ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С ПЕРЕМЕННОЙ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНОЙ
PHOTOVOLTAIC CELL WITH VARIABLE BAND GAP

Настоящее изобретение в основном относится к области фотовольтаических элементов и, в частности, к фотовольтаическим элементам для преобразования солнечного излучения (солнечным элементам).
Солнечные элементы представляют собой электронные приборы, способные преобразовывать электромагнитную энергию, такую как солнечное излучение, в электричество.
Такие электронные приборы, в основном, состоят из полупроводниковых материалов, которые характеризуются кристаллической структурой твердого тела, имеющей запрещенные энергетические зоны ("запрещенные зоны"), расположенные между валентными зонами и зонами проводимости. Запрещенная зона определяет энергетический интервал, который обычно запрещен для свободных электронов. Однако когда в солнечном элементе на материал такого типа падает солнечное излучение, электроны, которые занимают нижние энергетические зоны, могут быть возбуждены до такой степени, что совершают энергетический скачок и выходят за границы запрещенной зоны для достижения более высоких энергетических зон. Например, когда находящиеся в валентной зоне полупроводника электроны поглощают достаточное количество энергии от фотонов падающего солнечного излучения, такие электроны могут выйти за границы запрещенной зоны и достичь зоны проводимости.
Достигая зоны более высоких энергий, такие электроны оставляют в нижних энергетических зонах незаполненные места; такие пустые места, определяемые на профессиональном языке термином "дырки", могут перемещаться в кристаллической решетке от атома к атому. Эти дырки, таким образом, действуют как носители заряда точно так же, как и свободные электроны в зоне проводимости, и вносят свой вклад в проводимость кристалла.
Другими словами, каждый поглощенный полупроводником фотон порождает соответствующую пару электрон-дырка. Набор электронно-дырочных пар, образовавшихся при поглощении фотонов, порождает так называемый фототок солнечного элемента. Образовавшиеся таким образом дырки и электроны могут рекомбинировать друг с другом, вычитая свой вклад в поддержание фототока. Чтобы избежать этого явления (или по меньшей мере ослабить его, насколько это возможно) для повышения эффективности солнечного элемента, в полупроводниковом материале создают локальное электрическое поле. Таким образом, дырки и электроны, созданные после поглощения фотонов, в результате будут ускоряться этим локальным электрическим полем в противоположных направлениях, так что вероятность того, что они рекомбинируют до достижения выводов солнечного элемента, резко снижается. В частности, такое электрическое поле возникает посредством создания области пространственного заряда, такой как обедненная область, получаемая посредством создания p-n перехода между парой противоположно легированных полупроводниковых материалов.
Солнечные элементы могут быть с одним переходом p-n или n-p типа, или однопереходными солнечными элементами, или могут быть с более чем одним переходом типа p-n или n-p, или многопереходными солнечными элементами.
Однопереходные солнечные элементы по существу образуются в результате присутствия одного p-n или n-p перехода. Наоборот, многопереходные солнечные элементы реализуются путем укладки стопкой друг на друга различных p-n или n-p переходов, в настоящее время – от двух до пяти переходов. Разные переходы выполнены из разных полупроводниковых материалов и электрически последовательно соединены друг с другом с помощью туннельных диодов, расположенных между каждой парой смежных переходов.
Каждый из различных наложенных один на другой переходов образует так называемый элементарный элемент, и различные элементарные элементы способны по отдельности преобразовывать различные участки спектра падающего солнечного излучения более эффективным образом по сравнению с тем, что достижимо с одним переходом.
Многопереходные элементы имеют преимущество в том, что они способны обеспечить более высокое выходное напряжение по сравнению с однопереходными элементами, причем общее напряжение равно сумме напряжений отдельных элементарных элементов (минус небольшое падение напряжения в туннельных диодах, последовательно соединяющих эти элементы).
В последние годы характеристики солнечных элементов на основе полупроводниковых материалов, основанных на химических соединениях элементов III и V групп Периодической таблицы элементов, в дальнейшем здесь называемых просто "III-V материалами", и, в частности, солнечные элементы на GaAs, постоянно совершенствовались благодаря техническому прогрессу, что позволяет разрабатывать новые материалы для производства трех-, четырех- и даже пятипереходных элементов.
