СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ)
SOLAR CELL (VERSIONS)

Изобретения относятся к полупроводниковым приборам, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и могут быть использованы для разработки и изготовления приборов, предназначенных для работы в условиях космоса.
Известен солнечный элемент (Arnold Alguno, Noritaka Usami, Toru Ujihara, Kozo Fujiwara, Gen Sazaki, Kazuo Nakajima, Kentaro Sawano, Yasuhiro Shiraki «Effects of spacer thickness on quantum efficiency of the solar cells with embedded Ge islands in the intrinsic layer» Applied Physics Letters, v.84, N 15, 2004, p.p.2802-2804), содержащий контактные слои и расположенную между контактными слоями диодную структуру, при этом диодная структура выполнена в виде p-i-n структуры, в составе которой сформированы последовательно: базовый поглощающий слой полупроводника заданного типа проводимости, являющийся подложкой, многослойная структура из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, и слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного. В качестве базового поглощающего слоя полупроводника заданного типа проводимости, являющегося подложкой, использован слой Si р-типа проводимости ориентации (100). Слои базового материала сформированы из Si молекулярно-лучевой эпитаксией в количестве до 100, толщиной от 10 до 100 нм. Нанообъекты, представляющие собой квантовые точки, выполнены в виде наноостровков из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала слоев (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, а именно из Ge, и вертикально упорядочены. Слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, выполнен из Si n-типа проводимости и расположен на многослойной структуре. В составе солнечного элемента сформированы контактные слои, со стороны подложки - сплошной контактный слой Al, а на слое полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного - пропускающий световое излучение, структурированный в виде полос Ag. В диодной структуре между базовым поглощающим слоем (подложкой) и многослойной структурой сформирован эпитаксиальный слой полупроводника, а именно эпитаксиальный слой Si.
Описанный солнечный элемент работает следующим образом. Поток светового излучения для преобразования его в электрическую энергию подают со стороны контактного слоя, структурированного в виде полос Ag, в направлении, перпендикулярном к поверхности. Фотоны с энергией, соответствующей величине, меньшей, чем ширина запрещенной зоны Si, проходят расположенный на многослойной структуре слой Si n-типа проводимости и частично поглощаются в многослойной структуре. Фотоны с энергией, соответствующей величине, равной ширине запрещенной зоны Si, или больше указанной величины, поглощаются в основном в подложке Si, которая является базовым поглощающим слоем. Поглощаемые фотоны как многослойной структурой, так и базовым поглощающим слоем генерируют электронно-дырочные пары, которые в результате диффузии и действия тянущего электрического поля собираются к контактам к слою Si n-типа проводимости и базовому поглощающему слою Si р-типа проводимости, вызывая, таким образом, ток во внешней цепи, возникновение напряжения и, следовательно, ЭДС.
Наличие многослойной структуры из слоев нанообъектов, квантовых точек, из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, дает возможность осуществлять поглощение светового излучения с длиной волны меньше края собственного поглощения Si (1120 нм) и генерировать дополнительные носители заряда, увеличивая внешний квантовый выход и, как следствие, коэффициент полезного действия.
Однако увеличение коэффициента полезного действия приведенного солнечного элемента за счет введения многослойной структуры весьма незначительно.
Указанный недостаток обусловлен следующими причинами. Увеличение внешнего квантового выхода за счет многослойной структуры, выполненной из слоев нанообъектов (квантовых точек) из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, проявляемое в спектральном диапазоне 1200÷1500 нм, весьма мало, не превышает долей процента внешнего квантового выхода, достигаемого при межзонных переходах. Данный факт связан со слабым поглощением фотонов, соответствующих длинноволновому излучению, в результате малой плотности квантовых точек или недостаточной толщины многослойной структуры. В одной из недавних публикаций, посвященной разработке солнечных элементов, содержащих многослойную структуру, выполненную из слоев нанообъектов (квантовых точек) из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, в частности, с образованием промежуточной зоны, в отношении оценки развития данного объекта техники разработчики-пионеры солнечного элемента с многослойной структурой прямо указали (A. Luque, A. Marti. «Recent progress in intermediate band solar cell», Conference Record of the 2006 4-th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, v.1, p.p.49-52, 2006), что, исходя из сегодняшнего состояния исследований, не приходится ожидать, что какой-либо солнечный элемент с многослойной структурой на базе квантовых точек будет более эффективным, чем традиционный, без многослойной структуры, солнечный элемент, и основная причина этого заключается в том, что поглощение света квантовыми точками очень мало из-за их малой плотности. Отметим, что доведение слоев квантовых точек, разделенными слоями базового материала, до количества свыше 100 технологически затруднительно и практически нецелесообразно, поскольку ухудшается качество р-n перехода. При изготовлении многослойной структуры, в частности, обеспечивающей промежуточную зону, используются материалы, характеризующиеся разными постоянными кристаллической решетки, что обуславливает наличие встроенных механических напряжений и, в конечном счете, при большой суммарной толщине многослойной структуры введение структурных дефектов - дислокаций несоответствия.
