ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PHOTOELECTRIC CONVERTER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фотоэлектрическим преобразователям солнечной энергии.
3
5
Преобразование энергии света в ток полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями основано на рождении электронов и дырок при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала фотоэлектрического преобразователя, с последующим разделением их электрическим полем p-n перехода. На данный момент широко используют фотоэлектрические преобразователи с p-n переходом на основе кремния, но кремний имеет неоптимальную спектральную чувствительность. Значительное увеличение КПД фотоэлектрического преобразователя возможно только при использовании структур, максимально преобразующих солнечное излучение, из которых наиболее перспективными являются многопереходные гетероструктурные фотоэлектрические преобразователи на основе соединений AB. В таких фотоэлектрические преобразователях каждый из p-n переходов изготовлен из материалов, ширина запрещенной зоны у которых убывает в направлении от светочувствительной поверхности к подложке, а все p-n переходы соединены последовательно.
0,51
0,49
0,99
0,01
0,53
0,47
0,53
0,47
0,99
0,01
0,99
0,01
0,51
0,49
0,51
0,01
0,51
0,49
++
++
++
++
++
+
+
Известен многопереходный фотоэлектрический преобразователь (см. патент RU 2382439, МПК H01L 31/0304, опубликован 20.02.2010), содержащий эпитаксиальную структуру, тыльный металлический контакт и лицевую металлическую контактную сетку, а также антиотражающее покрытие. Эпитаксиальная структура включает последовательно выращиваемые методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке p-Ge нуклеационный слой n-GaInP толщиной 170-180 нм, буферный слой GaInAs толщиной не менее 0,5 мкм, нижний туннельный диод, включающий слой n-AlInP или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, слой n-GaAs толщиной 20-30 нм, p-AlGaAs слой толщиной 20-30 нм и широкозонный слой p-AlInP толщиной 20-50 нм или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, средний p-n переход, включающий слой тыльного потенциального барьера, осаждаемые при температуре 595-605°C, базовый p-GaInAs и эмиттерный слой из n-GaInAs и слой широкозонного окна из n-AlGaAs или n-GaInP толщиной 30-120 нм, верхний туннельный диод, включающий слой n-GaInP или n-GaAs толщиной 10-20 нм и слой p-AlGaAs толщиной 10-20 нм, верхний p-n переход, выращиваемый при температуре 720-730°C и включающий p-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерный n-слой, выполненные из GaInP, и n-слой широкозонного окна, а также n-контактный слой.
Недостатком известного многопереходного фотоэлектрического преобразователя является сложность технологии изготовления, необходимость использовать сильно легированные слои (туннельные переходы) для последовательного соединения каскадов и значительные рекомбинационные потери на границе раздела гетероперехода GaInP/GaInAs и в n-Ge эмиттерном слое.
Известен фотоэлектрический преобразователь (см. патент RU 2080690, МПК H01L 31/04, опубликован 27.05.1997), содержащий p-n переход, образованный широкозонными полупроводниками p- и n-типа проводимости, и омические контакты, при этом на поверхности широкозонного полупроводника p-типа проводимости последовательно выполнены варизонный слой p-типа проводимости и сильно легированный слой p-типа проводимости, на поверхности широкозонного полупроводника n-типа проводимости последовательно выполнены варизонный слой n-типа проводимости, слой полупроводника n-типа проводимости, более узкозонный, чем используемый для формирования p-n перехода полупроводник n-типа проводимости, и слой сильнолегированного полупроводника n-типа проводимости. Оба варизонных слоя и p-n переход выполнены так, что обедненная область заходит в варизонные слои на глубину 0,1-0,2 от суммарной толщины слоев, образующих p-n переход.
3
5
2
6
3
5
2
6
К недостаткам известного фотоэлектрического преобразователя следует отнести наличие p-n перехода, сложность технологии изготовления и контроля интерфейса на границе AB-AB, нестабильность и дефектность интерфейса AB-AB в предложенном решении.