Стоимость многопереходного солнечного элемента несколько выше, чем стоимость однопереходного солнечного элемента, а его эффективность значительно выше (при условии освещения вне земной атмосферы при 25°С эффективность составляет приблизительно 30% для трехпереходного элемента по сравнению с 20% для однопереходного элемента); по этой причине, особенно для аэрокосмических применений, рынок ориентирован на использование этих новых, более эффективных приборов. Например, современные большие телекоммуникационные спутники требуют использования трехпереходных солнечных элементов. С другой стороны, эти элементы имеют применение и в "наземных" приложениях, таких как оптические концентрирующие системы.
В целях изготовления слои различных материалов, предназначенные для образования переходов солнечного элемента, обычно получают с помощью эпитаксиальной технологии посредством осаждения (например, посредством химического осаждения из паров металлорганических соединений - MOCVD) на коммерческие подложки. В целях изготовления солнечных элементов из III-V материалов наиболее используемыми материалами в качестве подложки являются германий (Ge) и/или арсенид галлия (GaAs). Другие используемые в качестве подложек материалы содержат, например, кремний (Si).
Изготовление солнечного элемента путем эпитаксиального выращивания одного или более слоев на подложке посредством осаждения требует, чтобы материалы выращиваемых слоев имели постоянную решетки, совместимую с постоянной решетки материала, который образует подложку. В самом деле, если бы слой материала был выращен с решеткой, значительно отличающейся от решетки материала подложки, то во время операции осаждения образовались бы кристаллографические дефекты (на профессиональном языке - "дислокации"), которые значительно ухудшают оптико-электронные и транспортные свойства переходов получившегося солнечного элемента.
Вышеупомянутая совместимость постоянной решетки ограничивает пределы выбора III-V материалов, которые могут быть использованы в современных солнечных элементах, например, в трехпереходных солнечных элементах с германиевой подложкой, препятствуя разработке новых солнечных элементов с более высокими эффективностями, чем у тех, которые разрабатываются в настоящее время. Действительно, необходимость выбирать материалы с постоянной решетки, совместимой с постоянной решетки подложки, затрудняет реализацию новых структур, в которых переходы образованы из материалов, запрещенные зоны которых позволяют осуществлять лучшее преобразование солнечного спектра.
Для того чтобы повысить эффективность солнечных элементов, образованных из материалов III и V групп, известное решение предусматривает использование материалов, имеющих постоянные решетки, которые не совместимы с постоянной решетки подложки, вводя между каждой парой слоев материалов, имеющих постоянные решетки, которые не совместимы между собой, специально подобранные согласующие структуры, выполненные с возможностью удерживать эти кристаллографические дефекты в себе, предотвращая деградацию характеристик солнечного элемента. Каждая согласующая структура выполнена между первым переходом, имеющим первую постоянную решетки, и вторым переходом, имеющим вторую постоянную решетки (отличную от первой) в области элемента, которая не является активной с фотоэлектрической точки зрения, как правило, между первым переходом и туннельным диодом, который соединяет второй переход. Согласующая структура, как правило, реализуется через последовательность слоев из одного и того же материала (например, InGaAs, InGaP, AlInGaP). Каждый слой имеет соответствующую постоянную решетки (которая остается постоянной по всему слою), при этом первый слой последовательности (в контакте с первым переходом) имеет постоянную решетки, равную постоянной решетки материала, который образует первый переход, при этом последующие промежуточные слои имеют постоянные решетки, которые постепенно приближаются к постоянной решетки материала, который образует второй переход, а последний слой (в контакте с туннельным диодом) имеет постоянную решетки, равную постоянной решетки материала, который образует второй переход. Постоянные решеток различных слоев устанавливаются посредством регулирования в каждом слое концентрации двух из тех элементов, которые образуют химическое соединение материала этого слоя. Однако до сих пор все еще нет никаких свидетельств того, что эти структуры также способны предотвращать распространение кристаллографических дефектов в другие области солнечного элемента в течение его срока службы. Например, изменения температуры, которым подвергается солнечный элемент в течение его срока службы, создают в составляющих его материалах механические напряжения, которые позволяют распространение кристаллографических дефектов, изначально заключенных в согласующих структурах, по всей конструкции этого солнечного элемента.
