RU2080690C1

RU2080690C1 - Light-to-voltage converter

Info

Publication number: RU2080690C1
Authority: RU
Inventors: Василий Андреевич Сычик; Александр Викторович Бреднев
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: power supplies for electronic-optical instruments and space systems. SUBSTANCE: n- region of converter is designed as heavily doped layer of n-type, layer of n-type and variable zone layer of n-type. P-region of converter is designed as variable zone layer of p-type and heavily doped p-type layer. P-n junction uses n and p type layers with dope concentration of $$$. In addition device has lower continuous resistance contact and upper lattice resistance contact. P-n junction and both variable zone layers are designed so that depleted region runs into variable zone layers by 0.10.2 of total depth of layers which shape p-n junction. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с потенциальным барьером, в частности к фотовольтаическим преобразователем и может быть использовано в электронно-оптических и космических системах в качестве функциональных элементов источников электроэнергии. The invention relates to semiconductor photosensitive devices with a potential barrier, in particular to a photovoltaic converter and can be used in electron-optical and space systems as functional elements of electric power sources.

Известен фотовольтаический преобразователь (солнечный элемент, описанный в пат. США N 4191593 H 01 L 31/06, 1980. Фотоэлектрический элемент такого преобразователя снабжен металлической деталью в форме параллелепипеда, на основании внутреннего объема которого в форме конуса расположена линза Френеля и отражательный элемент. В отверстии вблизи вершины параллелепипеда расположен фотоэлектрический элемент, представляющий структуру в виде двух гетеропереходов, гомоперехода и туннельного диода. Этот преобразователь солнечной энергии обладает малыми рабочими токами и сложной конструкцией. A photovoltaic converter is known (a solar cell described in US Pat. No. 4,191,593 H 01 L 31/06, 1980. The photovoltaic cell of such a converter is equipped with a parallelepiped-shaped metal part, on the basis of whose internal volume a Fresnel lens and a reflective element are located in the shape of a cone. the hole near the top of the parallelepiped is a photovoltaic element representing a structure in the form of two heterojunctions, a homojunction and a tunnel diode. and operating currents and complex construction.

В книге М. М. Колтуна Солнечные элементы, М. Наука, 1987 описаны фотовольтаические преобразователи, у которых для создания в базовом слое фотоэлемента тянущего электрического поля применяется вариозный слой. Однако такие элементы с указанной в книге структурой обладают невысокими рабочими напряжениями, сложной структурой и недостаточно высокой стабильностью работы. The book of M. M. Koltun Solar cells, M. Nauka, 1987 describes photovoltaic converters in which a varicose layer is used to create a pulling electric field in the base layer of a photocell. However, such elements with the structure indicated in the book have low working voltages, a complex structure, and insufficiently stable operation.

Прототипом предлагаемого изобретения является фотовольтаический преобразователь, описанный в заявке Великобритании N 2023927 H 01 L 31/06, 1980, который содержит p-n-переход, полупроводниковый слой из фосфида индия и галия. Ширину этого слоя подбирают так, чтобы он был прозрачен для фотонов, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны фосфида индия и галия. Просветляющий слой и электрод контактирует с пассивирующим слоем p-n-перехода из GaAs, оканчивающегося электродом. The prototype of the invention is a photovoltaic converter described in UK application N 2023927 H 01 L 31/06, 1980, which contains a p-n junction, a semiconductor layer of indium phosphide and galium. The width of this layer is chosen so that it is transparent to photons whose energy is less than the band gap of indium phosphide and galium. The translucent layer and the electrode are in contact with the passivating pn junction layer of GaAs ending in the electrode.

