RU1003702C - Солнечный фотопреобразователь - Google Patents

Description

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.

Известны солнечные фотопреобразователи на основе n-p гетероструктуры на основе твердых растворов галлий - алюминий - мышьяк.

В этих фотоэлементах удалось повысить КПД преобразования солнечного излучения по сравнению с фотоэлементами на основе гомо p-n переходов благодаря использованию широкозонного "окна" из твердого раствора на узкозонной подложке из арсенида галлия. В этих фотоэлементах обеспечено эффективное преобразование света с энергией, заключенной между ширинами запрещенной зоны арсенида галлия и твердого раствора. Однако в этих фотоэлементах теряется длинноволновая часть солнечного излучения с энергией меньшей ширины запрещенной зоны арсенида галлия. Кроме того, значительные потери энергии солнечного излучения имеют место вследствие того, что энергия разделяющихся в арсениде галлия электронно-дырочных пар меньше энергии генерирующих их квантов света.

Таким образом, в этом фотоэлементе не эффективно используется и коротковолновая часть солнечного излучения.

Наиболее близким техническим решением является солнечный фотопреобразователь, содержащий p-n-p (n-p-n) полупроводниковую гетероструктуру на основе твердых растворов алюминия - галлия - мышьяка с омическими контактами ко всем слоям, в которой ширина запрещенной зоны n-слоя (p-слоя) больше, чем ширина запрещенных зон p-слоев (n-слоев), и нагрузочный элемент.

Недостатком его является отсутствие чувствительности к излучению длиной волны, превышающей край поглощения арсенида галлия и недостаточно высокий КПД в рабочем режиме, так как в этом режиме омический контакт от фронтального слоя электрически замкнут с омическими контактом тыльного, наиболее узкозонного слоя, и подсоединен к одному из выводов нагрузочного элемента, а второй вывод нагрузочного элемента подсоединен к среднему слою, наиболее широкозонному. При таком соединении два активных p-n перехода включены параллельно. Это означает, что напряжение на нагрузочном элементе практически определяется более узкозонным p-n переходом (гетеропереходом), а ток через нагрузочный элемент равен сумме токов активных p-n переходов (гетеропереходов).

Целью изобретения является повышение КПД при одновременном расширении спектра фоточувствительности.

Цель достигается тем, что в солнечном фотопреобразователе, содержащем (p-n-p) (n-p-n) полупроводниковую гетероструктуру на основе твердых растворов алюминия - галлия - мышьяка с омическими контактами ко всем слоям, в которой ширина запрещенной зоны n-слоя (p-слоя) больше, чем ширина запрещенных зон p-слоев (n-слоев), и нагрузочный элемент, в фотопреобразователь дополнительно введены два нагрузочных элемента, слой на основе твердых растворов галлия - мышьяка - сурьмы с содержанием антимонида - галлия 15-30 молярных % с омическим контактом к нему, при этом дополнительный слой расположен на тыльной стороне фотопреобразователя, а нагрузочные элементы включены между каждой парой соседних омических контактов.

Сущность технического решения состоит в том, что в фотопреобразователе имеется три активных p-n перехода, каждый из которых включен на оптимальную нагрузку. Такое включение обеспечивает максимально возможный КПД, достигающий примерно 50% , что существенно выше, чем у любой другой конструкции фотопреобразователя. При этом также расширяется область спектральной чувствительности, так как p-n гетеропереход Ga As-Ga As Sb позволяет использовать длинноволновую часть солнечного излучения, проходящего сквозь слой Ga As. При содержании антимонида - галлия в этом слое меньше 15 молярных % отличие ширин запрещенных зон слоев GaAs и GaAsSb становится меньше, чем 0,2 эВ, что приводит к снижению КПД. При содержании антимонида-галлия большем 30 молярных % из-за увеличения рассогласования параметров решетки слоя GaAs и слоя GaAsSb ухудшается структурное совершенство слоя GaAsSb и КПД опять уменьшается.

Работает солнечный фотопреобразователь следующим образом.

При облучении фотопреобразователя со стороны широкозонной гетероструктуры свет с энергией меньшей ширины запрещенной зоны Е_о слоя арсенида галлия, но больше ширины запрещенной зоны Е₁ слоя твердого раствора в системе галлий - мышьяк - сурьма поглощается в последнем, генерирует электронно-дырочные пары и дает вклад в фототок. Свет с энергией меньшей ширины запрещенной зоны Е фронтального слоя, но большей ширины запрещенной зоны Е_о слоя GaAs поглощается в нем и также дает фототок. Свет с энергией большей ширины запрещенной зоны Е₂ фронтального слоя поглощается в нем и также генерирует фототок. Таким образом, в данном фотопреобразователе для каждого участка спектра солнечного излучения используется полупроводник с оптимальной шириной запрещенной зоны. Это обеспечивает минимальные потери солнечного излучения при энергии квантов света большей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, в котором этот свет генерирует электронно-дырочные пары. Поскольку фотопреобразователь выполнен на основе p-n-p-n структуры с омическими контактами к каждому слою, съем рабочего напряжения и тока осуществляется путем включения нагрузочных элементов между каждой парой омических контактов. При этом максимальное КПД достигается при работе фотопреобразователя на три оптимальные нагрузки, каждая из которых подбирается оптимальной для данного элемента фотопреобразователя.

Солнечный фотопреобразователь включает: подложку из n-арсенида галлия (n = 3 · 10¹⁷ см^-3). Первый слой - твердый раствор галлий - алюминий - мышьяк толщиной 10 мкм, 45% арсенида алюминия, p-типа (p = 5 · 10¹⁸ см^-3). Второй слой толщиной 3 мкм n-типа (n = 3 · 10¹⁷ см^-3) с 35 мол. % арсенида алюминия. Третий слой толщиной 2 мкм n-типа (n = 10¹⁸см^-3) с 80% арсенида алюминия. С тыльной стороны подложки выполнен слой твердого раствора галлий-мышьяк-сурьма толщиной 5 мкм с 15-30 молярными процентами антимонида галлия.

Таким образом, данный солнечный фотопреобразователь позволяет увеличить КПД до 30% преобразования солнечного излучения и обеспечивает чувствительность в области длин волн в интервале от 0,4 до 1,1 мкм.

Данный фотопреобразователь найдет применение для создания солнечных батарей, обеспечивающих увеличение КПД преобразования солнечного излучения, как для наземного применения, так и для энергообеспечения космических аппаратов. (56) Алферов Ж. И. и др. "Солнечные преобразователи на основе гетеропереходов pAlGa_1-xAs_nGaAs", ФТП, том. 4, в. 12, с. 2378, 1970.

Авторское свидетельство СССР N 820558, кл. H 01 L 31/04, 31.03.80.

Claims (1)

1. СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий p - n - p(n - p - n)-полупроводниковую гетероструктуру на основе твердых растворов алюминия - галлия - мышьяка с омическими контактами ко всем слоям, в которой ширина запрещенной зоны n-слоя (p-слоя) больше, чем ширина запрещенных зон p-слоев (n-слоев), и нагрузочный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при одновременном расширении спектра фоточувствительности, в фотопреобразователь дополнительно введены два нагрузочных элемента, слой на основе твердых растворов галлия - мышьяка - сурьмы с содержанием антимонида галлия 15 - 30 мол. % с омическим контактом к нему, при этом дополнительный слой расположен на тыльной стороне фотопреобразователя, а нагрузочные элементы включены между каждой парой соседних омических контактов.