Известно также изготовление солнечных элементов, содержащих по меньшей мере переход, включающий в себя слой материала на основе соединения индия (In), галлия (Ga) и фосфора (Р) (или InGaP) или In, Ga и мышьяка (As) (или InGaAs) с равномерной концентрацией индия по всей глубине слоя. Известно, что при увеличении упомянутой равномерной концентрации In в материале по меньшей мере одного из двух слоев, образующих переход, соответствующая ширина запрещенной зоны уменьшается. Учитывая, что по мере того, как ширина запрещенной зоны уменьшается, соответственно увеличивается участок солнечного спектра, который может быть преобразован, таким методом можно увеличить выдаваемый солнечным элементом ток. Тем не менее использование этого метода не свободно от недостатков. Во-первых, известно, что при уменьшении ширины запрещенной зоны соответственно уменьшается напряжение, которое создается на выводах перехода. Кроме того, при слишком большом увеличении концентрации In постоянная решетки материала изменяется, соответственно порождая кристаллографические дефекты, способные вызывать ухудшение оптико-электронных и транспортных свойств солнечного элемента. Наличие таких кристаллографических дефектов возрастает по мере того, как увеличивается толщина слоя материала с высокой концентрацией In.
В свете вышесказанного заявитель обнаружил, что известные в настоящее время в области техники решения, касающиеся реализации фотовольтаических элементов и, в частности, реализации солнечных элементов, могут быть улучшены с точки зрения эффективности.
Различные аспекты такого решения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения указаны в независимых пунктах формулы изобретения.
Один аспект настоящего изобретения касается монолитного фотовольтаического элемента. Упомянутый монолитный фотовольтаический элемент содержит по меньшей мере один переход. Каждый один из упомянутого по меньшей мере одного перехода содержит базу, образованную легированным полупроводниковым материалом первого типа проводимости, и эмиттер, образованный легированным полупроводниковым материалом второго типа проводимости, противоположного первому. Упомянутый эмиттер расположен стопкой на базе в соответствии с первым направлением. Полупроводниковый материал базы и/или эмиттера по меньшей мере одного из упомянутого по меньшей мере одного перехода является полупроводниковым материалом, образованным химическим соединением по меньшей мере одного первого элемента и второго элемента. Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки упомянутого полупроводникового материала базы и/или эмиттера зависят от концентрации упомянутого первого элемента в упомянутом химическом соединении по отношению к упомянутому второму элементу. Упомянутая концентрация первого элемента в упомянутом химическом соединении по отношению ко второму элементу не является равномерной вдоль упомянутого первого направления, будучи равной первой величине в нижней части упомянутых базы и/или эмиттера и будучи равной второй величине, меньшей, чем первая величина, в верхней части упомянутых базы и/или эмиттера. Упомянутая верхняя часть находится над упомянутой нижней частью в соответствии с первым направлением.
Дополнительный аспект настоящего изобретения относится к соответствующему способу изготовления фотовольтаического элемента.
Преимущественные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Решение в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, а также дополнительные признаки и их преимущества будут более понятны при обращении к нижеследующему подробному описанию, приведенному только в виде необязывающих рекомендаций и без каких-либо ограничений, с которыми следует знакомиться вместе с приложенными чертежами. В этом отношении специально оговаривается, что эти чертежи не обязательно выполнены в масштабе и что, пока не оговорено иное, они предназначены только для того, чтобы проиллюстрировать концепцию описанных конструкций и процедур. В частности:
фиг. 1 схематично показывает вид в вертикальном разрезе монолитного фотовольтаического элемента;
фиг. 2 показывает диаграмму концентрации In в химическом соединении, которое образует базу элемента с фиг. 1, а также диаграмму соответствующих зоны проводимости и валентной зоны, которые развиваются в этой базе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; а
фиг. 3 представляет собой график, который показывает, как изменяется внешний квантовый выход элемента с фиг. 1 от профиля равномерной концентрации In к профилю убывающей концентрации In.
Обратимся к чертежам и, в частности, к фиг. 1, где схематично показан монолитный фотовольтаический элемент в вертикальном разрезе, в частности, но без ограничения, в виде солнечного элемента, к которому могут быть применены концепции в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фотовольтаический элемент, определенный в целом позицией 100, представляет собой многопереходный элемент с тремя переходами и включает в себя первый элементарный элемент, обозначенный на рисунке позицией 105а и называемый "нижним элементом", второй элементарный элемент, обозначенный на чертеже позицией 105b и называемый "промежуточным элементом", и третий элементарный элемент, обозначенный позицией 105с и называемый "верхним элементом". Этот верхний элемент 105с расположен над промежуточным элементом 105b, который, в свою очередь, расположен над нижним элементом 105а.
Эти три элементарных элемента электрически соединены последовательно с помощью размещенных между ними туннельных диодов; в частности, нижний элемент 105а электрически соединен с промежуточным элементом 105b с помощью первого туннельного диода, обозначенного на чертеже позицией 108, в то время как промежуточный элемент 105b электрически соединен с верхним элементом 105с посредством второго туннельного диода, обозначенного на чертеже позицией 110.