Недостатками прототипа являются:
а) невысокая рабочая температура, поскольку используется в структуре фотовольтаического преобразователя указанный p-n-переход (Eg < 1,27 эВ);
б) невысокое выходное напряжение, соответственно и его выходная мощность, т. к. сформированный на p-n-переходе и обращенный к свету компонент InP обладает Eg 1,27 эВ < 1,43 эВ (Eg GaAs);
в) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между омическими контактами и p-n-переходом, что обуславливает резкое повышение сопротивления растекания, а следовательно дополнительное снижение тока и выходной мощности.The disadvantages of the prototype are:
a) low operating temperature, since the indicated pn junction (Eg <1.27 eV) is used in the structure of the photovoltaic converter;
b) a low output voltage, respectively, and its output power, since the InP component formed at the pn junction and facing the light has an Eg of 1.27 eV <1.43 eV (Eg GaAs);
c) there are no heavily doped low-resistance semiconductor layers between the ohmic contacts and the pn junction, which leads to a sharp increase in the spreading resistance, and therefore an additional decrease in the current and output power.

Техническим результатом изобретения является увеличение рабочей температуры с одновременным повышением выходного напряжения. The technical result of the invention is to increase the operating temperature while increasing the output voltage.

Поставленная задача достигается тем, что в фотовольтаическом преобразователе, содержащем p-n-переход, вариозной слой, просветляющий слой и омические контакты, p-n-переход размещен в более широкозонной части структуры и снабжен дополнительным вариозным слоем в более узкозонной его части, при этом обедненная область p-n-перехода заходит в вариозные слои. The problem is achieved in that in a photovoltaic converter containing a pn junction, a varic layer, an antireflection layer and ohmic contacts, the pn junction is located in a wider band part of the structure and is equipped with an additional varic layer in its narrower part, while the depletion region pn transition enters the varicose layers.

Благодаря тому, что p-n-переход размещен в более ширикозонной части структуры и снабжен дополнительным вариозным слоем в более узкозонной его части, причем обедненный слой p-n-перехода заходит в вариозные слои, обеспечивается достижение поставленной цели. Due to the fact that the p-n junction is located in the wider-gap part of the structure and is provided with an additional varicose layer in its narrower-gap part, and the depletion layer of the p-n junction enters the varicose layers, the goal is achieved.

Фото ЭДС холостого хода (U_am) предложенного фотовольтаического преобразователя составляет 1,47-1,52 В, а допустимая температура T_д ≥ 150^oC, в то время как для прототипа U_am≃ 0,78-0,81 B; T_д≅ 100^oC.Photo of the open-circuit emf (U _am ) of the proposed photovoltaic converter is 1.47-1.52 V, and the permissible temperature T _d ≥ 150 ^o C, while for the prototype U _{am am} 0.78-0.81 B; T _d ≅ 100 ^o C.

В известных технических решениях признаков, сходных с заявленным, не обнаружено. Поэтому предложенное техническое устройство фотовольтаический преобразователь (ФВП) обладает существенными отличиями. In the known technical solutions, features similar to those stated were not found. Therefore, the proposed technical device photovoltaic converter (FVP) has significant differences.

На фиг. 1 изображена конструкция ФВП, на фиг. 2 его зонная диаграмма. In FIG. 1 shows the design of the PMF, in FIG. 2 is his zone diagram.

