СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТУННЕЛЬНОГО ПЕРЕХОДА В СТРУКТУРЕ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF IMPROVING QUALITY OF TUNNEL JUNCTION IN SOLAR CELL STRUCTURE

Предшествующий уровень техники
Варианты осуществления настоящего изобретения в целом относятся к структурам солнечных элементов с множеством переходов, а более конкретно к способу повышения качества туннельных переходов в структурах солнечных элементов с множеством переходов.
Солнечные фотоэлектрические устройства - это устройства, способные преобразовывать энергию солнечных лучей в полезную электрическую энергию. Солнечная энергия, получаемая с помощью фотоэлектрических устройств, является основным источником энергии для многих космических аппаратов. Солнечные фотоэлектрические устройства также становятся привлекательной альтернативой для выработки электроэнергии для бытового, коммерческого и промышленного использования, поскольку солнечная энергия является экологически чистой и возобновляемой.
В структурах солнечных элементов с множеством переходов, предназначенных для применения в фотоэлектрическом концентраторе, туннельные переходы между отдельными солнечными элементами могут играть важную роль в определении эффективности структуры солнечных элементов. Один из способов повышения эффективности солнечных элементов может заключаться в повышении качества материала туннельного перехода и, следовательно, качества слоев, выращенных на туннельном переходе, и одновременно увеличить туннельный ток от туннельных переходов. Кроме того, туннельный переход должен быть достаточно прозрачным, чтобы через него мог проходить свет к расположенным ниже солнечным элементам.
Таким образом, было бы желательным обеспечить систему и способ, преодолевающие вышеуказанные проблемы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ формирования туннельного перехода в структуре солнечных элементов предусматривает осаждение вещества Группы III и осаждения вещества Группы V после указанного осаждения вещества Группы III.
Способ формирования туннельного перехода в структуре солнечных элементов предусматривающий попеременное осаждение вещества Группы III и вещества Группы V на структуре солнечных элементов.
Фотоэлектрическое устройство имеет подложку. Первый солнечный элемент расположен над подложкой. Контакт располагается над первым солнечным элементом. Туннельный переход образован между первым солнечным элементом и контактом. Туннельный переход получают путем эпитаксии со стимулированной миграцией (MEE-migration enhanced epitaxial).
Признаки, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо один от другого в различных вариантах осуществления данного изобретения или могут быть объединены в других вариантах осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления настоящего изобретения будут более понятны из подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
Фиг. 1 - упрощенная блок-схема структуры солнечного элемента, в которой для формирования туннельного перехода может использоваться способ эпитаксии со стимулированной миграцией;
Фиг. 2 - временной график последовательности потоков при эпитаксии со стимулированной миграцией в ходе формирования туннельного перехода;
Фиг. 3 - блок-схема последовательности потоков при эпитаксии со стимулированной миграцией в ходе формирования туннельного перехода;
Фиг. 4 - световая вольт-амперная (LIV) характеристика GaInP туннельного перехода, выращенного способом эпитаксии со стимулированной миграцией при высокой температуре (НТ), и выращенного способом обычной эпитаксии при той же температуре GaInP туннельного перехода (TuJn) в тестовой структуре.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Рассмотрим Фиг. 1, на которой изображена структура 100 из множества солнечных элементов (далее - структура 100 солнечных элементов). Структура 100 солнечных элементов может иметь подложку 102. Подложка 102 может быть выполнена из различных материалов. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения могут использоваться арсенид галлия (GaAs), германий (Ge) или другие подходящие вещества. Приведенный выше список веществ не должен рассматриваться как окончательный. При использовании подложки из германия (Ge) на подложку 102 может быть нанесен слой 104 зарождения (слой нуклеации). На подложке 102 или над слоем 104 зарождения может быть выполнен буферный слой 106. Солнечный элемент 108, например Солнечный Элемент 1, может быть сформирован на буферном слое 106. Солнечный элемент 108 может быть выполнен из слоя эмиттера n+ и слоя базы p-типа. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения галлий (Ga), индий (In), фосфор (P) могут использоваться для изготовления солнечного элемента 108. Однако упомянутое не следует рассматривать в ограничивающем смысле.