Нижний элемент 105а содержит первый слой 112 полупроводникового материала (называемый "базой") первого типа проводимости, например р-типа, и второй слой 114 полупроводникового материала (называемый "эмиттером") противоположного типа проводимости, например n-типа. База 112 и эмиттер 114 расположены в непосредственном контакте друг с другом для того, чтобы образовался p-n переход. Над эмиттером 114 предпочтительно сформирован дополнительный полупроводниковый слой 116, называемый «слоем окна», наличие которого позволяет уменьшить эффект поверхностной рекомбинации носителей заряда, фотогенерированных в слое 114, тем самым увеличивая эффективность преобразования фотовольтаического элемента 100.
Над слоем окна 116 сформирован туннельный диод 108.
Между туннельным диодом 108 и промежуточным элементом 105b предпочтительно размещен барьерный слой 118, наличие которого позволяет создать электрическое поле, которое отталкивает носители заряда, фотогенерированные в слое 120, к области пространственного заряда элемента, а также уменьшить эффект поверхностной рекомбинации носителей заряда, фотогенерированных в слое 120, тем самым увеличивая эффективность преобразования фотовольтаического элемента 100.
Сформированный над барьерным слоем 118 промежуточный элемент 105b содержит первый слой 120 полупроводникового материала (база) первого типа проводимости, например р-типа, второй слой 122 полупроводникового материала, называемый "разделительным слоем", предпочтительно образованный над базой 120, который состоит из преднамеренно не легированного полупроводникового материала. Промежуточный элемент 105b дополнительно содержит третий слой 124 полупроводникового материала (эмиттер), расположенный над разделительным слоем 122. Эмиттер 124 состоит из полупроводникового материала с типом проводимости, противоположным типу проводимости базы 120, например n-типа. Аналогично нижнему элементу 105а, над эмиттером 124 промежуточного элемента 105b предпочтительно сформирован слой 126 окна.
Над слоем 126 окна сформирован туннельный диод 110. Между туннельным диодом 110 и верхним элементом 105с предпочтительно размещен дополнительный барьерный слой 128.
Верхний элемент 105с, образованный над барьерным слоем 128, включает в себя первый слой 130 полупроводникового материала (база) с первым типом проводимости, например р-типа, над базой 130 предпочтительно образован разделительный слой 132 преднамеренно не легированного полупроводникового материала. Над разделительным слоем 132 сформирован третий слой 134 полупроводникового материала (эмиттер) с типом проводимости, противоположным типу проводимости базы 130, например, n-типа. Выше эмиттера 134 предпочтительно сформирован слой 136 окна.
На задней стороне фотовольтаического элемента 100 и, в частности, в совмещении с поверхностью базы 112, противоположной поверхности, обращенной к эмиттеру 114, образован первый слой проводящего материала 138, например, из металла, такого как золото (Au) или серебро (Ag), который представляет собой первый контактный вывод фотовольтаического элемента 100.
Над слоем 136 окна, соответствующим верхнему элементу 105с, в виде отдельного конструктивного элемента сформирована "крышка" 145 из полупроводникового материала с заданным типом проводимости, например, n-типа; на "крышке" 145 сформирован контакт из электропроводящего материала 150, например, из металла, такого как Au или Ag, который составляет второй контактный вывод фотовольтаического элемента 100.
Над слоем 136 окна сформирован покрывающий слой 140 из неотражающего материала, состоящий, например, из одного или более слоев оксидов. В этом неотражающем покрывающем слое 140 оставлен подходящий проход к металлу 150, чтобы сделать возможным внешнее подсоединение фотовольтаического элемента 100.
Рассмотрим более подробно элементарные элементы, которые составляют фотовольтаический элемент 100 в целом: нижний элемент 105а имеет базу 112, которая образована из легированного германия (Ge) первого типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа. Эмиттер 114 нижнего элемента 105а сформирован из того же самого материала базы 112, например, Ge, но легированного противоположным образом, в рассмотренном примере – n-типа.
Слой 116 окна может быть образован слоем III-V материала, такого как четырехкомпонентное или трехкомпонентное химическое соединение, например, соединение индия (In), галлия (Ga) и фосфора (P), т.е. InGaP, соединение In, Ga и мышьяка (As), т.е. InGaAs, соединение алюминия (Al), Ga и As, т.е. AlGaAs.
