-AlGaAs(C)/n-GaAs(Si) туннельный диод).
++
2
16
++
19
++
x
1-x
0.4
0.6
Кроме того, увеличение состава твердого раствора p-AlGaAs(С) в диапазоне 0-40% приводит не к уменьшению, а к увеличению пикового тока туннелирования и снижению последовательного сопротивления туннельного диода, что позволило создать образцы туннельных диодов с пиковым током туннелирования 206 А/см, обеспечивающие работу GaInP/GaAs двухпереходного элемента в режиме преобразования концентрированного солнечного излучения при концентрации более 5000 солнц. Этот факт обусловлен тем, что для создания таких слоев применялась технология автолегирования растущих слоев атомами углерода и наблюдалось увеличение уровня легирования выращенных слов с 4·10 (p-GaAs(С)) до 6·10 (p-AlGaAs(С)) (фиг.4).
++
++
0.4
0.6
Таким образом, предложенная структура туннельного диода, применяемого для электрической развязки верхнего (GaInP) и нижнего (GaAs) элементов каскада GaInP/GaAs, обладает рядом преимуществ, к которым относятся: использование атомов углерода, обладающих малым коэффициентом диффузии, для легирования p-слоя туннельного диода и использование широкозонного слоя p-AlGaAs(C), позволяющего минимизировать поглощение полезного излучения наряду с увеличением пикового тока туннелирования.
Ввиду того что монолитные многослойные фотопреобразователи представляют собой последовательное включение источников тока, общий ток, генерируемый фотопреобразователем, будет определяться минимальным током из генерируемых отдельными переходами. Поэтому наивысший ток, а следовательно, КПД будут иметь элементы, у которых токи будут максимальны и согласованы для преобразуемого спектра.
В случае GaInP/GaAs солнечных фотопреобразователей равенство токов GaInP верхнего перехода и GaAs нижнего перехода достигается при преобразовании части солнечного спектра с энергией фотонов более 1,9 эВ нижним GaAs переходом. Это связано с тем, что спектральная плотность потока фотонов в солнечном спектре имеет максимум в синей области и в случае полного поглощения верхним GaInP элементом своей части спектра его ток будет значительно превышать ток нижнего GaAs элемента, т.е. общий ток каскадной структуры будет ограничиваться током, генерируемым GaAs переходом.
Согласования токов можно достичь, меняя толщину верхнего элемента каскада GaInP/GaAs. В случае преобразования GaInP/GaAs каскадным многослойным фотопреобразователем спектра АМ0 равенство токов GaInP и GaAs переходов возможно при преобразовании заметной части солнечного спектра с энергией фотонов более 1,9 эВ нижним GaAs переходом. Это связано с тем, что в космическом спектре солнца присутствует большее количество ультрафиолетового излучения, которое поглощается в слоях атмосферы, по сравнению с наземным спектром. Поэтому для наземного солнечного спектра AM1.5D согласование токов достигается при большей толщине верхнего GaInP элемента по сравнению со спектром АМ0.
Пример 1.
+
18
18
17
18
17
++
18
+
19
+
18
17
+
18
17
+
18
0.3
0.7
0.8
0.2
0.4
0.6
0.52
0.48
0.52
0.48
0.52
0.48
0.53
0.47
Была изготовлена структура двухпереходного GaInP/GaAs многослойного фотопреобразователя посредством эпитаксиального выращивания на p-GaAs подложке, легированной атомами Zn с уровнем ~5·10, методом МОС - гибридной эпитаксии в реакторе с пониженным давлением 100 мбар. На подложку последовательно осаждались слои: p-AlGaAs тыльный потенциальный барьер для нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 1·10 толщиной 0,05 мкм, p-GaAs базовый слой нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 2·10, толщиной 3,1 мкм, n-GaAs эмиттерный слой нижнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10, толщиной 0,1 мкм, n-AlGaAs широкозонное окно нижнего элемента, легированное атомами Si на уровне 1·10, толщиной 0,04 мкм, n-GaAs слой туннельного диода, легированный атомами Si на уровне 5·10, толщиной 0,015 мкм, p-AlGa As слой туннельного диода, легированный атомами С на уровне 6·10, толщиной 0,015 мкм, p-GalnP тыльный потенциальный барьер верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 2·10, толщиной 0,1 мкм, p-GalnP базовый слой верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 1·10, толщиной 0,4 мкм, n-GalnP эмиттерный слой верхнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10, толщиной 0,05 мкм, n-АllnР широкозонное окно верхнего элемента, легированное атомами Si на уровне 1·10, толщиной 0,03 мкм, контактный слой n-GaAs, легированный атомами Si на уровне 2·10, толщиной 0,5 мкм.
