ГЕТЕРОСТРУКТУРА МНОГОПЕРЕХОДНОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
HETEROSTRUCTURE OF MULTIJUNCTION SOLAR ELEMENT

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету, предназначенным для преобразования света в электрическую энергию, в частности к многопереходным солнечным элементам.
1-x
x
Известна гетероструктура многопроходного солнечного элемента, включающая подложку, на которой размещено не менее двух сопряженных друг с другом двухслойных компонентов выполненных из твердых растворов металлов третьей группы, (в частности из InGaN) с p-n переходами между слоями. Двухслойные компоненты сопряжены между собой посредством туннельных переходов или омических контактов. Ширина запрещенной зоны двухслойных компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией (US Patent №7217882. «Broad spectrum solar cell», filled: May 27, 2003, published May 15, 2007, IPC: H01L 31/00).
1-x
x
Известное устройство обеспечивает последовательное преобразование солнечного излучения. Часть излучения с энергией фотонов, равной или превосходящей ширину запрещенной зоны, поглощается и генерирует электронно-дырочную пару. Излучение с энергией фотонов менее ширины запрещенной зоны свободно проходит через слои верхнего компонента и преобразуется в электрическую энергию в компонентах, расположенных дальше от источника солнечной энергии. Изменение ширины запрещенной зоны достигается варьированием состава эпитаксиального слоя InGaN.
Состав слоев известной гетеростуктуры выбран исходя из необходимости обеспечения преобразования всего спектра солнечного излучения. При этом состав каждого из слоев выбран таким образом, чтобы обеспечить необходимое значение ширины запрещенной зоны. Однако при выборе состава слоев известной гетероструктуры не принято во внимание, что при варьировании их состава меняется значение постоянной кристаллической решетки. Рассогласование постоянных решеток эпитаксиальных слоев и подложки, а также эпитаксиальных слоев, образующих p-n-переход между собой приводит к возникновению в слоях дефектов, и, как следствие, к снижению эффективности солнечного элемента.
1-x
x
Известна также гетероструктура многопереходного солнечного элемента на основе твердых растворов металлов третьей группы, включающая подложку, выполненную из AlN, на которой размещено три сопряженных друг с другом выполненных из InGaN двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, сопряженных между собой туннельными переходами. Ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией (Патент RU №2376679. «Полупроводниковый многопереходный солнечный элемент», заявл. 16.09.2008, опубл. 20.12.2009, МПК: H01L 31/042) - прототип.
Использование подложки, выполненной из AlN, в сочетании с двухслойными компонентами с p-n-переходами между слоями, выполненными из InGaN, позволяет по сравнению с известным техническим решением (US Patent №7217882) снизить плотность дислокаций и, как следствие, количество дефектов в слоях за счет хорошего сочетания значений коэффициентов теплопроводности подложки из AlN и слоев двухслойных компонентов. Тем не менее, достаточно высокая эффективность преобразования солнечной энергии в случае использования известной гетероструктуры не может быть достигнута из-за неудовлетворительной морфологии слоев, которая обусловлена, в основном, различием параметров кристаллической решетки слоев двухслойных компонентов и подложки, а также кристаллической решетки эпитаксиальных слоев, образующих p-n-переход между собой. В свою очередь различие параметров кристаллической решетки и определяет уровень дефектов и дислокаций, отрицательно влияющий на эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
Задача настоящего изобретения - повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.
1-x
x
x
y
1-x-y
g1
g2
g3
g1
Поставленная задача решается за счет того, что гетероструктура многопереходного солнечного элемента на основе нитридов твердых растворов металлов третьей группы, включает подложку, выполненную из AlN, на которой размещено три сопряженных друг с другом выполненных из InGaN двухслойных компонента с p-n переходами между слоями, сопряженных между собой туннельными переходами. Ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией. Гетероструктура дополнительно содержит, по крайней мере, два релаксационных слоя, размещенных между подложкой и смежным с подложкой двухслойным компонентом, которые выполнены из AlInGaN, где x+y<1, при этом ширина запрещенной зоны двухслойных компонентов удовлетворяет соотношению: E:E:E=1:2,23:3,08, где 0,65≤E≤0,85 эВ.
Поверхность, предназначенная для облучения солнечной энергией, может быть обращена в сторону подложки.
Подложка из AlN может быть выполнена с возможностью отделения.