Туннельный диод 108 реализован известным образом, например посредством первого слоя, образованного из легированного III-V материала второго типа проводимости, в рассмотренном примере – n-типа, и второго слоя материала, образованного из легированного III-V материала противоположного типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа.
Барьерный слой 118 образован из полупроводникового материала, такого как III-V материал, такой как легированные AlGaAs, AlGaInP или InGaP первого типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа.
Промежуточный элемент 105b имеет базу 120, выполненную из легированного III-V материала, такого как четырехкомпонентное или трехкомпонентное химическое соединение, например, InGaAs первого типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа. Эмиттер 124 промежуточного элемента 105b образован из других III-V материалов, например, из такого же материала, что и материал базы 120, например, InGaAs, легированного противоположным образом, в рассмотренном примере – n-типа. Разделительный слой 122 образован полупроводниковым материалом, например, тем же материалом, что и материал базы 120, однако, материал разделительного слоя 122 обладает собственной проводимостью, т.е. без заметного количества легирующих примесей.
Слой 126 окна может быть образован слоем III-V материала, такого как AlGaAs, AlInGaP, AlInP или InGaP.
Туннельный диод 110 может быть реализован первым слоем, образованным из легированного III-V материала второго типа проводимости, в рассмотренном примере – n-типа, и вторым слоем, образованным из легированного III-V материала противоположного типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа.
Подобным образом, что и барьерный слой 118, барьерный слой 128 сформирован из полупроводникового материала, такого как легированный III-V материал, например AlGaInP или AlInP первого типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа.
Верхний элемент 105с имеет базу 130, выполненную из III-V материала, такого как четырехкомпонентное или трехкомпонентное химическое соединение, например, легированный InGaP первого типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа. Эмиттер 134 верхнего элемента 105с образован из другого III-V материала, например, из того же материала, что и база 130, такого как InGaP, но легированного противоположно, в рассмотренном примере – n-типа. Разделительный слой 132 реализован посредством III-V материала, например, тем же материалом, что и база 130, однако материал разделительного слоя 132 является обладает собственной проводимостью, т.е. без заметного количества легирующих примесей.
Аналогичным образом, что и слой 126 окна, слой 136 окна может быть образован слоем III-V материала, такого как AlInP.
С точки зрения производственного процесса фотовольтаический элемент 100 изготовлен из подложки из полупроводникового материала, которая образует базу 112 нижнего элемента 105а, в рассмотренном примере – Ge подходящего типа проводимости, в рассмотренном примере – р-типа, и с достаточной концентрацией легирующих примесей. В частности, посредством процессов осаждения и/или диффузии, начиная с такой подложки, которая действует в качестве базы 112, образован эмиттер 114 нижнего элемента 105а. Все последующие слои фотовольтаического элемента 100 вплоть до окна 136 получены с помощью подходящих методов эпитаксиального выращивания, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия, «МЛЭ», или посредством химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений, «МОСVD», при использовании эмиттера 114 и базы 112 нижнего элемента 105а в качестве массивной подложки.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения концентрация In в соединении InGaAs, которое образует базу 120 промежуточного элемента 105b, не является равномерной, а изменяется по его глубине, т.е. вдоль направления, обозначенного на фиг. 1 позицией х, с первого значения C1 в нижней части базы (например, на границе раздела между базой 120 и расположенным ниже барьером 118) до второго значения С2<С1 в верхней части базы (например, на границе раздела между базой 120 и расположенным выше разделительным слоем 122).
Обратимся к случаю, в котором последующие слои фотовольтаического элемента 100 получены посредством метода MOCVD, изменение профиля концентрации In в базе промежуточного элемента 105b может, например, быть достигнуто путем изменения во время процесса выращивания потока газа-носителя прекурсора In по отношению к потоку газа-носителя прекурсора Ga (или наоборот).
Для того чтобы подробно описать эффекты, вызываемые наличием неоднородной концентрации In в соединении InGaAs, которое образует базу 120, и проиллюстрировать преимущества, получаемые в результате такого решения, обратимся к фиг. 2.
На фиг. 2 показана диаграмма 205 концентрации In в соединении InGaAs в направлении х, которое образует базу 120, и диаграмма 210 соответствующих зоны проводимости и валентной зоны, которые развиваются в базе 120 вдоль направления х в результате концентрации In с диаграммы 205.