+
+
В качестве ближайшего технического решения выявлен солнечный элемент (A.G.Norman, М.С.Hanna, P.Dippo, D.Н.Levi, R.С.Reedy, J.S.Ward, M.M. Al-Jassim «InGaAs/GaAs QD Superlattices: MOVPE Growth, Structural and Optical Characterization, and Application in Intermediate-Band Solar Cells» IEEE, 2005, p.p.43-48), содержащий контактные слои и расположенную между контактными слоями диодную структуру, при этом диодная структура выполнена в виде p-i-n структуры, в составе которой сформированы последовательно базовый поглощающий слой полупроводника заданного типа проводимости, являющийся подложкой, многослойная структура из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, и слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного. В качестве базового поглощающего слоя полупроводника заданного типа проводимости, являющегося подложкой, использован слой GaAs р-типа проводимости ориентации (001) или {113}В. Слои базового материала (спейсеры) сформированы из GaAs молекулярно-лучевой эпитаксией в количестве до 50, толщиной порядка 20 нм. Нанообъекты, представляющие собой квантовые точки, выполнены в виде нанокристаллов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала слоев (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, а именно из InGaAs, и вертикально упорядочены. Слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, выполнен из GaAs n-типа проводимости и расположен на многослойной структуре. В составе солнечного элемента сформированы контактные слои, со стороны подложки - сплошной контактный слой Au, а со стороны слоя полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного - пропускающий световое излучение, структурированный в виде сетки Au. В диодной структуре между базовым поглощающим слоем заданного типа проводимости (подложкой) и многослойной структурой сформирован вспомогательный эпитаксиальный слой полупроводника, а именно эпитаксиальный слой GaAs р-типа проводимости толщиной 100 нм; на слое полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, выполнены последовательно слой GalnP n-типа проводимости толщиной 30 нм и локально расположенный на поверхности подконтактный слой GaAs n-типа проводимости толщиной 200 нм, на который нанесен контактный слой, структурированный в виде сетки.
Работа данного солнечного элемента аналогична предыдущему. Свойственные недостатки и причины, их обуславливающие, - те же, что у приведенного первого аналога.
Техническим результатом вариантов изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) солнечного элемента.
Технический результат достигается тем, что в солнечном элементе, содержащем контактные слои и расположенную между контактными слоями диодную структуру, причем в составе диодной структуры выполнены последовательно базовый поглощающий слой полупроводника заданного типа проводимости, многослойная структура из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, и слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, а контактные слои выполнены с возможностью многократного отражения поглощаемого светового излучения, подаваемого в солнечный элемент под углом к плоскости контактных слоев, увеличивающего оптический путь фотонов и повышающего возможность их поглощения.
В солнечном элементе диодная структура выполнена в виде p-i-n структуры.
В солнечном элементе базовый поглощающий слой полупроводника заданного типа проводимости выполнен из прямозонного или непрямозонного полупроводника.
В солнечном элементе базовый поглощающий слой полупроводника заданного типа проводимости из прямозонного полупроводника выполнен из GaAs n-типа проводимости толщиной 0,5÷3 мкм.
В солнечном элементе слои базового материала сформированы из GaAs в количестве от 30 до 100, толщиной порядка 20 нм, а нанообъекты, представляющие собой квантовые точки, выполнены из InGaAs и вертикально упорядочены.
+
В солнечном элементе слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, расположен на многослойной структуре и выполнен из GaAs р-типа проводимости.