19
-3
+
+
+
+
Известен фотоэлектрический преобразователь (см. патент RU 2432640, МПК H01L 31/042, опубликован 27.10.2011), содержащий p-n переход глубиной 250-1000 нм с легирующей примесью в n-слое или в p-слое 5·10 см соответственно, металлические наночастицы размером порядка 100 нм из металлов на лицевой поверхности между микроконтактами и изолирующий слой между наночастицами. Поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие, при этом конфигурация и площадь изотипного p-p (n-n) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n-p (p-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности.
19
-3
Недостатками известного фотоэлектрического преобразователя являются наличие p-n перехода, необходимость использовать сильно легированные слои до 5·10 см и, как следствие, значительные рекомбинационные потери в материале с предельно высокими уровнями легирования.
Известен фотоэлектрический преобразователь, совпадающий с настоящим решением по совокупности существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU 344781, МПК H01L 31/02, опубликован 06.04.1972). Фотоэлектрический преобразователь выполнен на основе гетероперехода n-GaAs-p-AlGaAs и включает подложку GaAs n-типа проводимости, фотоактивный слой AlGaAs p-типа проводимости, просветляющий слой и омические контакты. Фотоактивный слой имеет градиент концентрации алюминия в направлении, перпендикулярном плоскости гетероперехода от 0 до 50 ат. % на 1 мкм толщины. Это позволило увеличить коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии в электрическую.
g
В фотоэлектрическом преобразователе-прототипа имеет место неполное преобразование излучения солнечного спектра, связанное с характеристиками материала гетероструктуры, и необходимость изготовления p-n перехода для разделения носителей тока. Разделение носителей тока происходит в поле p-n перехода, а дополнительное электрическое поле в эмиттерах, обусловленное градиентом E, позволяет только увеличить сбор носителей, увеличив их скорость диффузии к p-n переходу. В преобразователе-прототипе для разделения генерированных носителей тока (электронов и дырок) используют электрическое поле p-n перехода, образующееся в месте контакта областей разного типа проводимости. Но генерированные светом носители тока рождаются в эмиттерах, и не все носители тока достигают области объемного заряда p-n перехода, поскольку имеют равную вероятность движения во всех направлениях. По пути к p-n переходу носители могут рекомбинировать между собой или просто терять часть своей энергии в результате соударений с кристаллической решеткой, то есть термализоваться. Для изготовления p-n перехода используются разные материалы легирования, и происходит совместное легирование фотоактивного материала (n- и p-примесями), что снижает его квантовую эффективность.
Задачей настоящего изобретения является создание фотоэлектрического преобразователя, имеющего повышенный КПД за счет более полного использования солнечного излучения и исключение каскадов p-n переходов, что существенно упрощает технологию изготовления.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический преобразователь на основе изотипной варизонной гетероструктуры, на основе полупроводниковых соединений A3B5 и/или A2B6, содержит полупроводниковую подложку и изотипный с подложкой фотоактивный слой, просветляющий слой и омические контакты, при этом ширина запрещенной зоны в фотоактивном слое уменьшается в направлении от освещаемой поверхности к подложке за счет изменения состава материала фотоактивного слоя, приводящего к изменению ширины запрещенной зоны с градиентом 0,8-1,2 эВ/мкм, что обеспечивает градиент тянущего электрического поля в фотоактивном слое 0,8-1,2 В/мкм.
x
u
1-x-u
y
1-y
Фотоактивнй слой может быть выполнен из AlInGaAsSb и может иметь градиент концентраций элементов к освещаемой поверхности в диапазонах: In от 25 ат. % до 0 ат. %, Al от 0 ат. % до 60 ат. %, As от 0 ат. % до 25 ат. %.
Полупроводниковая подложка и фотоактивный слой могут иметь n-тип проводимости или p-тип проводимости.
