МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
MULTI-JUNCTION SOLAR CELL

Изобретение относится к многопереходному солнечному элементу.
Для более эффективного использования солнечного спектра многопереходные солнечные элементы в общем случае включают три или более субэлемента с разными согласованными друг с другом запрещенными зонами, причем самый верхний субэлемент имеет наибольшую запрещенную зону, а самый нижний субэлемент имеет наименьшую запрещенную зону, и причем самый верхний субэлемент находится на стороне многопереходного солнечного элемента, обращенной к солнцу.
Подобные многопереходные солнечные элементы известны, например, из доклада В. Гутера и других „Development of Upright Metamorphic 4J Space Solar Cells“ на симпозиуме Space Power Workshop 2017 (Манхеттен-Бич, Калифорния).
В случае многопереходных солнечных элементов с германиевой подложкой и согласованными параметрами решетки самый верхний субэлемент многопереходного солнечного элемента, ниже называемый также верхним элементом, часто состоит из InGaP с шириной запрещенной зоны около 1,88 эВ.
oc
Верхний элемент из InGaP характеризуется напряжением на зажимах при разомкнутой цепи (V), составляющим около 1,4 В. Для повышения эффективности многопереходных солнечных элементов реализуют как метаморфные концепции, так и концепции с согласованными параметрами решетки и структурой, включающей более трех субэлементов.
oc
При этом верхний элемент формируют из InAlGaP, причем благодаря добавлению алюминия ширина запрещенной зоны увеличивается и напряжение на зажимах верхнего элемента при разомкнутой цепи (V) возрастает, достигая значений, превышающих 1,4 В.
oc
Хотя верхний элемент из InAlGaP и обладает более широкой запрещенной зоной по сравнению с не содержащим алюминий верхним элементом из InGaP, а также более высоким напряжением на зажимах при разомкнутой цепи (V), однако в отличие от верхнего элемента из InGaP верхний элемент из InAlGaP характеризуется почти в пять раз более высоким сопротивлением слоя.
Более высокое сопротивление верхнего элемента из InAlGaP в особенности при повышенных токах обусловливает более значительные потери последовательного сопротивления в многопереходном солнечном элементе. Для обеспечения низких потерь последовательного сопротивления при повышенных токах, в частности, в случае использования многопереходных солнечных элементов для солнечных электрогенерирующих концентраторов (CVP-систем) необходимо уменьшать расстояние между металлическими контактными пальцами на верхней стороне верхнего элемента из InAlGaP по сравнению с верхним элементом из InGaP. Однако это обусловливает более сильное затенение, следствием которого является уменьшение коэффициента полезного действия солнечного элемента в целом.
Таким образом, при использовании многопереходных солнечных элементов для CVP-систем особенно важным является обеспечение сквозной проводимости, достаточной для высокой эффективности CVP-систем.
Из доклада Артура Б. Корнфельда и других “Evolution of a 2.05 eV AlGaInP Top Sub-Cell for 5 and 6J-IMM Applications” на 38-й конференции специалистов в области фотоэлектричества (38th IEEE Photovoltaic Specialists Con-verence (PVSC), 2012) известно о формировании верхнего элемента в виде гетероэлемента с эмиттером из InGaP и базой из InAlGaP. Однако в отличие от элементов, состоящих только из InAlGaP, в данном случае имеют место значительные потери напряжения, составляющие около 160 мВ.
Из патента США US 4688068 A1, европейского патента EP 2779253 A1 и патента США US 2012/240987 A1 известны многопереходные солнечные элементы, причем между эмиттером и базой субэлементов сформирована структура на квантовых ямах (MQW-структура).
Другие структуры солнечного элемента известны из патента США US 2013/263923 A1, европейского патента EP 1047136 A2 и патента США US 2009/188554 A1.
С учетом вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача предложить многопереходный солнечный элемент, улучшенный по сравнению с уровнем техники.
Указанная задача решается с помощью многопереходного солнечного элемента, отличительные признаки которого представлены в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах.
Объектом настоящего изобретения является многопереходный солнечный элемент в форме стопки, включающий стопку, состоящую по меньшей мере из трех, четырех или большего числа субэлементов, каждый из которых имеет эмиттер и базу, причем свет сквозь самый верхний субэлемент проникает к другим субэлементам.
Самый верхний субэлемент по меньшей мере включает III-V-полу-проводниковый материал (полупроводниковый материал на основе химических элементов III-V-групп периодической системы Меделеева) или состоит из III-V-полупроводникового материала, причем эмиттер самого верхнего субэлемента включает сверхрешетку или состоит из структуры сверхрешетки.
Следует отметить, что между двумя непосредственно следующими друг за другом субэлементами сформирован туннельный диод. Кроме того, следует отметить, что соответствующие субэлементы сформированы в виде N/P-субэлементов, то есть n-эмиттер расположен над соответствующим p-базовым слоем.
