МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
MULTI-JUNCTION SEMICONDUCTOR SOLAR CELL

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету, предназначенным для преобразования света в электрическую энергию, в частности к многопереходным солнечным элементам.
n1-x
x
1-x-y
x
y
n1-x
x
Известен многопереходный полупроводниковый солнечный элемент (Патент RU №2376679 «Полупроводниковый многопереходный солнечный элемент», заявл. 16.09.2008, опубл. 20.12.2009, МПК: H01L 31/042), включающий подложку, выполненную из AlN, на которой размещено не менее двух сопряженных друг с другом выполненных из твердых растворов металлов третьей группы (в частности IGaN) двухслойных компонентов, с p-n-переходами между слоями. Двухслойные компоненты сопряжены между собой промежуточными слоями, в частности туннельными переходами. Ширина запрещенной зоны двухслойных компонентов возрастает в направлении к источнику солнечной энергии. Многопереходный солнечный элемент дополнительно содержит двухслойный компонент, выполненный из InGaAlN с р-n-переходом между слоями, размещенный со стороны источника солнечной энергии, сопряженный со смежным двухслойным компонентом из IGaN посредством туннельного перехода или омического контакта.
Известный солнечный элемент обеспечивает возможность расширения диапазона использования ультрафиолетовой части спектра, благодаря чему существенно повышается коэффициент полезного действия солнечного элемента в целом.
Однако такой солнечный элемент обладает неудовлетворительной морфологией слоев, обусловленной различием параметров их кристаллической решетки, что сопровождается высоким уровнем плотности дислокаций в слоях. Рассогласование по постоянным решетки является следствием использования в сочетании с подложкой AlN тройного соединения IngaN, что и приводит к формированию дефектов и ограничивает эффективность солнечного элемента.
Известен также полупроводниковый многопереходный солнечный элемент, включающий подложку, на которой размещены, по крайней мере, два двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, выполненные из твердых растворов нитридов металлов третьей группы, сопряженные между собой промежуточными слоями, причем ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией (US Patent №7217882 «Broad spectrum solar cell», filled: May 27, 2003, published May 15, 2007, IPC: H01L 31/00) - прототип.
n1-x
x
Известный солнечный элемент обеспечивает последовательное преобразование 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 IGaN.
В известном солнечном элементе состав слоев двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями выбран с учетом необходимости обеспечения преобразования всего спектра солнечного излучения. Состав каждого из слоев выбран таким образом, чтобы обеспечить необходимое значение ширины запрещенной зоны, при этом не принято во внимание, что при варьировании состава слоев меняется значение постоянной кристаллической решетки, в то время как рассогласование постоянных решеток эпитаксиальных слоев приводит к возникновению в слоях дефектов, и, как следствие, к снижению эффективности солнечного элемента.
В рассмотренных выше случаях ширина запрещенной зоны в пределах каждого двухслойного компонента сохраняется фиксированной, что приводит к снижению эффективности преобразования солнечного излучения в электрический ток, т.к. эффективно поглощаются только фотоны с энергией, соответствующей ширине запрещенной зоны двухслойного компонента. При этом фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны двухслойного компонента, рождают носители, обладающие избыточной кинетической энергией в зоне проводимости. За счет столкновения с атомами кристаллической решетки электроны быстро теряют эту энергию и «опускаются на дно зоны проводимости». Этот процесс называется термализацией носителей, при котором вся избыточная энергия носителей уходит на нагрев кристаллической решетки и не дает вклад в вырабатываемую солнечным элементом энергию. Потери, связанные с этим процессом, относятся к числу основных факторов, ограничивающих эффективность преобразования солнечной энергии.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.
Поставленная задача решается за счет того, что в многопереходном полупроводниковом солнечном элементе, включающем подложку, на которой размещены, по крайней мере, два двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, выполненные из твердых растворов нитридов металлов третьей группы, сопряженные между собой промежуточными слоями, ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией, слои двухслойных компонентов и промежуточные слои выполнены из четверного твердого раствора AlInGaN, между подложкой и двухслойным компонентом с p-n-переходом между слоями и каждой парой двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями размещены, по крайней мере, два промежуточных слоя, промежуточные слои и сопряженные с ними фрагменты солнечного элементы выполнены с одинаковым значением ширины запрещенной зоны, двухслойные компоненты с p-n-переходами между слоями и сопряженные с ними промежуточные слои выполнены с одинаковым значением постоянной решетки, при этом сопряженные между собой слои двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями выполнены с различным значением ширины запрещенной зоны, а сопряженные между собой промежуточные слои - с различным значением постоянной решетки.