В настоящем фотоэлектрическом преобразователе плавное уменьшение ширины запрещенной зоны от освещаемой поверхности к подложке обеспечивает поглощение фотонов во всем диапазоне спектра без потерь, а электрическое поле, обусловленное оптимальным изменением ширины запрещенной зоны от освещаемой поверхности к подложке, позволяет отказаться от p-n перехода и увеличить коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии в электрическую за счет эффективного разделения и сбора генерированных светом носителей, уменьшая потери на термализацию и рекомбинацию, за счет того, что носители тока генерируются в области поглощения и находятся в электрическом поле, созданном изменением ширины запрещенной зоны, и сразу разделяются, что уменьшает вероятность рекомбинации, и имеют вектор направленного движения к контактам, при этом уменьшаются потери на термализацию. В настоящем фотоэлектрическом преобразователе отсутствуют каскады p-n переходов и элементы соединения этих каскадов (туннельные переходы), а следовательно, и отсутствуют потери на туннельных переходах и их деградация со временем. Минимальное значение градиента тянущего электрического поля 0,8 В/мкм, необходимое для разделения фотогенерированных носителей заряда, соответствует величине электрического поля, сравнимого с электрическим полем p-n перехода.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически изображен в поперечном разрезе настоящий фотоэлектрический преобразователь;
на фиг. 2 показана зонная диаграмма настоящего фотоэлектрического преобразователя, изготовленного по примерам 1 и 2.
17
18
-3
18
-3
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
Настоящий фотоэлектрический преобразователь, в котором отсутствует p-n переход (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит подложку 1, например, из GaSb, фотоактивный слой 2 толщиной, например, не менее 0,9 мкм, с постоянным или увеличивающимся к освещаемой поверхности уровнем легирования 10-10 см, выращенный, например, методом эпитаксии из металлоорганических соединений на основе твердых растворов AlInGaAsSb, путем последовательного, непрерывного изменения состава (для увеличения ширины запрещенной зоны Eg от подложки 1 к освещаемой поверхности) от AlInGaAsSb (x=0, 0,25>u>0, 0,22>y>0) с Eg~0,45 эВ до AlInGaAsSb (0<x<0,6, u=0, 0<y<0,07) с Eg~1,5 эВ; контактный слой 3, например, из GaSb толщиной, например, 0,2-0,5 мкм, с уровнем легирования 10 см; верхний омический контакт 4 и просветляющее покрытие 5. С тыльной стороны подложки сформирован тыльный омический контакт 6. Подложка 1, фотоактивный слой 2 и контактный слой 3 имеют одинаковый тип проводимости (n- или p-типа проводимость).
2
c
3
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
17
-3
18
-3
Пример 1. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь методом газофазной эпитаксии из металлоогранических соединений (МОСГФЭ) на подложках n-GaSb методом ГФЭМОС. Температура роста составляла 550-650°C, давление в реакторе - 100 мбар. Поток газа носителя (H) составлял - F=5,5 л/мин. Источником мышьяка (As) для получаемых твердых растворов служил арсин (AsH), источником сурьмы (Sb) являлась триметилсурьма (TMSb). Источником Ga служил триэтилгаллий (TEGa), источником In служил TMIn, источником Al служил триметилалюминий (TMAl). В качестве источника легирующей примеси использовали для n-типа проводимости - диэтилтеллур (DETe). Скорость роста составляла 1 мкм/час. Изготовление преобразователя начиналось с роста твердого раствора AlInGaAsSb (x=0, u=0,25, y=0,22) с Eg~0,45 эВ, изменение градиента обеспечивалось за счет непрерывного изменения состава со скоростью изменения градиента 0,02 эВ/мин путем последовательного изменения потоков элементов до AlInGaAsSb (x=0.6, u=0, y=0.07) с Eg~1,5 эВ. Рост твердого раствора AlInGaAsSb осуществляли с неизменным типом проводимости во всей структуре и концентрацией электронов 10 см. Общая толщина твердого раствора AlInGaAsSb составляла 1,1 мкм. Затем выращивали контактный слой GaSb толщиной 0,2 мкм, с уровнем легирования 10 см, необходимый для формирования надежного металлического омического контакта. Далее были сформированы тыльный и фронтальный омические контакты. Подложка, буферный слой, фотоактивный слой и контактный слой имели n-тип проводимости