В солнечном элементе, в диодной структуре, дополнительно выполнен слой полупроводника с противоположным типом проводимости относительно типа проводимости, отличного от заданного, расположенный между контактным слоем и базовым поглощающим слоем.
+
В солнечном элементе, в диодной структуре, дополнительно выполнен слой из GaAs n-типа проводимости, расположенный между контактным слоем и базовым поглощающим слоем из GaAs n-типа проводимости.
В солнечном элементе базовый поглощающий слой полупроводника заданного типа проводимости из непрямозонного полупроводника выполнен из Si i-типа проводимости толщиной 100÷300 мкм.
В солнечном элементе слои базового материала сформированы из Si в количестве от 30 до 100, толщиной от 10 до 100 нм, а нанообъекты, представляющие собой квантовые точки, выполнены из Ge и вертикально упорядочены.
+
В солнечном элементе слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, расположен на многослойной структуре и выполнен из Si р-типа проводимости.
В солнечном элементе, в диодной структуре, дополнительно выполнен слой полупроводника с противоположным типом проводимости относительно типа проводимости, отличного от заданного, расположенный между контактным слоем и базовым поглощающим слоем.
+
В солнечном элементе, в диодной структуре, дополнительно выполнен слой из Si n-типа проводимости, расположенный между контактным слоем и базовым поглощающим слоем из Si i-типа проводимости.
В солнечном элементе контактные слои, выполненные с возможностью многократного отражения поглощаемого светового излучения, подаваемого в солнечный элемент под углом к плоскости контактных слоев, увеличивающего оптический путь фотонов и повышающего возможность их поглощения, сформированы сплошными из Al.
Технический результат достигается тем, что в солнечном элементе, содержащем контактные слои и расположенную между контактными слоями диодную структуру, при этом в составе диодной структуры выполнены последовательно базовый поглощающий слой полупроводника заданного типа проводимости, многослойная структура из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, и слой полупроводника с типом проводимости отличным от заданного, причем контактные слои выполнены с возможностью многократного отражения поглощаемого светового излучения, подаваемого в солнечный элемент под углом к плоскости контактных слоев, увеличивающего оптический путь фотонов и повышающего возможность их поглощения, и солнечный элемент выполнен в виде пакета расположенных между контактными слоями диодных структур с многослойной структурой.
+
+
Сущность вариантов изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 схематически показана конструкция солнечного элемента, где 1 - базовый поглощающий слой, 2 - многослойная структура, 3 и 4 - контактные слои, 5 - слой n-типа проводимости базового полупроводника, 6 - слой р-типа проводимости базового полупроводника. На Фиг.2 схематически показан солнечный элемент, выполненный в виде пакета собранных склеиванием отдельных элементов с диодной структурой, расположенной между контактными слоями и содержащей многослойную структуру с нанообъектами.
В вышеприведенной публикации (A. Luque, A. Marti. «Recent progress in intermediate band solar cell», Conference Record of the 2006 4-th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, v. 1, p.p.49-52, 2006) в отношении дальнейших перспектив развития солнечных элементов с многослойной структурой, содержащей нанообъекты, в частности, обуславливающей промежуточную зону, также отмечалось, что нельзя, однако, исключить и такого развития событий, при котором будут найдены пути лучшего обеспечения взаимодействия света с квантовыми точками, в результате чего солнечные элементы, содержащие многослойную структуру с нанообъектами, вполне могут стать практически интересным.
Достижение технического результата в предлагаемых вариантах изобретения базируется на обеспечении лучшего взаимодействия света с квантовыми точками и, за счет этого, максимально полного поглощения фотонов длинноволнового диапазона. Это приводит к реализации фундаментального преимущества солнечного элемента с многослойной структурой, в которой выполнены нанообъекты, по сравнению с традиционными солнечными элементами. Увеличение поглощения длинноволнового света многослойной структурой из слоев нанообъектов, сформированных из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, обеспечивается многократным прохождением света через систему нанообъектов, например квантовых точек. Конструктивные средства обеспечения достижения технического результата - контактные слои (3) и (4), выполненные с возможностью многократного отражения поглощаемого светового излучения. При этом свет подают в солнечный элемент под углом к плоскости контактных слоев (3) и (4), с торца (см. Фиг.1 и Фиг.2). За счет подачи преобразуемого в электрическую энергию солнечного излучения под углом к отражающим контактным слоям (3) и (4) и дальнейшего многократного отражения света значительно увеличивается оптический путь фотонов и повышается возможность их поглощения на квантовых точках. В результате возрастает внешний квантовый выход и, как следствие, фототок и КПД солнечного элемента.
