УСТОЙЧИВЫЙ К ИЗЛУЧЕНИЮ ИНВЕРТИРОВАННЫЙ МЕТАМОРФИЧЕСКИЙ МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SUSTAINABLE RADIATION INVERTED METAMORPHIC MULTI-TRANSITIVE SOLAR ELEMENT

ЗАЯВЛЕНИЕ О ПРАВАХ ПРАВИТЕЛЬСТВА
Настоящее изобретение осуществлено при правительственной поддержке согласно контрактам №№ FA 9453-04-09-0371 и FA 9453-04-2-0041, выделенным Военно-воздушными силами США. Правительство имеет определенные права на настоящее изобретение.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка представляет собой частичное продолжение заявки № 13/491,390, поданной 7 июня 2012 года, которая включена в настоящий документ путем ссылки в полном объеме.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к метаморфическому многопереходному солнечному элементу для космической радиационной среды, иногда упоминаемой как окружающая среда с нулевой воздушной массой (AM0). Такие солнечные элементы используют в качестве источников питания многие спутники.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Желательность более высокой эффективности преобразования движет развитие многопереходных солнечных элементов, то есть солнечных элементов, имеющих два или более солнечных субэлементов с различными запрещенными зонами, и они расположены в порядке уменьшения запрещенных зон, так что излучение высокой энергии поглощается первым солнечным субэлементом, а фотоны с меньшей энергией проходят через первый солнечный субэлемент и поглощаются следующим солнечным субэлементом. Для получения повышенного количества солнечных субэлементов в каждом солнечном элементе, известно использование различных материалов для различных солнечных субэлементов, в этом случае солнечный элемент упоминается как метаморфический многопереходный солнечный элемент, если используют материалы, имеющие различные постоянные решетки. Каждый солнечный субэлемент имеет связанный с ним ток короткого замыкания, и обычно солнечный элемент конструируют с согласованием токов короткого замыкания для каждого солнечного субэлемента для достижения максимальной эффективности преобразования.
st
Изготовление структур инвертированных метаморфических солнечных элементов, таких как описанные в M. W. Wanlass et al., Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-V Photovoltaic Energy Converters (Conference Proceedings of the 31 IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Jan 3-7, 2005, IEEE Press, 2005), включает в себя рост солнечных субэлементов на подложке для роста в обратном порядке, то есть от солнечного субэлемента с самой широкой запрещенной зоной до солнечного субэлемента с самой узкой запрещенной зоной, а затем удаление подложки для роста.
Заявка на патент US 2010/0122724 A1, полное содержание которой настоящим включено в настоящий документ путем ссылки, описывает инвертированный метаморфический многопереходный солнечный элемент с четырьмя переходами.
Ключевое требование для солнечных элементов, предназначенных для космических применений, состоит в способности выдерживать воздействие излучения частиц электронов и протонов. Предыдущие исследования излучения электронов, осуществляемые на солнечных субэлементах из InGaAs, продемонстрировали более низкую устойчивость к излучению по сравнению с InGaP и GaAs, см. M. Yamaguchi, “Radiation Resistance of Compound Semiconductor Solar cells”, J. Appl. Phys. 78, 1995, pp 1476-1480. Соответственно, рабочие характеристики солнечных субэлементов из InGaAs будут ухудшаться в среде AM0 быстрее, чем солнечные субэлементы из InGaP или GaAs. Таким образом, включение субэлемента из InGaAs в «устойчивый к излучению» многопереходный солнечный элемент представляет собой проблему.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на улучшение рабочих характеристик метаморфического многопереходного солнечного элемента, имеющего по меньшей мере два солнечных субэлемента из InGaAs, в среде AM0. В соответствии с настоящим изобретением, в начале срока службы, вводится рассогласование токов короткого замыкания, связанных с солнечными субэлементами солнечного элемента, чтобы сделать возможным большее ухудшение эффективности преобразования по меньшей мере двух солнечных субэлементов из InGaAs во время использования солнечного элемента в среде AM0, которая приводит к повышению эффективности преобразования многопереходного устройства в конце срока службы.