Иначе говоря, прежде чем проникнуть через базовый слой свет проходит сквозь эмиттерный слой. Согласно изобретению туннельный диод состоит из сильнолегированного тонкого n-слоя и сильнолегированного тонкого p-слоя, причем оба слоя туннельного диода расположены друг на друге и неразъемно соединены друг с другом.
Согласно изобретению n-эмиттер и p-базовый слой соответствующих субэлементов образуют p-n-переход.
Кроме того, следует отметить, что n-эмиттер и p-база соответствующих субэлементов могут быть выполнены либо из одного и того же материала, но с разным легированием, либо из разных материалов и с разным легированием.
Согласно изобретению сверхрешетка образуется из периодической последовательности нескольких отличающихся друг от друга, чрезвычайно тонких полупроводниковых слоев. Указанные полупроводниковые слои обладают разной энергией запрещенной зоны и образуют последовательность из попарно расположенных потенциальных ям и потенциальных барьеров. Под чрезвычайно тонкими полупроводниковыми слоями в данном случае имеется в виду, что их толщина составляет менее 10 нм.
Потенциальная яма предпочтительно окружена потенциальными барьерами, то есть структура сверхрешетки начинается со слоя потенциального барьера и заканчивается слоем потенциального барьера.
При этом потенциальные барьеры, то есть соответствующие барьерные слои, в частности, выполнены настолько тонкими, что волновые функции соседних потенциальных ям могут перекрывать друг и друга, причем образуется так называемая сверхрешетка.
Согласно изобретению отличающиеся друг от друга тонкие слои сверхрешетки соответственно обладают разными электрическими и оптическими свойствами, которые сочетает в себе сверхрешетка. Кроме того, согласно изобретению энергия запрещенной зоны материала слоев с потенциальной ямой меньше энергии запрещенной зоны материала барьерных слоев.
Достигаемое при этом преимущество состоит в том, что благодаря формированию сверхрешетки в эмиттере неожиданно оказывается возможным достижение более высокой сквозной проводимости по сравнению с верхним элементом из AlInGaP при одновременном отсутствии существенного снижения напряжения на зажимах многопереходного солнечного элемента при разомкнутой цепи.
Так, например, в отличие от известных до последнего времени технических решений формирование структуры сверхрешетки в эмиттере верхнего элемента позволяет обеспечить сквозную проводимость в диапазоне значений сопротивления ниже 700 Ом/ при небольших потерях напряжения на истоке, составляющих несколько милливольт.
Иначе говоря, формирование сверхрешетки в эмиттере верхнего элемента позволяет обеспечить высокое напряжение на зажимах при разомкнутой цепи и одновременно существенно уменьшить сопротивление слоя верхнего элемента.
Особенно неожиданным оказалось то обстоятельство, что несмотря на наличие барьерных слоев внутри структуры сверхрешетки в эмиттере ток короткого замыкания солнечного элемента не оказывает негативного влияния, причем по сравнению с обычным солнечным элементом с эмиттером из объемного слоя ток короткого замыкания не уменьшается.
Следует отметить, что в связи с трудоемкостью изготовления структур сверхрешетки их до последнего времени формируют исключительно с целью расширения области поглощения во внутренних зонах, то есть между эмиттером и базой субэлементов, что позволяет расширить длинноволновой диапазон поглощения или скорректировать жесткость излучения субэлементов.
Согласно первому варианту осуществления изобретения сверхрешетка состоит из нескольких образующих стопку слоев, причем составы смежных слоев отличаются друг от друга по меньшей мере одним химическим элементом и/или смежные слои отличаются друг от друга стехиометрией. Следовательно, соседние слои состоят из материалов с разной энергией запрещенной зоны и, таким образом, образуют сверхрешетку.
Иначе говоря, два непосредственно следующих один за другим слоя предпочтительно отличаются друг от друга по составу и/или стехиометрии образующих их элементов.
Согласно другому варианту осуществления изобретения эмиттер самого верхнего субэлемента помимо сверхрешетки дополнительно включает по меньшей мере один другой слой, который является частью эмиттера.
Другой слой предпочтительно сформирован ниже сверхрешетки, то есть между базовым слоем верхнего элемента и сверхрешеткой.
В улучшенном варианте осуществления изобретения другой слой сформирован выше сверхрешетки.
В другом варианте осуществления изобретения другой слой сформирован как ниже, так и выше сверхрешетки.
Сверхрешетка предпочтительно включает по меньшей мере пять периодов, максимум тридцать периодов. Максимальное число периодов в сверхрешетке предпочтительно составляет точно восемнадцать. Следует отметить, что каждый период состоит точно из одной пары слоев.