Подложка многопереходного полупроводникового солнечного элемента может быть выполнена из проводящего материала, в частности из карбида кремния.
Целесообразно также, чтобы промежуточные слои, расположенные между двухслойными компонентами, были выполнены в форме туннельных переходов.
Потери, связанные с термализацией в предлагаемом техническом решении, практически полностью исключаются за счет того, что ширина запрещенной зоны внутри каждого двухслойного компонента плавно увеличивается в направлении к источнику излучения, что позволяет обеспечить поглощение излучения в широком диапазоне длин волн (энергий). Кроме того, при градиентном изменении ширины запрещенной зоны постоянная решетки не изменяется внутри двухслойного компонента. Это приводит к значительному уменьшению дефектообразования в гетероструктуре солнечного элемента предлагаемой конструкции по сравнению с аналогичными гетероструктурами солнечных элементов, в которых постоянная решетки внутри двухслойных компонентов не фиксируется. В предлагаемой гетероструктуре солнечного элемента в каждом из промежуточных слоев, сопрягающих двухслойные компоненты, постоянная решетки изменяется, т.к. это необходимо для выполнения в соседнем поглощающем переходе условия градиентного изменения ширины запрещенной зоны при фиксированном значении постоянной решетки. При этом в промежуточных слоях предусмотрено плавное изменение постоянной решетки с целью уменьшения дефектообразования в эпитаксиальных слоях солнечного элемента.
x
y
1-x-y
В предлагаемом многопереходном солнечном элементе слои двухслойных компонентов и промежуточные слои выполнены из четырехкомпонентного твердого раствора AlInGaN (x≥0, y≥0, x+y≤1), поскольку только использование слоев такого твердого раствора позволяет обеспечить изменение ширины запрещенной зоны при фиксированном значении постоянной решетки и изменение постоянной решетки при фиксированном значении ширины запрещенной зоны. В случае использования любого трехкомпонентного твердого раствора нитридов металлов третьей группы изменение ширины запрещенной зоны неизбежно сопровождается изменением постоянной решетки, а изменение постоянной решетки - изменением ширины запрещенной зоны.
Выполнение подложки из проводящего материала обеспечивает возможность размещения одного из контактов со стороны подложки, а другого - на верхнем слое. Такое размещение контактов улучшает растекание тока по всей структуре солнечного элемента, что также оказывает положительное влияние на эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
По сравнению с другими проводящими материалами, которые могут быть использованы в качестве материала подложки, карбид кремния характеризуется свойствами, наиболее близкими свойствам нитридных материалов.
Выполнение промежуточных слоев, расположенных между двухслойными компонентами, в форме туннельных переходов обеспечивает наилучшее сопряжение двухслойных компонентов по электрическим параметрам. Экспериментально установлено, что чередование характеристик слоев, свойственное предлагаемому изобретению, наилучшим образом может быть реализовано именно в случае выполнения промежуточных слоев в форме туннельных переходов.
Изобретение поясняется чертежом - Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент.
Согласно изобретению многопереходный полупроводниковый солнечный элемент содержит подложку 1, на которой размещены двухслойные компоненты 2, 3 и 4 с p-n-переходами 5, 6 и 7 между слоями. Подложка с прилегающим к ней двухслойным компонентом сопряжены между собой двумя промежуточными слоями 10, а двухслойные компоненты сопряжены между собой промежуточными слоями, образующими туннельные переходы 8 и 9.
Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент был полностью изготовлен в рамках одного эпитаксиального процесса.
Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент, выполненный в соответствии с предлагаемым изобретением, работает следующим образом:
Облучение многопереходного полупроводникового солнечного элемента осуществляется со стороны подложки 1.
g
g
g
На поверхность двухслойного компонента 2 падает солнечное излучение. Часть фотонов с энергией E>2,48 эВ поглощается двухслойным компонентом 2 и вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Разделение электронов и дырок достигается за счет электрического поля p-n-перехода между слоями компонента 2. Фотоны с энергией 1,9 eV≤E≤2,48 эВ поглощаются двухслойным компонентом 3, а фотоны с энергией E≤1,9 эВ - двухслойным компонентом 4, при этом в двухслойных компонентах 3 и 4, также как и в двухслойном компоненте 2, происходит генерация электронно-дырочных пар и разделение электронов и дырок. Связь между переходами с различными значениями ширины запрещенной зоны обеспечивается туннельными переходами 8, 9. Связь между подложкой и прилегающим к ней двухслойным компонентом обеспечена промежуточными слоями 10.