Существуют два типа рекомбинации электронов и дырок: излучательная и безизлучательная. Излучательная рекомбинация сопровождается преобразованием электронно-дырочной пары в световую энергию, при этом обратный процесс также имеет место: световая энергия преобразуется в электронно-дырочную пару. Безызлучательная рекомбинация является источником тепла. В случае, когда электрон рекомбинирует с дыркой в таком дефекте как дислокация, рекомбинация является безызлучательной, т.е. имеют место большие потери мощности за счет теплового излучения.
Поскольку дислокации являются основным источником безызлучательной рекомбинации, в предлагаемом изобретении использована подложка, выполненная из AlN, имеющая параметры кристаллической решетки, близкие к InGaN. Такое сочетание материалов подложки и двухслойных компонентов позволяет уменьшить безызлучательную рекомбинацию.
Кроме того, за счет уменьшения плотности дислокаций характерное время излучательной рекомбинации в нитридных полупроводниках больше по сравнению со временем безызлучательной рекомбинации. Малое характерное время безызлучательной рекомбинации означает, что электроны и дырки могут рекомбинировать прежде, чем произойдет взаимодействие с дислокацией.
Для снижения уровня дефектов и дислокаций в слоях гетероструктуры, обусловленных рассогласованием кристаллической решетки подложки и сформированными на ней двухслойными компонентами, в предлагаемом изобретении между подложкой и смежным с подложкой двухслойным компонентом предусмотрены релаксационные слои.
При наличии только одного релаксационного слоя в смежном с подложкой двухслойным компонентом возникают «прорастающие» дислокации.
С другой стороны, слишком большое количество релаксационных слоев увеличивает общее сопротивление гетероструктуры в целом, что сопровождается ростом рабочего напряжения. Увеличивается потребление электрической энергии, и эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую падает. В общем случае количество релаксационных слоев составляет от 3 до 7 и может быть определено расчетным путем или экспериментально в зависимости от конкретных параметров гетероструктуры.
x
y
1-x-y
Экспериментально определено, что наилучшее согласование параметров кристаллических решеток подложки, выполненной из AlN и слоев двухслойных компонентов, выполненных из InGaN, достигается при условии, что релаксационные слои, размещенные между подложкой и смежным с подложкой двухслойным компонентом выполнены из AlInGaN, a x+y<1.
Еще одним условием, обеспечивающим повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, является оптимальное соотношение значений ширины запрещенной зоны двухслойных компонентов.
g1
g2
g3
g3
В соответствии с предлагаемым изобретением ширина запрещенной зоны двухслойных компонентов должна удовлетворять соотношению: E:E:E=1:2,23:3,08, где 0,65≤E≤0,85 эВ. Именно при таком соотношении ширины запрещенной зоны двухслойных компонентов достигается одновременно возможность эффективного поглощения солнечной энергии во всем диапазоне спектра солнечного излучения при оптимальном соотношении параметров кристаллических решеток слоев двухслойных компонентов.
g1
E не может быть меньше 0,65, т.к. это значение ширины запрещенной зоны слоев, выполненных из InN. В случае увеличения ширины запрещенной зоны боле 0,85 не обеспечивается преобразование части спектра инфракрасного излучения.
В некоторых вариантах исполнения целесообразно, чтобы поверхность, предназначенная для облучения солнечной энергией, была обращена в сторону подложки.
В случае, если подложка является проводящей и имеет ширину запрещенной зоны, перекрывающую значительную часть спектра солнечного излучения, то возможно создание вертикального чипа солнечного элемента (контакты расположены по разные стороны подложки). Это позволяет добиться снижения рабочего напряжения, улучшения растекания тока по гетероструктуре, а также упрощает технологию изготовления чипа солнечного элемента.
В ряде случаев целесообразно, чтобы подложка из AlN была выполнена с возможностью отделения, что позволяет дополнительно снизить рабочее напряжение.
Изобретение поясняется чертежом, где показана гетероструктура многопереходного солнечного элемента.
1-x
x
Согласно изобретению гетероструктра многопереходного солнечного элемента содержит подложку 1, на которой размещено три сопряженных друг с другом выполненных из InGaN двухслойных компонента 2, 3 и 4 с p-n-переходами 5, 6 и 7 между слоями. Между подложкой и смежным с подложкой двухслойным компонентом размещены релаксационные слои 8, 9, 10 и 11. Двухслойные компоненты сопряжены между собой туннельными переходами 12 и 13.