В улучшенном варианте осуществления изобретения сверхрешетка включает несколько барьерных слоев и несколько слоев с потенциальной ямой, например, соответственно пять барьерных слоев и пять слоев с потенциальной ямой, причем барьерные слои и слои с потенциальной ямой расположены в стопке в чередующейся последовательности и причем материал слоев с потенциальной ямой характеризуется меньшей энергией запрещенной зоны, чем материал барьерных слоев.
В предпочтительном варианте каждый барьерный слой обладает толщиной максимум 6 нм, например, 1,5 нм, и каждый слой с потенциальной ямой обладает толщиной максимум 8 нм, например, 2 нм.
Согласно другому варианту осуществления изобретения общая толщина сверхрешетки составляет менее 500 нм или находится в диапазоне от 20 до 100 нм.
В улучшенном варианте осуществления изобретения сверхрешетка включает от 3 до 100 чередующихся пар, соответственно состоящих из слоя с потенциальной ямой и барьерного слоя.
Благодаря ограничению толщины слоев формируется сверхрешетка с квантовыми ямами и тонкими барьерами. Квантизация, происходящая при этом в пределах квантовых ям, повышает энергию, с которой поглощаются фотоны, благодаря чему достигается высокое напряжение на зажимах солнечного элемента при разомкнутой цепи. Тонкие барьеры способствуют вертикальному переносу тока, поэтому носители заряда, которые генеририруются вследствие поглощения фотонов в эмиттере, могут разделяться, а, следовательно, могут вносить свой вклад в ток короткого замыкания солнечного элемента.
Эффективную запрещенную зону структуры сверхрешетки можно регулировать посредством варьирования толщины слоев с потенциальной ямой, толщины барьерных слоев и концентрации легирующих примесей.
В другом улучшенном варианте осуществления изобретения каждый барьерный слой характеризуется первой концентрацией легирующих примесей и каждый слой с потенциальной ямой характеризуется второй концентрацией легирующих примесей, причем первая концентрация легирующих примесей равна, больше или меньше второй концентрации легирующих примесей. Первая концентрация легирующих примесей предпочтительно в два раза выше или в два раза ниже второй концентрации легирующих примесей.
В другом варианте осуществления изобретения эмиттер самого верхнего субэлемента включает алюминий и/или база самого верхнего субэлемента состоит из AlInGaP или включает AlInGaP.
Согласно другому варианту осуществления изобретения сверхрешетка сформирована в виде сверхрешетки n-InAlP/n-InGaP или сверхрешетки n-InGaP/n-InAlP. При этом слой с потенциальной ямой формируют из n-InGaP, а барьерный слой из n-InAlP. База самого верхнего субэлемента предпочтительно включает p-AlInGaP или состоит из p-AlInGaP.
В связи с более высокой сквозной проводимостью в InGaP-слоях с потенциальной ямой сверхрешетка из чередующихся слоев InGaP и InAlP обладает гораздо более высокой проводящей способностью, чем объемный слой из AlInGaP аналогичной толщины.
Тем не менее по сравнению с элементом, состоящим только из AlInGaP, все еще имеют место небольшие потери напряжения. Однако по сравнению с потерями напряжения элемента, состоящего только из InGaP, потери напряжения меньше, и коэффициент полезного действия солнечного элемента со структурой сверхрешетки в эмиттере возрастает благодаря явному преобладанию улучшений, обусловленных пониженным сопротивлением слоя.
x
1-x
y
1-y
Согласно другому варианту осуществления изобретения сверхрешетка сформирована в виде сверхрешетки n-InGaP/n-InGaP. При этом содержание индия в слоях с потенциальной ямой (x) выше содержания индия в барьерных слоях (y). Разница в энергии запрещенной зоны чередующихся слоев, возникающая вследствие разного содержания индия в чередующихся слоях, также приводит к формированию сверхрешетки.
Согласно другому варианту осуществления изобретения по меньшей мере два субэлемента или все субэлементы многопереходного солнечного элемента сформированы друг на друге, образуя одно целое. В альтернативном варианте осуществления изобретения многопереходный солнечный элемент включает метаморфный буфер и/или полупроводниковый соединительный элемент.
Метаморфный буфер предпочтительно сформирован между самым нижним субэлементом и самым верхним субэлементом. В улучшенном варианте осуществления изобретения самый нижний субэлемент выполнен из германия.
В другом варианте осуществления изобретения многопереходный солнечный элемент включает по меньшей мере четыре субэлемента, точно четыре субэлемента, точно пять субэлементов или точно шесть субэлементов, причем самый верхний субэлемент имеет запрещенную зону от 1,75 до 2,1 эВ, а второй самый верхний субэлемент имеет запрещенную зону от 1,55 до 1,75 эВ. Эмиттер и база второго самого верхнего субэлемента соответственно содержат InGaP.