Туннельный переход 112 может быть образован между солнечным элементом 108 и другим солнечным элементом 114, например Солнечным Элементом 2. Туннельный переход 112 может использоваться для соединения солнечного элемента 114 с солнечным элементом 108. Солнечный элемент 114 может быть аналогичен солнечному элементу 108. Солнечный элемент 114 может быть выполнен из слоя эмиттера n+ и слоя базы p-типа. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения галлий (Ga), индий (In), фосфор (P) могут использоваться для изготовления солнечного элемента 114. Однако упомянутое не следует рассматривать в ограничивающем смысле. Верхний слой 116 может быть сформирован на солнечном элементе 114. Верхний слой 116 служит контактом для структуры 100 солнечных элементов. Хотя на Фиг. 1 изображены только солнечные элементы 108 и 114, однако могут использоваться дополнительные солнечные элементы и туннельные переходы.
Качество туннельного перехода 112 может иметь решающее значение для поддержания высокой кристаллической чистоты солнечного элемента 114 над туннельным переходом 112. При обеспечении высокого качества туннельного перехода 112 можно получить больший ток туннельного перехода. Это может повысить эффективность структуры 100 солнечных элементов.
В настоящее время в существующих высокоэффективных солнечных элементах с множеством переходов для достижения высокой концентрации легирующей примеси, особенно при использовании материалов с широкой запрещенной зоной, таких как GaInP, могут применяться пониженные температуры. Рассмотрим теперь Фиг. 2 и 3, иллюстрирующие способ, который может повысить качество туннельного перехода 112. Способ может использовать метод эпитаксии со стимулированной миграцией (МЕЕ) для формирования туннельного перехода 112.
МЕЕ является методом осаждения монокристаллов. В способе МЕЕ могут альтернативно использоваться атомы группы III и группы V, таким образом атомы группы III имеют большую длину диффузии на поверхности перед реакцией с атомами группы V, благодаря чему достигается более высокое качество кристаллов. При формировании туннельного перехода 112 могут использоваться различные сочетания элементов Группы III и Группы V, перечисленные в периодической таблице. Различные сочетания могут быть выбраны на основе постоянной решетки и требований к запрещенной зоне. Элементы Группы III могут включать, без ограничения перечисленным: бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Tl). Элементы Группы V могут включать (без ограничения перечисленным): азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьму (Sb) и висмут (Bi).
Миграция поверхностных атомов вдоль поверхности может играть важную роль для выращивания высококачественных слоев и атомарно-плоских гетеропереходов. В МЕЕ используется модуляция Группы III и Группы V во время эпитаксии, которая может улучшить миграцию атомов Группы III на поверхности подложки и, следовательно, повысить качество. Как показано на Фиг. 2 и 3, происходит попеременное нанесение веществ Группы III и Группы V. Таким образом, вещество Группы III может вначале наноситься на слой TuJn 112. Это может позволить веществу Группы III диффундировать в течение более длительного времени, что может обеспечить более высокое качество кристалла. После нанесения вещества Группы III может наноситься вещество Группы V. Попеременное (альтернативное) нанесение веществ Группы III и Группы V продолжается до завершения формирования туннельного перехода 112. При нанесении веществ Группы III и Группы V могут применяться различные временные интервалы, в зависимости от используемых веществ. Чередующиеся промежутки времени могут составлять от 1 до 1000 секунд или более.
МЕЕ может обеспечить возможность управления соотношением V/III и улучшить легирование, в частности, такими легирующими примесями, как теллур (Te), сера (S), углерод (C) и т.д., которые занимают место атома группы V. МЕЕ может осуществляться при очень низком соотношении V/III. В частности, при обездвиживании атомов алкила на поверхности, вещество группы V не впрыскивается в камеру, поэтому мгновенное отношение V/III является очень низким, и концентрация легирующей примеси выше.