Обратимся к диаграмме 205, где непрерывной линией показана концентрация CIn индия в соединении InGaAs базы 120 в соответствии с известным решением, при этом концентрация CIn является равномерной по всей толщине базы 120, т.е. имеет постоянную величину Сс вдоль направления х. Пунктирной линией показана концентрация CIn* индия в соединении InGaAs базы 120 в соответствии с решением согласно варианту осуществления настоящего изобретения, при этом такая концентрация CIn* линейно убывает вдоль направления х от первой величины С1≥Сс на границе раздела между базой 120 и расположенным ниже барьером 118 до второй величины С2<C1 на границе раздела между базой 120 и расположенным выше разделительным слоем 122.
Например, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения С1 может быть такой, что отношение In/Ga в соединении InGaAs составляет 3-10%, в то время как величина С2 может быть такой, что отношение In/Ga в соединении InGaAs составляет 0-2%.
Обратимся к диаграмме 210, на которой непрерывной линией показаны зона проводимости Cb и валентная зона Vb, которые развиваются в базе 120 вдоль направления х в результате показанной на диаграмме 205 равномерной концентрацией CIn в соответствии с известным решением. Пунктирной линией показаны зона проводимости Cb* и валентная зона Vb*, которые развиваются в базе 120 вдоль направления х в результате показанной на диаграмме 205 уменьшающейся (по направлению х) концентрации CIn* в соответствии с решением согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В известном случае равномерной концентрации CIn индия оказывается, что ширина запрещенной зоны Eg, равная разности (в терминах электронной энергии) между зоной проводимости Cb и валентной зоны Vb, имеет величину Eg, почти неизменную по всей глубине базы 120, то есть имеет постоянное значение с изменением х.
Благодаря убывающему профилю концентрации CIn* вдоль направления х, зона проводимости Cb* в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения демонстрирует участки, имеющие более низкие значения электронной энергии, чем значения электронной энергии зоны проводимости Cb, соответствующие равномерной концентрации CIn, в то время как валентные зоны Vb и Vb* практически совпадают. Зона проводимости Cb* имеет более низкие значения электронной энергии там, где концентрация In выше. Следовательно, по мере убывания профиля концентрации, такого как профиль CIn*, показанный на фиг. 2, соответствующая зона проводимости Cb* демонстрирует более низкие значения электронной энергии (ниже, чем значения электронной энергии зоны проводимости Cb) в самых глубоких областях базы 120 (т.е. при малых значениях х) и все большие и большие значения по мере приближения к границе раздела с разделительным слоем 122 (т.е. с увеличением х).
Следовательно, в случае снижения концентрации CIn* ширина запрещенной зоны Eg*, равная разнице (в терминах электронной энергии) между зоной проводимости Cb* и валентной зоной Vb*, больше не является постоянной по всей глубине базы 120, а изменяется как функция х. При концентрации CIn* убывающий профиль, который начинается с исходной величины C1≥Cc на границе раздела между базой 120 и барьером 118 и заканчивается конечной величиной С2<C1 на границе раздела между базой 120 и разделительным слоем 122, ширина запрещенной зоны Eg* имеет профиль, который возрастает с увеличением х и который начинается от исходной величины E1<Eg на границе раздела между базой 120 и барьером 118 до тех пор, пока он не достигнет конечной величины Е2>E1 на границе между базой 120 и разделительным слоем 122.
Таким образом, падающие фотоны поглощаются при их прохождении через слой материала, который образует базу 120, при этом фотоны с меньшей энергией, которые остаются перемещающимися от самых поверхностных частей базы 120 и преобразуются в самых глубоких ее частях (где запрещенная зона Eg* имеет меньшие значения).
Снова обращаясь к фиг. 2, общая эффективность солнечного элемента 100 с профилем убывающей концентрации CIn* оказывается большей, чем эффективность солнечного элемента с профилем равномерной концентрация CIn, поскольку в первом случае в более глубоких частях базы 120 запрещенная зона имеет более низкие значения.
По сравнению с простым равномерным увеличением концентрации In по всей глубине базы 120 использование профиля убывающей концентрации CIn* в соответствии с только что описанным вариантом осуществления настоящего изобретения позволяет увеличить эффективность элемента без порождения каких-либо (или по меньшей мере порождения в ограниченной степени) из недостатков, упомянутых во вводном разделе этого документа, по нижеследующим причинам.
Во-первых, сам факт наличия уменьшения запрещенной зоны Eg* неравномерного характера, а строго в соответствии с определенными частями базы 120 (в ее более глубоких частях), позволяет ограничить уменьшение напряжения, которое развивается на выводах перехода. Это напряжение, на самом деле, пропорционально созданному потенциалу перехода, который, в первую очередь, зависит от величины запрещенной зоны в соответствии с областью пространственного заряда перехода (Эта область находится в самой поверхностной части базы, где ширина запрещенной зоны не была уменьшена).