В другом улучшенном варианте осуществления изобретения многопереходный солнечный элемент в форме стопки включает по меньшей мере один брэгговский зеркальный слой, называемый также брэгговским отражателем или диэлектрическим зеркалом.
Согласно другому варианту осуществления изобретения самая верхняя сторона субэлемента имеет один контактный палец или несколько контактных пальцев.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. При этом одинаковые детали обозначены идентичными позициями. Представленные на чертежах варианты конструктивного исполнения многопереходного солнечного элемента сильно схематизированы, то есть горизонтальные и вертикальные расстояния указаны без соблюдения масштаба, а также, в отсутствие особых указаний, без соблюдения истинных геометрических пропорций. На чертежах показано:
на фиг. 1 предлагаемый в изобретении многопереходный солнечный элемент в форме стопки в первом варианте конструктивного исполнения,
на фиг. 2 предлагаемый в изобретении многопереходный солнечный элемент в форме стопки во втором варианте конструктивного исполнения,
на фиг. 3 предлагаемый в изобретении многопереходный солнечный элемент в форме стопки в третьем варианте конструктивного исполнения.
На фиг. 1 представлен первый вариант конструктивного исполнения многопереходного солнечного элемента MJ в форме стопки, включающего стопку ST, которая состоит из подложки SUB, самого нижнего субэлемента C1, среднего субэлемента C2 и самого верхнего субэлемента C3. На нижней стороне стопки ST сформирован плоскостный контактный слой K1. На верхней стороне стопки расположены контактные пальцы K2, K3.
Каждый из субэлементов C1, C2 и C3 имеет соответствующую базу B1, B2, B3 и соответствующий эмиттер E1, E2, E3, причем эмиттер E3 и база B3 самого верхнего субэлемента C3 соответственно сформированы из III-V-полупроводникового материала.
SL
Эмиттер E3 самого верхнего субэлемента C3 включает сверхрешетку SL. Сверхрешетка содержит несколько тонких слоев с потенциальной ямой QW толщиной D2 и несколько тонких барьерных слоев BA толщиной D1, причем слои с потенциальной ямой QW и барьерные слои BA расположены в стопке друг на друге в чередующейся последовательности. Общая толщина D сверхрешетки SL определяется толщиной чередующихся слоев и числом периодов.
На фиг. 2 представлен другой вариант конструктивного исполнения предлагаемого в изобретении многопереходного солнечного элемента MJ. Ниже поясняются лишь отличия данного варианта конструктивного исполнения от варианта, представленного на фиг. 1.
Трехпереходный солнечный элемент MJ включает брэгговский зеркальный слой DBR, расположенный между самым нижним субэлементом C1 и средним субэлементом C2. Предпочтительной является следующая комбинация материалов субэлементов: самый нижний субэлемент C1 сформирован в виде германиевого элемента, средний субэлемент C2 сформирован в виде (Al)InGaAs-элемента, а самый верхний субэлемент C3 включает p-InAlGaP-базу B3 и сверхрешетку n-InAlP/n-InGaP в качестве эмиттера E3.
Согласно не представленному на чертежах варианту конструктивного исполнения между германиевым элементом и непосредственно следующим за ним субэлементом сформирован метаморфный буфер. При этом метаморфный буфер размещен вместо брэгговского зеркального слоя DBR или между брэгговским зеркальным слоем и германиевым элементом.
x
1-x
y
1-y
Согласно другой комбинации материалов самый нижний субэлемент C1 сформирован в виде германиевого элемента, а средний субэлемент C2 в виде InGaAs-элемента. Самый верхний субэлемент C3 имеет p-InGaP-базу B3 и сверхрешетку n-InGaP/n-InGaP в качестве эмиттера E3.
При этом содержание индия (x) в слоях с потенциальной ямой превышает содержание индия (y) в барьерных слоях, а, следовательно, энергия запрещенной зоны материала слоев с потенциальной ямой меньше энергии запрещенной зоны материала барьерных слоев.
На фиг. 3 представлен другой вариант конструктивного исполнения предлагаемого в изобретении многопереходного солнечного элемента MJ. Ниже поясняются лишь отличия данного варианта конструктивного исполнения от варианта, представленного на фиг. 1.
Многопереходный солнечный элемент MJ выполнен в виде четырехпереходного солнечного элемента, который включает подложку SUB, самый нижний субэлемент, например, из германия, буферный слой BU, брэгговский зеркальный слой DBR, первый средний субэлемент C2.1, например, из InGaAs, второй средний субэлемент C2.2, например, из AlInGaAs, а также самый верхний субэлемент C3. Самый верхний субэлемент включает базовый слой B3, например, из p-InAlGaP, а также, например, сверхрешетку n-InAlP/n-InGaP в качестве эмиттерного слоя E3.