Гетероструктура многопереходного солнечного элемента изготовлена в едином процессе эпитаксиального роста, при этом каждый двухслойный компонент образован путем подачи соответствующей концентрации реагентов на вход эпитаксиального реактора.
Солнечный элемент на основе гетероструктуры, выполненной согласно изобретению, работает следующим образом.
Облучение солнечного элемента осуществляется со стороны подложки 1.
g
g
g
На поверхность двухслойного компонента 2 падает солнечное излучение. Часть фотонов с энергией E>2 эВ поглощается двухслойным компонентом 2 и вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Разделение электронов и дырок достигается за счет электрического поля p-n перехода между слоями компонента 2. Фотоны с энергией 1,45 ≤E≤2 эВ поглощаются двухслойным компонентом 3, а фотоны с энергией E≤1,45 эВ - двухслойным компонентом 4, при этом в двухслойных компонентах 3 и 4 также, как и в двухслойном компоненте 2, происходит генерация электронно-дырочных пар и разделение электронов и дырок. Связь между переходами с различными значениями ширины запрещенной зоны обеспечивается туннельными переходами 12 и 13.
Образцы солнечных элементов, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением, были изготовлены методом хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE).
В таблице 1 представлена структура образцов солнечных элементов (составы слоев и толщина слоев).
Таблица 1
Структура солнечного элемента
Слои солнечного элемента
Материал слоя
Состав слоя
Толщина слоя
Двухслойный компонент
InN
InN
200 nM
InN
InN
100 nM
Туннельный переход
InGaN
In<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>N
30 nM
InGaN
In<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>N
30 nM
Двухслойный компонент
InGaN
In<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>N
200 nM
InGaN
http://Ino.5Gao.5N
100 nM
Туннельный переход
InGaN
In<sub>0.33</sub>Ga<sub>0.67N</sub>
30 nM
InGaN
In<sub>0.33</sub>Ga<sub>0.67N</sub>
30 nM
Двухслойный компонент
InGaN
In<sub>0.33</sub>Ga<sub>0.67N</sub>
200 nM
InGaN
In<sub>0.33</sub>Ga<sub>0.67N</sub>
100 nM
Релаксационные слои
AlInGaN
AlInGaN
700 nM
AlInGaN
AlInGaN
100 nM
AlInGaN
AlInGaN
700 nM
AlInGaN
AlInGaN
100 nM
Подложка
AlN
AlN
Ширина запрещенной зоны двухслойных компонентов составляла соответственно: 0,65 эВ, 1,45 эВ и 2 эВ.
Солнечные элементы облучались солнечным излучением со стороны подложки.
Оценка КПД экспериментальных образцов солнечных элементов была проведена с помощью измерителя параметров солнечных элементов ST-1000 фирмы ТЕЛЕКОМ-СТВ (Россия).
В Таблице 2 представлены основные характеристики установки для измерения параметров образцов солнечных элементов.
Таблица 2
Характеристики установки для измерения параметров образцов солнечных элементов
Типа и марка прибора
Основные характеристики
Измеритель параметров солнечных элементов ST-1000 фирмы ТЕЛЕКОМ-СТВ (Россия)
1. Поле однородной засветки при неравномерности ±1%: 150×150 мм
2. Спектр засветки: AM 1.5 по классу В (IEC 904-9)
3. Диапазон измеряемых напряжений: -2,4 ÷ +2,4 В
4. Погрешность измерения напряжений для диапазона значений холостого хода: 0,5-1,0 В ± 1%
5. Дискретность измерения напряжения: 0,3 мВ
6. Диапазон измеряемых токов: -8,0 - +8,0 А
7. Погрешность измерения тока для диапазона значений короткого замыкания: 4÷8 А ± 1%
8. Длительность импульса засветки: не более 10 мс
9. Дискретность измерения температуры: 0,2°C
Были проведены измерения параметров экспериментальных образцов при стандартных условиях измерений (температура окружающей среды 16÷26°C, относительная влажность воздуха не более 85%, атмосферное давление 750±50 мм рт.ст.).
Эффективность поглощения 1-го перехода составляла 18%.
Эффективность поглощения 2-го перехода составляла 17%.
Эффективность поглощения 3-го перехода составляла 15%.
В целом КПД образцов с концентратором солнечного излучения AM-1,5 составлял 50±5%.