Кроме того, было замечено, что кристаллографические дефекты, вызванные эпитаксиальным ростом материала, имеющего постоянную решетки, которая не является совместимой с постоянной решетки подложки, на которой он выращен, создаются, только если толщина слоя, который является несовместимым с постоянной решетки подлежащего выращиванию материала, превышает критическую толщину ТНс=k/d, где k является константой и представляет собой разницу между постоянными решетки этих двух материалов. Поэтому, чем более незначительной является разница между решетками, тем большей может быть толщина имеющего несовместимую постоянную решетки материала, которая может быть выращена без провоцирования кристаллографических дефектов. В только что описанном решении в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения база 120 имеет не фиксированную постоянную решетки, а изменяющуюся вдоль направления х как функция профиля концентрации индия CIn*. Профиль убывающей концентрации индия CIn* с выгодой модулируется так, что база 120 демонстрирует постоянную решетки, несовместимую с постоянной решетки нижнего элемента 105а, который действует в качестве подложки для эпитаксиального выращивания (то есть Ge) только в глубокой части базы, имеющей меньшую толщину, чем THc, в то время как в остальной части база 120 демонстрирует совместимую постоянную решетки. Таким образом, можно с выгодой повысить эффективность элемента без провоцирования формирования кристаллографических дефектов, которые ухудшают характеристики солнечного элемента.
В варианте осуществления изобретения, который был описан подробно на фиг. 2, профиль концентрации индия CIn* в базе 120 строго убывает. Однако идеи настоящего изобретения могут также применяться к другим типам профилей неравномерной концентрации индия по отношению к x, при условии, что величина С1 в более низкой части базы (например, между базой 120 и расположенным ниже барьером 118) больше, чем величина C2 в верхней части базы (например, на границе раздела между базой 120 и расположенным выше разделительным слоем 122).
Например, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения концентрация In в соединении InGaAs базы 120 относительно х может быть обобщенной невозрастающей функцией, кусочно-линейной убывающей функцией, убывающей полиномиальной функцией, обратно пропорциональной функцией или же функцией, содержащей по меньшей мере возрастающий участок.
В решениях в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения ширина запрещенной зоны Eg* демонстрирует профиль, который не является равномерным относительно х, который начинается от начального значения E1 на границе раздела между базой 120 и барьером 118, пока не достигнет конечного значения Е2>Е1 на границе раздела между базой 120 и разделительным слоем 122. Такой профиль запрещенной зоны Eg* вызывает генерацию электрического поля, направленного так, чтобы препятствовать диффузии носителей к переходу.
Для того чтобы дополнительно повысить эффективность солнечного элемента, электрическое поле может быть скомпенсировано противоположно направленным электрическим полем, созданным путем модуляции концентрации легирующей примеси р-типа в базе 120 так, чтобы она имела убывающий профиль вдоль направления х. Таким образом, благодаря наличию второго электрического поля, носители отталкиваются к переходу, что позволяет в полной мере использовать преимущества, полученные посредством уменьшения ширины запрещенной зоны Eg*, без изменения эффективной длины диффузии. Это решение описано в патентной заявке WO 2011/009857, принадлежащей заявителю, и во всей своей полноте включено сюда по ссылке.
Фиг. 3 представляет собой график, показывающий пример того, как внешний квантовый выход (ВКВ) солнечного элемента с тремя переходами может изменяться, переходя от равномерного профиля концентрации индия CIn (сплошная линия) к профилю убывающей концентрации индия CIn* (пунктирная линия). Как можно видеть из фигуры, благодаря профилю убывающей концентрации индия CIn* происходит сдвиг порога поглощения в сторону длин волн с более низкими энергиями.