Конструктивно фотовольтаический преобразователь состоит из p-n-перехода, выполненного из широкозонного полупроводника, включающего широкозонные обедненную n-область перехода 1 и обедненную p-область перехода 2, которая контактирует с P-вариозным и сильнолегированным p⁺-слоем 3 и широкозонного полупроводника. n-область фотовольтаического преобразователя состоит из широкозонной обедненной n-области 1 перехода, вариозного n₁-слоя 4, узкозонной n-n⁺ области, состоящей из n₂-слоя 5 и сильнолегированного n $\binom{+}{2}$ -слоя 6. Нижний сплошной омический контакт 7 фотовольтаического преобразователя сформирован на n⁺-слое 6, а верхний решетчатый омический контакт 8, в проемах решетки которого размещен просветляющий слой 9, сформирован на сильнолегированном P⁺-слое 3. Омические контакты имеют внешние выводы 10. n₂-область фотовольтаического преобразователя изготавливается из полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем жизни носителей и возможностью методом легирования создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из Ge, Si, GaAs. Для достижения поставленной цели эта область выполняется из полупроводника узкозонного по сравнению с полупроводниковым материалом p-n-перехода. Как показали результаты эксперимента, соотношение ширины запрещенной зоны p-n-перехода Eg₁ и ширины n₂-области Eg₂ составляет интервал 1,5-3,5.Structurally, the photovoltaic converter consists of a pn junction made of a wide-gap semiconductor, including a wide-gap depleted n-region of junction 1 and a depleted p-region of junction 2, which is in contact with the P-varic and heavily doped p ⁺ layer 3 and a wide-gap semiconductor. The n-region of the photovoltaic converter consists of a wide-gap depleted n-region of the junction 1, a variational n ₁ -layer 4, a narrow-gap nn ⁺ region consisting of n ₂ -layer 5 and heavily doped n $\binom{+}{2}$ layer 6. The lower continuous ohmic contact 7 of the photovoltaic converter is formed on the n ⁺ layer 6, and the upper lattice ohmic contact 8, in the openings of the lattice of which an antireflection layer 9 is placed, is formed on the heavily doped P ⁺ layer 3. The ohmic contacts have external leads 10 . n ₂ -region of the photovoltaic converter is made of a semiconductor having high carrier mobility, a long carrier lifetime and the ability to create a method of doping in the bulk highly-doped layers, for example ep of Ge, Si, GaAs. To achieve this goal, this region is made of a narrow-gap semiconductor compared to the pn junction semiconductor material. As the experimental results showed, the ratio of the band gap of the pn junction Eg ₁ and the width of the n _{2 region of} Eg ₂ is in the range of 1.5-3.5.

В n₂-области методом диффузии, либо ионной имплантации на n₂-слое 5 формируется сильнолегированный n $\binom{+}{2}$ -слой 6, с низким удельным сопротивлением, что исключает потери электроэнергии на сопротивлении n-области. Толщина n $\binom{+}{2}$ -слоя 6 выбирается из условия минимизации сопротивления n-области, исключения влияния границы n $\binom{+}{2}$ -слой 6 омический контакт 7 на разделенные заряды p-n-перехода и должна быть выше диффузионной длины основных носителей. Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина n $\binom{+}{2}$ -слоя 6 составляет (1,1-2) Ld, причем она возрастает для полупроводников с высокой подвижностью основных носителей. На n₂-слое 5 формируется методом ионно-плазменного распыления, жидкофазной либо газофазной эпитаксии варизоный n₁-слой 4, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения

. Параметр степени концентрации компонента в растворе X изменяется от нуля до единицы, причем со стороны области n он представляет материал этой области, например A

\binom{m}{1}

Bⁿ, а со стороны p-n-перехода это материал, идентичный материалу p-n-перехода, т. е. соединения A

\binom{m}{2}

Bⁿ. Например, если материалом p-n-перехода является AlAs с Eg₁ 2,15 эВ, а материалом узкозонной n-n⁺-области является GaAs с Eg₂ 1,43 эВ, то вариозный n₁-слой 4 реализуется из материала Ga_xAl_1-xАs, причем структура нижней границы слоя с параметром X=1 представляет GaAs, а структура верхней границы слоя представляет AlAs с параметром X=0. Толщина вариозного n-слоя 4 определяется скоростью изменения его ширины запрещенной зоны (от Eg₁ до Eg₂) при изменении X от 1 до 0 и диффузной длиной основных неравновесных носителей заряда Ld. Для достижения оптимального по максимуму разделения генерированных в n₁-вариозном слое 4 и n₂-слое узкозонного полупроводника 5 суммарная толщина этих слоев не должна превышать диффузионной длины основных избыточных носителей. Как показали результаты эксперимента, суммарная толщина этих слоев составляет (0,8-1) Ld, причем она максимальна для полупроводников с наиболее высокой подвижностью носителей. Соотношение толщин n₁-вариозного слоя 4 и n₂-слоя 5 составляет интервал от 1,5:1 до 3:1, который возрастает с ростом подвижности носителей.In the n ₂ -region, a heavily doped n is formed by diffusion or ion implantation on the n ₂ -layer 5