При работе солнечного элемента практически исключаются потери, связанные с процессом термализации, т.к. для фотона с заданной энергией в солнечном элементе найдется соответствующий подслой, имеющий такую же энергию, что и фотон, в результате чего произойдет поглощение фотона без высвобождения избыточной энергии.
Образцы солнечных элементов, выполненные в соответствии с предлагаемым изобретением, были изготовлены методом хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE).
В таблице 1 представлена структура образцов солнечных элементов (составы слоев и толщина слоев).
Таблица 1
Структура солнечного элемента
Слои солнечного элемента
Материал слоя
Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки слоя
Толщина слоя
Двухслойный компонет с p-n-переходом
AlInGaN
1,5≤Eg<1,9 эВ, a=3,7 Å
200 нм + 200 нм
Промежуточные слои, образующие туннельный переход
AlInGaN
3,5≤a≤3,7 Å, E<sub>g</sub>=1,9 эВ
30 нм + 30 нм
Двухслойный компонент с p-n-переходом
AlInGaN
1,9≤E<sub>g</sub>≤2,48 эВ, a=3,5 Å
200 нм + 200 нм
Промежуточные слои, образующие туннельный переход
AlInGaN
3,26≤a≤3,5 Å, E<sub>g</sub>=2,48 эВ
30 нм + 30 нм
Двухслойный компонент с p-n-переходом
AlInGaN
2,48≤E<sub>g</sub>≤3,2 эВ, a=3,26 Å
200 нм + 200 нм
Промежуточные слои
AlInGaN
3,18≤a≤3,26 Å, E<sub>g</sub>=3,2 эВ
100 нм + 100 нм
Подложка
Sic
Sic
400 мкм
g
E - ширина запрещенной зоны (эВ), а - постоянная решетки (Å).
x
y
1-x-y
Диапазон изменений состава (x, y) для каждого слоя AlInGaN определяется из следующих соотношений:
g
g
g
g
12
13
23
g
g
g
12
13
23
1-x
x
1-x
x
1-x
E=x·E(AlN)+y·E(InN)+(1-x-y)·E(GaN)-xy-C-x(1-x-y)·C-y(1-x-y)·C, где E(AlN), E(InN), E(GaN) - параметры ширины запрещенной зоны AlN, InN, GaN соответственно, C, C, C - параметры провисания запрещенной зоны (эВ) для твердых растворов AlIn, AlGaN, InGaN соответственно.
a=a(AlN)·x+a(InN)·y+a(GaN)·(1-x-y), где a(AlN), a(InN), a(GaN) - параметры кристаллических решеток AlN, InN, GaN соответственно.
Оценка КПД экспериментальных образцов солнечных элементов была проведена с помощью измерителя параметров солнечных элементов ST-1000 фирмы ТЕЛЕКОМ-СТВ (Россия).
В Таблице 2 представлены основные характеристики установки для измерения параметров образцов солнечных элементов.
Таблица 2
Характеристики установки для изменения параметров образцов солнечных элементов
Тип и марка прибора
Основные характеристики
Измеритель параметров солнечных элементов ST-1000 фирмы ТЕЛЕКОМ-СТВ (Россия)
1. Поле однородной засветки при неравномерности ±1%: 150×150 мм
2. Спектр засветки: AM 1.5 по классу В (IEC 904-9)
3. Диапазон измеряемых напряжений: -2,4 ÷ +2,4 В
4. Погрешность измерения напряжений для диапазона значений холостого хода: 0,5-1,0 В±1%
5. Дискретность измерения напряжения: 0,3 мВ
6. Диапазон измеряемых токов: -8,0 - +8,0 А
7. Погрешность измерения тока для диапазона значений короткого замыкания: 4÷8 А±1%
8. Длительность импульса засветки: не более 10 мс
9. Дискретность измерения температуры: 0,2°С
Были проведены измерения параметров экспериментальных образцов при стандартных условиях измерений (температура окружающей среды 16÷26°С, относительная влажность воздуха не более 85%, атмосферное давление 750±50 мм рт.ст.).
КПД образцов с концентратором солнечного излучения AM 1,5-Global составлял 50%±5%.