Хотя в настоящем описании делались явные ссылки на конкретный солнечный элемент, т.е. показанный на фиг. 1 солнечный элемент 100, имеющий три перехода и содержащий нижний элемент 105а, выполненный из Ge, промежуточный элемент 105b, выполненный из InGaAs, и верхний элемент 105с, выполненный из InGaP, с базой 120 промежуточного элемента 105b, имеющей неравномерный профиль концентрации индия CIn*, идеи настоящего изобретения также могут быть применены к солнечным элементам различной структуры, включая по меньшей мере один переход, содержащий по меньшей мере один слой из полупроводникового материала на основе химического соединения, содержащего In. Например, иллюстративный, но не исчерпывающий, перечень солнечных элементов, в которых могут быть применены принципы настоящего изобретения, может включать в себя:
- однопереходные солнечные элементы с (не активной) подложкой из Ge и с переходом, выполненным из InGaAs. В этом случае к базе единственного перехода элемента может быть с выгодой применен профиль неравномерной концентрации In;
- солнечные элементы, имеющие два перехода с (не активной) подложкой из Ge, с первым нижним переходом из InGaAs и с верхним переходом из InGaP. В этом случае профиль неравномерной концентрации In может быть с выгодой применен к базе нижнего перехода;
- солнечные элементы, имеющие четыре перехода, снабженные (начиная снизу) первым переходом из Ge, вторым переходом из InGaAs, третьим переходом из Al(In)GaAs и четвертым переходом из AlInGaP. В этом случае профиль неравномерной концентрации In может быть с выгодой применен к базе второго перехода и/или к базе третьего перехода, и/или к базе четвертого перехода.
Кроме того, принципы настоящего изобретения могут быть применены не только к солнечным элементам, содержащим полупроводниковые материалы на основе In-содержащих соединений, но и вообще ко всем полупроводниковым материалам на основе химических соединений (т.е. образованным из соединения более чем одного элемента), в которых ширина запрещенной зоны и постоянная решетки зависят от концентрации по меньшей мере одного элемента химического соединения по отношению к по меньшей мере одному другому элементу такого соединения. В этих случаях ширина запрещенной зоны выполнена изменяющейся в соответствии с профилем неравномерной концентрации этого по меньшей мере одного элемента по глубине того слоя, в состав которого входит такой элемент.
Например, принципы настоящего изобретения могут быть применены к полупроводниковым материалам, образованным из химических соединений трех или более различных элементов, принадлежащих к по меньшей мере двум различных группам (например, группам III и V), например, AlGaAs, GaAsSb, GaInAsSb, GaInAsP, GaInSb, или также к полупроводниковым материалам, образованным из химических соединений двух различных элементов, если они принадлежат к одной и той же группе (например, к группе IV), например SiGe.
Кроме того, хотя в настоящем описании ссылки явно делались только на солнечный элемент с переменной шириной запрещенной зоны, полученной с помощью профиля неравномерной концентрации элемента по глубине по меньшей мере одной базы перехода такого элемента, идеи настоящего изобретения могут быть также применимы к случаю, когда эмиттер по меньшей мере одного перехода имеет элемент химического соединения, который образует его с профилем концентрации, который не является равномерным. В этом случае концентрация элемента (например, In) выполнена изменяющейся вдоль его глубины (т.е. вдоль направления х на фиг. 1) от первой величины C´ в нижней части эмиттера (например, на границе раздела между эмиттером и возможным расположенным под ним разделительным слоем) до второй величины C"<C´ в верхней части эмиттера (например, на границе раздела между эмиттером и расположенным поверх него слоем окна). При профиле концентрации этого типа валентная зона имеет участки с более высокими значениями электронной энергии, чем у валентной зоны, соответствующей равномерной концентрации. Валентная зона демонстрирует более высокие значения электронной энергии в самых глубоких областях эмиттера, т.е. для малых значений х, и более низкие значения для более высоких значений х. Следовательно, запрещенная зона имеет вдоль x неравномерный профиль с начальным значением Е´ на границе раздела между эмиттером и расположенным ниже разделительным слоем и с конечным значением Е">Е´ на границе раздела между эмиттером и расположенным выше слоем окна. Предпочтительно, начальное значение Е´ запрещенной зоны установлено равным или большим, чем максимальное значение ширины запрещенной зоны в базе.
Аналогичные соображения могут применяться в случае смешанных растворов с профилями неравномерной концентрации как по глубине базы, так и по глубине эмиттера.
Естественно, для того, чтобы удовлетворить локальным и специальным требованиям, специалист в данной области техники может внести в вышеописанное решение множество модификаций и изменений. В частности, хотя настоящее изобретение было описано с определенной степенью подробностей по отношению к предпочтительным вариантам его осуществления, следует понимать, что возможны различные исключения, замены и изменения в форме и в деталях, также как возможны и другие варианты осуществления; кроме того, определенно предполагается, что конкретные элементы и/или этапы способа, описанные в связи с любым раскрытым вариантом осуществления изобретения, могут быть включены в любой другой вариант осуществления в качестве общего предмета выбора при конструировании.