15
Один из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагает многопереходный солнечный элемент, содержащий: первый солнечный субэлемент, состоящий из InGaP, имеющий первую запрещенную зону и первый ток короткого замыкания; второй солнечный субэлемент, состоящий из GaAs, расположенный поверх первого солнечного субэлемента и имеющий вторую запрещенную зону, более узкую, чем первая запрещенная зона, и несогласованный второй ток короткого замыкания, причем первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания, на величину до 8%; третий солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх второго солнечного субэлемента и имеющий третью запрещенную зону, более узкую, чем вторая запрещенная зона, и третий ток короткого замыкания, по существу согласованный со вторым током короткого замыкания; и четвертый солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх третьего солнечного субэлемента и имеющий четвертую запрещенную зону, более узкую, чем третья запрещенная зона, и четвертый ток короткого замыкания, по существу согласованный с третьим током короткого замыкания. В контексте настоящего документа ток короткого замыкания, который «по существу согласован» с эталонным током короткого замыкания, означает, что ток короткого замыкания находится в пределах ±4% от эталонного тока короткого замыкания. Первый - четвертый токи короткого замыкания устанавливаются таким образом, чтобы состояние многопереходного солнечного элемента в конце срока службы в космической среде AM0, токи короткого замыкания каждого из субэлементов по существу согласовываются. Состояние в конце срока службы может соответствовать периоду использования в космической среде AM0 по меньшей мере 15 лет или воздействию потока частиц с интегральной плотностью 1×10 1-МэВ электронов на квадратный сантиметр.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 схематично показывает главные области многопереходного солнечного элемента в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 представляет собой график, показывающий, для каждого из четырех солнечных субэлементов многопереходного солнечного элемента, показанного на Фиг.1, изменение со временем отношения плотности тока короткого замыкания для этого солнечного субэлемента и тока короткого замыкания для солнечного субэлемента, имеющего самую широкую запрещенную зону;
Фиг.3 представляет собой график, показывающий изменение эффективности преобразования в течение срока службы многопереходного солнечного элемента, показанного на фиг.1, по сравнению с многопереходным солнечным элементом с согласованными токами.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь будут описаны детали настоящего изобретения, включая его иллюстративные аспекты и варианты осуществления. При обращении к чертежам и нижеследующему описанию, сходные номера ссылочных позиций используются для идентификации сходных или функционально подобных элементов, и они предназначены для иллюстрации главных признаков иллюстративных вариантов осуществления сильно упрощенным схематичным способом. Кроме того, чертежи не предназначены для отображения каждого признака реальных вариантов осуществления или относительных размеров изображаемых элементов и не выполнены в масштабе.
Фиг.1 схематично показывает инвертированный метаморфический солнечный элемент с четырьмя переходами, далее упоминаемый как солнечный элемент IMM4J. В частности, фиг.1 показывает покомпонентный вид главных слоев солнечного элемента IMM4J перед удалением подложки 1 для роста. Следует понимать, что солнечный элемент IMM4J, показанный на фиг.1, как правило, устанавливается на суррогатной подложке в обратном порядке и подложка 1 для роста удаляется перед использованием.
Солнечный субэлемент 3 из InGaP осаждают на подложке 1 для роста и солнечный субэлемент 5 из GaAs осаждают на солнечном субэлементе 3 из InGaP таким образом, что солнечный субэлемент 3 из InGaP находится между подложкой 1 для роста и солнечным субэлементом 5 из GaAs. Солнечный субэлемент 3 из InGaP и солнечный субэлемент 5 из GaAs являются согласованными по структуре решетки с подложкой 1 для роста.
Первый переходной промежуточный слой 7 располагается между солнечным субэлементом 5 из GaAs и первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs на стороне солнечного субэлемента 5 из GaAs, противоположной по отношению к солнечному субэлементу 3 из InGaP. Первый переходный промежуточный слой 7 представляет собой метаморфический слой для согласования различий между постоянными решетки солнечного субэлемента 5 из GaAs и первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs.
Второй переходной промежуточный слой 11 располагается между первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs и вторым солнечным субэлементом 13 из InGaAs на стороне первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs, противоположной по отношению к первому переходному промежуточному слою 7. Второй переходной промежуточный слой 11 представляет собой метаморфический слой для согласования различий между постоянными решетки первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs и второго солнечного субэлемента 13 из InGaAs.
Солнечный субэлемент 3 из InGaP имеет запрещенную зону 1,91 ± 0,05 эВ; солнечный субэлемент 5 из GaAs имеет запрещенную зону 1,41 ± 0,05 эВ; первый солнечный субэлемент 9 из InGaAs имеет запрещенную зону 1,02 ± 0,05 эВ и второй солнечный субэлемент 13 из InGaAs имеет запрещенную зону 0,65 ± 0,05 эВ. Соответственно, множество солнечных субэлементов располагаются в порядке уменьшения ширины запрещенной зоны от подложки для роста. Таким образом, когда солнечное излучение соударяется со стороной подложки для роста (после удаления подложки 1 для роста), фотоны, имеющие энергию, превышающую 1,91 эВ, как правило, поглощаются солнечным субэлементом 3 из InGaP, фотоны, имеющие энергию в пределах между 1,41 эВ и 1,91 эВ, как правило, поглощаются солнечным субэлементом 5 из GaAs, фотоны, имеющие энергию в пределах между 1,02 эВ и 1,41 эВ, как правило, поглощаются первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs и фотоны, имеющие энергию в пределах между 0,65 эВ и 1,02 эВ, как правило, поглощаются вторым солнечным субэлементом 13 из InGaAs. Это дает в результате теоретическую эффективность преобразования 40,8%.
Ключевое требование для солнечных элементов, предназначенных для космических применений, представляет собой способность выдерживать воздействие излучения частиц электронов и протонов. Как рассмотрено ранее, солнечные элементы из InGaAs, как известно, имеют более низкую устойчивость к излучению, чем солнечные элементы из InGaP и солнечные элементы из GaAs. Соответственно, ток короткого замыкания, связанный с солнечными элементами из InGaAs, будет падать с более высокой скоростью, чем ток короткого замыкания, связанный с солнечными элементами из InGaP и солнечными элементами из GaAs.