Рассмотрим Фиг. 4, на которой приведены световые вольт-амперные характеристики (LIV) для разных концентраций. На Фиг. 4 приведены световые вольт-амперные (LIV) характеристики туннельного перехода НТ GaInP, выращенного с использованием МЕЕ, и выращенного путем традиционной эпитаксии GaInP НТ туннельного перехода. Хотя кривые LIV выращенного методом МЕЕ НТ GaInP туннельного перехода получены в тестовой структуре, включающей один переход, очевидно, что туннельный переход МЕЕ НТ TuJn демонстрирует больший туннельный ток по сравнению с выращенным методом традиционной эпитаксии туннельным переходом TuJn.
В существующих высокоэффективных солнечных элементах с множеством переходов для достижения высокой концентрации легирующей примеси, особенно при использовании материалов с широкой запрещенной зоной, таких как GaInP, обычно применяются пониженные температуры. МЕЕ может использоваться как при высоко-, так и при низкотемпературном выращивании слоев туннельного перехода (TuJn) и может обеспечивать более высокое легирование и более высокое качество TuJn-слоев, в то время как при традиционном выращивании достижение высокого легирования связано с ухудшением качества, снижением максимального туннельного тока, а также ухудшением качества последующих слоев. Данное изобретение может повысить туннельный ток по сравнению с существующими значениями и, следовательно, увеличить эффективность.
В тексте настоящей заявки и на прилагаемых Фиг. 1-4 раскрыт способ формирования туннельного перехода 112 в структуре 100 солнечных элементов. Способ включает попеременное осаждение вещества Группы III и вещества Группы V на структуре 100 солнечных элементов. В одном варианте попеременное осаждение вещества Группы III и вещества Группы V включает осаждение вещества Группы III на структуре 100 солнечных элементов и осаждение вещества Группы V после осаждения вещества Группы III. Кроме этого, способ может предусматривать осаждение вещества Группы III на первый солнечный элемент 108, например Солнечный Элемент 1, структуры 100 солнечных элементов. В одном варианте осуществления способ может включать осаждение вещества Группы V на первый солнечный элемент 108 структуры 100 солнечных элементов. В еще одном альтернативном варианте способ может включать управление отношением при осаждении вещества Группы III и вещества Группы V. В одном варианте попеременное осаждение вещества Группы III может включать нанесение веществ Группы III и Группы V в течение около 1-1000 секунд. В одном альтернативном варианте вещества Группы III включают по меньшей мере один из следующих: бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Tl). В еще одном примере вещества Группы V включают по меньшей мере один из следующих: азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьму (Sb) и висмут (Bi).
В тексте настоящей заявки и на прилагаемых Фиг. 1-4 раскрыто фотоэлектрическое устройство, содержащее подложку 102, первый солнечный элемент 108, например Солнечный Элемент 1, расположенный над подложкой 102, контакт 116, расположенный над первым солнечным элементом 108; и туннельный переход 112, сформированный между первым солнечным элементом 108 и контактом, отличающееся тем, что туннельный переход 112 образован методом эпитаксии со стимулированной миграцией (МЕЕ). В одном варианте осуществления туннельный переход 112 образован указанным способом МЕЕ при попеременном осаждении веществ Группы III и Группы V. В одном примере вещества Группы III включают по меньшей мере один из следующих: бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Tl).
В одном варианте указанные вещества Группы V могут включать по меньшей мере один из следующих: азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьму (Sb) и висмут (Bi). Кроме того, фотоэлектрическое устройство может содержать буферный слой 106, расположенный между указанной подложкой 100 и первым солнечным элементом 108. Кроме того, фотоэлектрическое устройство может содержать слой зарождения 104, расположенный между указанным буферным слоем 106 и указанной подложкой 102. В одном варианте осуществления второй солнечный элемент 114, например Солнечный Элемент 2, расположен между указанным первым солнечным элементом 108 и указанным контактом 116.
Хотя варианты осуществления данного изобретения были описаны с использованием различных конкретных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на практике с изменениями, не выходя за рамки объема и сущности изобретения.