\binom{+}{2}

-Layer 6, with low resistivity, which eliminates the loss of electricity on the resistance of the n-region. Thickness n

\binom{+}{2}

-layer 6 is selected from the condition of minimizing the resistance of the n-region, eliminating the influence of the boundary n

\binom{+}{2}

-layer 6 ohmic contact 7 to the separated charges of the pn junction and should be higher than the diffusion length of the main carriers. As shown by the experimental results, the optimal thickness n

\binom{+}{2}

-layer 6 is (1.1-2) Ld, and it increases for semiconductors with high mobility of the main carriers. On the n ₂ -layer 5 is formed by the method of ion-plasma spraying, liquid-phase or gas-phase epitaxy varizon n ₁ -layer 4, representing a solid solution of intermetallic compounds

. The parameter of the degree of concentration of the component in solution X varies from zero to unity, and from the side of region n, it represents the material of this region, for example, A

\binom{m}{one}

B ⁿ , and from the side of the pn junction it is a material identical to the material of the pn junction, i.e., compound A

\binom{m}{2}

B ⁿ . For example, if the material of the pn junction is AlAs with Eg ₁ 2.15 eV, and the material of the narrow-gap nn ^{+ region} is GaAs with Eg ₂ 1.43 eV, then the various n ₁ -layer 4 is realized from the material Ga _x Al _1-x As, the structure of the lower boundary of the layer with the parameter X = 1 represents GaAs, and the structure of the upper boundary of the layer represents AlAs with the parameter X = 0. The thickness of the varicose n-layer 4 is determined by the rate of change of its band gap (from Eg ₁ to Eg ₂ ) when X varies from 1 to 0 and the diffuse length of the main nonequilibrium charge carriers Ld. In order to achieve the optimum maximum separation between the 4 and n ₂ narrow-gap semiconductor 5 generated in the n ₁ -various layer 5, the total thickness of these layers should not exceed the diffusion length of the main excess carriers. As the experimental results showed, the total thickness of these layers is (0.8-1) Ld, and it is maximum for semiconductors with the highest carrier mobility. The ratio of the thicknesses of the n ₁ -various layer 4 and n ₂ -layer 5 is in the range from 1.5: 1 to 3: 1, which increases with increasing carrier mobility.

Методами жидкофазной, газофазной эпитаксии либо ионно-плазменного распыления на n₁-вариозном слое 4 формируется p-n-переход из широкозонного материала, соответствующего материалу верхней границы n₁-вариозного слоя 4, например AlAs. Ширина p-n-перехода соответствует (0,8-0,9) суммарной толщины n- и p-широкозонных обедненных областей 1 и 2, что обеспечивает оптимальное разделение генерируемых под воздействием фотонов света избыточных носителей заряда в области p-n-перехода, вариозных слоях 3, 4 и n₂-слое 5. Ширина p-n-перехода d (0,8-0,9)W₀, где W₀ суммарная толщина его p- и n-областей, выбрана также из условия, чтобы обеденная область p-n-перехода проникла внутрь p-вариозного слоя 3 и n-вариозного слоя 5, исключая появление локального потенциального барьера в валентной зоне и зоне проводимости структуры P_var p-n-переход n_var.Using the methods of liquid-phase, gas-phase epitaxy or ion-plasma sputtering on an n ₁ -various layer 4, a pn junction is formed from a wide-gap material corresponding to the material of the upper boundary of the n ₁ -various layer 4, for example, AlAs. The width of the pn junction corresponds to (0.8-0.9) the total thickness of the n- and p-wide-gap depleted regions 1 and 2, which ensures the optimal separation of excess charge carriers generated under the influence of photons in the pn junction region, varic layers 3, 4 and n _{2 is the} layer 5. The width of the pn junction d (0.8-0.9) W ₀ , where W _{0 is the} total thickness of its p and n regions, is also chosen so that the dining region of the pn junction penetrates inside the p-varicose layer 3 and n-varicose layer 5, excluding the appearance of a local potential barrier in the valence and conduction bands structures P _var pn junction n _var .