На Фиг.2 показан составной вариант выполнения солнечного элемента. Составной солнечный элемент обеспечивает повышение напряжения холостого хода. Напряжение холостого хода всего солнечного элемента (Фиг.2) равно сумме напряжений холостого хода отдельных, составляющих его, солнечных элементов (Фиг.1). Поскольку световые лучи одновременно подают во все солнечные элементы, составляющие пакет, каждый из них вносит свой вклад в формирование ЭДС, генерируя напряжение, ток носителей заряда. Однако полный ток составного солнечного элемента определяется минимальной величиной тока, которую обеспечивает какой-либо из составляющих солнечных элементов, образующих пакет. В связи с этим при эксплуатации составного солнечного элемента необходимо обеспечить однородность засветки по суммарной площади торца.
В представленных вариантах солнечного элемента отсутствуют потери, обусловленные поглощением света структурированными контактными слоями (в виде сетки).
+
+
Предлагаемый солнечный элемент по первому варианту содержит (см. Фиг.1) базовый поглощающий слой (1), многослойную структуру (2), контактные слои (3) и (4), слой (5) n-типа проводимости базового полупроводника, слой (6) р-типа проводимости базового полупроводника.
В общем случае выполнения солнечный элемент содержит контактные слои (3) и (4) и диодную структуру, расположенную между контактными слоями. Диодная структура, например, выполнена в виде p-i-n структуры, содержащей последовательно базовый поглощающий слой (1) полупроводника заданного типа проводимости, многослойную структуру (2) из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, и слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного. Контактные слои (3) и (4) выполнены с возможностью многократного отражения поглощаемого светового излучения, подаваемого в солнечный элемент под углом к плоскости контактных слоев, увеличивающего оптический путь фотонов и повышающего возможность их поглощения. При этом диодная структура может быть реализована также, как в вышеописанных аналогах.
Многослойная структура (2) из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, в частном случае обеспечивает наличие промежуточной зоны, формируемой примесями, сверхрешетками, квантовыми точками и другими нанообъектами (как в вышеприведенных аналогах).
Солнечный элемент изготавливают на основе прямозонного, например GaAs, или непрямозонного, например Si, полупроводника.
В частном случае выполнения солнечного элемента на основе GaAs базовый поглощающий слой (1) полупроводника заданного типа проводимости сформирован из GaAs n-типа проводимости толщиной 0,5÷3 мкм.
Многослойная структура (2) из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, может быть выполнена также, как в приведенном ближайшем аналоге.
В многослойной структуре (2) слои базового материала изготовлены молекулярно-лучевой эпитаксией из нелегированного GaAs в количестве от 30 до 100, толщиной порядка 20 нм, а нанообъекты, представляющие собой квантовые точки, - из InGaAs и вертикально упорядочены.
+
18
20
-3
Слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, расположен на многослойной структуре (2), выполнен из GaAs толщиной 0,3÷0,5 мкм и представляет собой слой (6) р-типа проводимости базового полупроводника (см. Фиг.1) с концентрацией носителей заряда порядка 10÷10 см.
+
18
20
-3
В диодной структуре дополнительно сформирован слой полупроводника с противоположным типом проводимости, относительно типа проводимости, отличного от заданного, расположенный между контактным слоем (3) и базовым поглощающим слоем (1). Дополнительным слоем в p-i-n структуре является слой (5) n-типа проводимости базового полупроводника из GaAs, расположенный между контактным слоем (3) и базовым поглощающим слоем (1) из GaAs n-типа проводимости (см. Фиг.1). Он выполнен толщиной 0,3÷0,5 мкм с концентрацией носителей заряда порядка 10÷10 см.
В другом частном случае выполнения солнечного элемента на основе Si базовый поглощающий слой (1) полупроводника заданного типа проводимости сформирован с собственным типом проводимости из Si, i-тип проводимости, толщиной 100÷300 мкм. Используемый кремний получен методом беззонной плавки (БЗП).
Многослойная структура (2) из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов, может быть выполнена также, как в приведенном первом аналоге.