Обычно многопереходные солнечные элементы конструируют таким образом, что в начале срока службы солнечного элемента, токи короткого замыкания для всех солнечных субэлементов являются по существу идентичными. В этом варианте осуществления, чтобы учесть тот факт, что ток короткого замыкания для первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs и второго солнечного субэлемента 13 из InGaAs будет падать быстрее, чем для солнечного субэлемента 3 из InGaP и солнечного субэлемента 5 из GaAs, токи короткого замыкания для солнечных субэлементов в начале срока службы солнечного элемента имеют некоторое рассогласование, так что в конце срока службы солнечного элемента токи короткого замыкания являются по существу согласованными. Таким путем улучшается общее преобразование энергии в течение срока службы солнечного элемента.
2
Фиг.2 иллюстрирует преобразование токов короткого замыкания для четырех солнечных субэлементов в течение срока службы солнечного элемента. В частности, ось y показывает значение тока короткого замыкания для каждого солнечного элемента по отношению к току короткого замыкания солнечного субэлемента 3 из InGaP. Изменение токов короткого замыкания индивидуальных солнечных субэлементов в течение срока службы исследуют с использованием элементов с одним переходом, которые изготавливают, чтобы они представляли соответствующие индивидуальные субэлементы, с изотипными окружающими материалами субэлемента, для получения таких же тепловых нагрузок устройства в течение роста, а также характеристик поглощения для облучения. На элементы с одним переходом затем воздействуют излучением 1-МэВ электронов при интегральной плотности потока частиц 5E14 и 1E15 э/см.
Как ожидается, первый солнечный субэлемент 9 из InGaAs и второй солнечный субэлемент 13 из InGaAs демонстрируют более низкую устойчивость к излучению, чем солнечный субэлемент 3 из InGaP и солнечный субэлемент 5 из GaAs. Неожиданно, однако, второй солнечный субэлемент 13 из InGaAs демонстрирует более высокую устойчивость к излучению, чем первый солнечный субэлемент 9 из InGaAs. Это является неожиданным, поскольку ожидалось, что более высокое содержание InAs во втором солнечном субэлементе 13 из InGaAs должно давать в результате более высокий уровень деградации в этом субэлементе по сравнению с первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs.
Одна из теорий, которая может объяснить более высокую устойчивость к излучению второго солнечного субэлемента 13 из InGaAs по сравнению с первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs, заключается в том, что диффузионная длина в начале срока службы второго солнечного субэлемента из InGaAs 13 гораздо больше, чем для первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs, что может быть вызвано более высокой концентрацией неосновных носителей в InAs по сравнению с GaAs. Соответственно, хотя изменение диффузионной длины после воздействия излучения электронов на второй солнечный субэлемента 13 из InGaAs может быть больше, чем для первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs, общая диффузионная длина в конце срока службы по-прежнему больше во втором солнечном субэлементе из InGaAs.
Желаемое рассогласование токов между солнечными субэлементами в начале срока службы может осуществляться посредством изменения толщины субэлемента и ширины запрещенной зоны субэлемента. В этом варианте осуществления, дополнительный ток, необходимый для солнечного субэлемента 5 из GaAs, получают посредством уменьшения толщины солнечного субэлемента 3 из InGaP по сравнению с толщиной, необходимой для согласования токов, в то время как дополнительный ток, необходимый для первого и второго солнечного субэлемента из InGaAs, формируется посредством небольшого уменьшения ширины запрещенной зоны, что дает в результате увеличение ширины зоны поглощения по сравнению с запрещенными зонами для согласования токов.
После оптимизации процедуры изготовления солнечный элемент IMM4J демонстрирует в начале срока службы эффективность AM0 преобразования примерно 34%. Это является небольшим уменьшением по сравнению с эквивалентным солнечным элементом IMM4J, который является согласованным по токам в начале срока службы, но, как показано на фиг.3, коэффициент, остающийся в конце срока службы для солнечного элемента IMM4J в соответствии с настоящим изобретением, значительно лучше, чем для эквивалентного солнечного элемента IMM4J, который является согласованным по токам в начале срока службы. Структура солнечного элемента IMM4J в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает эффективность AM0 преобразования, которая изменяется в течение срока службы многопереходного солнечного элемента таким образом, что к концу срока службы многопереходного солнечного элемента формируемая электрическая энергия больше, чем для многопереходного солнечного элемента, имеющего структуру, которая обеспечивает оптимальную эффективность AM0 преобразования в начале срока службы.
Хотя солнечный элемент, описанный выше, представляет собой солнечный элемент с четырьмя переходами, предполагается, что настоящее изобретение может также применяться к другим многопереходным солнечным элементам, например к метаморфическим солнечным элементам с пятью переходами или шестью переходами (солнечные элементы IMM5J или IMM6J).