2
2
После выращивания структуры были изготовлены фотопреобразователи путем нанесения на тыльную сторону сплошного металлического контакта, нанесения на лицевую сторону контактной сетки с шагом 200 мкм, затеняющей порядка 8% поверхности фотопреобразователя, удаления контактного слоя в областях, не закрытых контактной сеткой, разделительного меза-травления чипов размером 8,3×3,2 мм и нанесения на поверхность фотопреобразователя антиотражающего покрытия ZnS/MgF.
GaInP
GaAs
2
2
Такая структура с толщиной GaInP элемента, равной 450 нм, продемонстрировала согласование токов верхнего и нижнего элементов для спектра АМ0:J=16,19 мА/см, J=16,09 мА/см (см. фиг.5 --). Такие фотопреобразователи, оптимизированные для космического спектра, продемонстрировали высокую эффективность преобразования (фиг.6), равную 26,5% (АМ0, 30 солнц).
Пример 2
+
18
18
17
18
17
++
18
0.3
0.7
0.8
0.2
Была изготовлена структура двухпереходного GaInP/GaAs фотопреобразователя посредством эпитаксиального выращивания на p-GaAs подложке, легированной атомами Zn с уровнем ~5·10, методом МОС - гибридной эпитаксии в реакторе с пониженным давлением 100 мбар. На подложку последовательно осаждались слои: p-AlGaAs тыльный потенциальный барьер для нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 1·10 толщиной 0,05 мкм, p-GaAs базовый слой нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 2·10, толщиной 3,1 мкм, n-GaAs эмиттерный слой нижнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10, толщиной 0,1 мкм, n-AlGaAs широкозонное окно нижнего элемента, легированное атомами Si на уровне 1·10, толщиной 0,04 мкм, n-GaAs слой туннельного диода, легированный атомами Si на уровне 5·10,
++
19
+
18
17
+
18
17
+
18
0.4
0.6
0.52
0.48
0.52
0.48
0.52
0.48
0.53
0.47
толщиной 0,015 мкм, p-AlGaAs слой туннельного диода, легированный атомами С на уровне 6·10, толщиной 0,015 мкм, p-GalnP тыльный потенциальный барьер верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 2·10, толщиной 0,1 мкм, p-GalnP базовый слой верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 1·10, толщиной 0,65 мкм, n-GalnP эмиттерный слой верхнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10, толщиной 0,05 мкм, n-АllnР широкозонное окно верхнего элемента, легированный атомами Si на уровне 1·10, толщиной 0,03 мкм, контактный слой n-GaAs, легированный атомами Si на уровне 2·10, толщиной 0,5 мкм.
2
2
После выращивания структуры были изготовлены фотопреобразователи путем нанесения на тыльную сторону сплошного металлического контакта, нанесения на лицевую сторону контактной сетки с шагом 200 мкм, затеняющей порядка 8% поверхности фотопреобразователя, удаления контактного слоя в областях, не закрытых контактной сеткой, разделительного меза-травления чипов размером 8,3×3,2 мм и нанесения на поверхность фотопреобразователя антиотражающего покрытия ZnS/MgF.
Полученные образцы с общей толщиной GaInP элемента, равной 700 нм, продемонстрировали согласование токов для спектра
GaInP
GaAs
2
2
AM1.5D: J=13,39 мА/см, J=13,42 мА/см (фиг.5 -○-).
Максимальное значение эффективности преобразования солнечного излучения, созданных двухпереходных СЭ (фиг.7), составило 30,03% (AM1,5D, 40 солнц).