Размещенный на обедненной p-области 2 перехода p-слой 3 включает p-вариознный слой, p⁺-слой и представляет сильнолегированный широкозонный полупроводник, ширина запрещенной зоны которого должна быть выше Eg₁, а его постоянная решетка должна быть мало отличимой от постоянной решетки материала p-n-перехода. Для p-n-перехода из AlAs с Eg₁ 2,15 еВ p-варизонный слой 3 выполнен на основе соединения Cd_xZn_1-xSe, а p⁺-слой 3 выполнен из ZnSe с Eg₃ 2,67 eB, причем несоответствие в решетках этих материалов меньше 2% Толщина p⁺-слоя 3 выбирается из условия минимизации сопротивления p-области ФВП и исключения процессов эффективной поверхностной рекомбинации генерируемых светом носителей на поверхности p-вариозного слоя 3. Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина широкозонного p⁺-слоя 3 составляет (1,5-3) Ld, возрастая с повышением подвижности носителей, а толщина p-вариозного слоя 3 составляет (0,7-0,9) Ld. Нижний омический контакт 7 к n $\binom{+}{2}$ -слою 6 формируется из газовой фазы в виде сплошного слоя, его толщина известна и составляет 1-5 мкм. В качестве нижнего электрода может использоваться кристаллическая жесткая пластина (базовый электрод). Верхний омический контакт 8 к p⁺-слою 3 выполнен решетчатой структурой, свет через проемы которой воздействует на p-обедненную область перехода.Placed on the depleted p-region of transition 2, the p-layer 3 includes a p-variable layer, the p ⁺ layer and represents a heavily doped wide-gap semiconductor, the band gap of which should be higher than Eg ₁ , and its constant lattice should be little distinguishable from the constant lattice of the material pn junction. For the pn junction from AlAs with Eg _1, 2.15 eV, the p-graded-gap layer 3 is made based on the Cd _x Zn _1-x Se compound, and the p ⁺ layer 3 is made of ZnSe with Eg ₃ 2.67 eB, and the discrepancy in the lattices of these materials are less than 2%. The thickness of the p ⁺ layer 3 is selected from the condition of minimizing the resistance of the p-region of the PVF and excluding the processes of effective surface recombination of light-generated carriers on the surface of the p-varic layer 3. As shown by the experimental results, the optimal thickness of the wide-gap p ⁺ layer 3 is (1.5-3) Ld, increasing with increasing carrier mobility and thickness on the p-varicose layer 3 is (0.7-0.9) Ld. Lower ohmic contact 7 to n $\binom{+}{2}$ -layer 6 is formed from the gas phase in the form of a continuous layer, its thickness is known and is 1-5 microns. A crystalline rigid plate (base electrode) can be used as the lower electrode. The upper ohmic contact 8 to the p ⁺ layer 3 is made of a lattice structure, the light through the openings of which acts on the p-depleted transition region.

Для повышения коэффициента поглощения фотонов воздействующего света, либо другого излучения на поверхность p⁺-слоя 3 в области проемов решетчатой структуры верхнего омического контакта 8 наносится просветляющий слой (прозрачный антиотражательный элемент) 9, оптическая плотность которого выше, чем у p⁺-слоя 3. В качестве материала просветляющего слоя обычно используются окислы кремния SiO и SiO₂, а оптимальная толщина просветляющего слоя 9 составляет 0,08-0,15 мкм. Толщина решетчатого слоя верхнего омического контакта 8 составляет 1-5 мкм, а занимаемая им площадь составляет 8 12% от всей площади и p-области устройства.To increase the absorption coefficient of photons of the acting light or other radiation, an antireflection layer (transparent antireflection element) 9 is applied to the surface of the p ⁺ layer 3 in the openings of the lattice structure of the upper ohmic contact 8, the optical density of which is higher than that of the p ⁺ layer 3. Silicon oxides SiO and SiO ₂ are usually used as the material of the antireflection layer, and the optimal thickness of the antireflection layer 9 is 0.08-0.15 μm. The thickness of the lattice layer of the upper ohmic contact 8 is 1-5 μm, and the area occupied by it is 8 12% of the entire area and p-region of the device.