3
4
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
18
-3
18
-3
Пример 2. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОСГФЭ) на подложках p-GaSb методом ГФЭМОС. Температура роста составляла 550-650°C. Величина давления в реакторе составляла 100 мбар. Источником мышьяка (As) для получаемых твердых растворов служил арсин (AsH), источником сурьмы (Sb) служила триметилсурьма (TMSb). Источником Ga служил - триэтилгаллий (TEGa), источником In служил - TMIn, источником Al служил триметилалюминий (TMAl). В качестве источника легирующей примеси использовали для p-типа проводимости силан (SiH). Скорость роста составляла 1,5 мкм/ч. Изготовление фотоэлектрического преобразователя без p-n перехода начиналось с роста твердого раствора AlInGaAsSb (x=0, u=0.25, y=0.22) с Eg~0,45 эВ, изменение градиента обеспечивалось за счет непрерывного изменения состава со скоростью изменения градиента 0,015 эВ/мин, путем последовательного изменения потоков элементов до AlInGaAsSb (x=0,6, u=0, y=0,07) с Eg~1,5 эВ. Рост твердого раствора AlInGaAsSb осуществляли с неизменным типом проводимости во всей структуре и концентрацией дырок 10 см. Общая толщина твердого раствора AlInGaAsSb составляла 0,88 мкм. Затем выращивали контактный слой GaSb (n или p типа проводимости) толщиной 0,5 мкм, с уровнем легирования 10 см, необходимый для формирования надежного металлического контакта. Далее были сформированы тыльный и фронтальный омические контакты. Подложка, фотоактивный слой и контактный слой имели p-тип проводимости.
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
x
u
1-x-u
y
1-y
18
-3
18
-3
Пример 3. Фотоэлектрический преобразователь без p-n перехода был сформирован на основе твердого раствора AlInGaAsSb, согласованного по постоянной кристаллической решетки с подложкой InAs. Вначале на подложке InAs был сформирован твердый раствор AlInGaAsSb (x=0, u=0.23, y=0.17) с Eg~0,45 эВ с дальнейшим изменением ширины запрещенной зоны за счет непрерывного градиента состава со скоростью изменения градиента 0,014 эВ/мин путем последовательного изменения потоков элементов до AlInGaAsSb (x=0,5, u=0, y=0,13) с Eg~1,4 эВ. Получение твердого раствора AlInGaAsSb осуществляли с неизменным типом проводимости во всей структуре и концентрацией носителей 10 см. Общая толщина твердого раствора AlInGaAsSb составляла 0,8 мкм. Затем выращивали контактный слой InAs (n- или p-типа проводимости) толщиной 0,5 мкм, с уровнем легирования 10 см, необходимый для формирования надежного металлического контакта. Далее были сформированы тыльный и фронтальный омические контакты. Подложка, фотоактивный слой и контактный слой имеют n-тип проводимости.
x
y
1-x-y
x
y
1-x-y
x
y
1-x-y
x
y
1-x-y
x
y
1-x-y
18
-3
18
-3
Пример 4. Фотоэлектрический преобразователь без p-n перехода на основе твердого раствора AlInGaAs, согласованного по постоянной кристаллической решетки с подложкой InP. Вначале на подложке InP был сформирован твердый раствор AlInGaAs (x=0, y=0.53) с Eg~0,75 эВ с дальнейшим изменением ширины запрещенной зоны за счет непрерывного градиента состава со скоростью изменения градиента 0,016 эВ/мин путем последовательного изменения потоков элементов до AlInGaAs (x=0,51, y=0.49) с Eg~1,56 эВ. Получение твердого раствора AlInGaAs осуществляли с неизменным типом проводимости во всей структуре и концентрацией носителей 10 см. Общая толщина твердого раствора AlInGaAs составляла 0,8 мкм. Затем выращивали контактный слой InGaAs (n- или p-типа проводимости) толщиной 0,5 мкм, с уровнем легирования 10 см, необходимый для формирования надежного металлического контакта. Далее были сформированы тыльный и фронтальный омические контакты. Подложка, фотоактивный слой и контактный слой имеют n-тип проводимости.