Слои базового материала сформированы из нелегированного Si молекулярно-лучевой эпитаксией в количестве от 30 до 100, толщиной от 10 до 100 нм. Нанообъекты, представляющие собой квантовые точки, выполнены из Ge и вертикально упорядочены.
+
18
20
-3
Слой полупроводника с типом проводимости, отличным от заданного, расположен на многослойной структуре (2), выполнен из Si и представляет собой слой (6) р-типа проводимости базового полупроводника (см. Фиг.1). Толщина слоя (6) составляет порядка 0, 5 мкм, концентрация носителей заряда - 10÷10 см.
+
18
20
-3
В p-i-n структуре дополнительно выполнен слой полупроводника с противоположным типом проводимости относительно типа проводимости, отличного от заданного, расположенный между контактным слоем (3) и базовым поглощающим слоем (1). Дополнительным слоем в p-i-n структуре является слой (5) n-типа проводимости базового полупроводника из Si, расположенный между контактным слоем (3) и базовым поглощающим слоем (1) из Si i-типа проводимости (см. Фиг.1). Его толщина составляет порядка 0,5 мкм, а концентрация носителей заряда - 10÷10 см.
e
В любом представленном случае выполнения солнечного элемента базовый поглощающий слой (1) полупроводника заданного типа проводимости реализован с соблюдением условия превышения величины диффузионной длины носителей заряда относительно его толщины (L>d).
Контактные слои (3) и (4) выполняют с возможностью многократного отражения поглощаемого светового излучения, подаваемого в солнечный элемент под углом к плоскости контактных слоев. Это увеличивает оптический путь фотонов и повышает возможность их поглощения. Контактные слои (3) и (4), между которыми расположена р-i-n структура, сформированы сплошными из Al. Толщина их составляет от 1000 до 2000 Å.
При реализации солнечного элемента в составном варианте (см. Фиг.2) его изготавливают из большого числа солнечных элементов, таких как, например, представленный на Фиг.1, в котором диодная структура с обеих сторон покрыта сплошными контактными слоями. Формируют пакет, например, от 50 до 100 пластин солнечных элементов, содержащих многослойную структуру с нанообъектами, осуществляя их склеивание. После чего проводят операцию их резки в направлении нормали относительно р-n переходов. В финале изготовления полируют лицевую сторону (торец) солнечного элемента и наносят просветляющее покрытие.
+
+
Активную функцию в преобразовании света в электрическую энергию выполняют базовый поглощающий слой (1) и многослойная структура (2) из слоев нанообъектов из материала с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у базового материала, и слоев базового материала (спейсеров), разделяющих слои нанообъектов. За счет слоя (5) n-типа проводимости базового полупроводника и слоя (6) р-типа проводимости базового полупроводника формируется тянущее поле. Контактные слои (3) и (4) выполняют две функции - многократного отражения света и электрического контакта к внешней цепи.
Солнечный элемент по первому варианту используют следующим образом.
+
+
+
+
Преобразуемый в электрическую энергию свет вводят в солнечный элемент с торца, под углом к плоскости контактных слоев (3) и (4) (см. Фиг.1). Излучение частично поглощается в базовом поглощающем слое (1) и в зоне многослойной структуры (2) квантовыми точками, практически не поглощается слоем (5) n-типа проводимости базового полупроводника и слоем (6) р-типа проводимости базового полупроводника. Далее введенный под углом свет между контактными слоями (3) и (4) многократно зеркально отражается от последних. За счет многократного зеркального отражения контактными слоями (3) и (4) слабопоглощаемые фотоны проходят значительно более длинный путь, что и обеспечивает их дополнительное поглощение относительно случая нормального падения света, преобразуемого в электрическую энергию, как в вышеприведенных аналогах. Поглощаемые в базовом поглощающем слое (1) и в многослойной структуре (2) фотоны генерируют носители заряда, электроны и дырки. Носители заряда за счет встроенного тянущего электрического поля и/или диффузии подтягиваются к слою (5) n-типа проводимости базового полупроводника и слою (6) р-типа проводимости базового полупроводника. Посредством контактных слоев (3) и (4) носители заряда достигают внешней цепи, создавая в ней электрический ток, напряжение, и, таким образом, генерируя ЭДС.
Аналогичным образом используют солнечный элемент в составном варианте его выполнения.