Фотовольтаический преобразователь работает следующим образом. При воздействии квантов света, либо фотонов других источников излучений на рабочую поверхность фотовольтаического преобразователя со стороны решетчатого омического контакта 8 фотоны с энергиями E_i= hν_i< Eg₃[p⁺], где Eg₃[p⁺] - ширина запрещенной зоны p⁺-слоя 3, проходят просветляющий слой 9, p⁺-широкозонный сильнолегированный слой 3 и достигают p-варизонный слой 3 и p-n-переход, где фотоны с энергиями Eg₃ ≥ Ei ≥ Eg₁ поглощаются в p-варизонном слое и в p- и n-обедненных областях 1 и 2 перехода, а фотоны в энергиями Eg₁ ≥ Ei ≥ Eg₂ поглощаются в n₁-варизонном слое 4 и в n₂-слое 5 узкозонного полупроводника, создавая в поглощающих фотоны слоях избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями:
Δn=βη^Iτ_n; Δp = βηIτ_p, (I)
где β квантовый выход; h коэффициент поглощения света; I - интенсивность света; t_n, τ_p время жизни избыточных электронов и дырок. Избыточные носители устремляются к p-n-переходу, разделяются его полем, причем электроны дрейфуют в n-область, а дырки в p-область перехода.The photovoltaic converter operates as follows. Under the influence of light quanta or photons of other radiation sources on the working surface of the photovoltaic converter from the side of the lattice ohmic contact, 8 photons with energies E _i = hν _i <Eg ₃ [p ⁺ ], where Eg ₃ [p ⁺ ] is the band gap p ⁺ -layer 3, pass through the antireflection layer 9, p ⁺ wide-band gap heavily doped layer 3 and reach the p-graded-gap layer 3 and the pn junction, where photons with energies Eg ₃ ≥ Ei ≥ Eg ₁ are absorbed in the p-graded-gap layer and in the p- and n-depleted regions of transitions 1 and 2, and photons in energies Eg ₁ ≥ Ei ≥ Eg ₂ are absorbed in the n ₁ -varison layer е 4 and in the n ₂ -layer 5 of a narrow-gap semiconductor, creating an excess concentration of electrons and holes in the photon-absorbing layers in accordance with the dependences:
Δn = βη ^I τ _n ; Δp = βηIτ _p , (I)
where β is the quantum yield; h light absorption coefficient; I - light intensity; t _n , τ _p the lifetime of excess electrons and holes. Excess carriers rush toward the pn junction, are separated by its field, with the electrons drifting to the n-region and the holes to the p-junction.

Вследствие разделения зарядов через p-n-переход течет ток

и возникает фотоЭДС, максимальное значение которой при холостом ходе

где I_ф максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности; I_s ток насыщения, U_a приложенное к p-n-переходу собственное напряжение.Due to the separation of charges, a current flows through the pn junction

and there is photo-emf, the maximum value of which at idle

where I _{f is the} maximum photocurrent density corresponding to a given illumination; I _s is the saturation current, U _{a is the} self-voltage applied to the pn junction.

В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями с концентрациями Δn и Δp, определяется выражением
I_ф= e(Δnμ_и+Δpμ_p) Ea. (4)
Поскольку структурой фотовольтаического преобразователя активно поглощается широкий спектр фотонов с энергиями от Eg₃, Eg₁ до Eg₂, то избыточные концентрации Δn и Δp в предложенном устройстве значительно выше, чем у прототипа, где активно поглощаются только лишь фотоны с энергией, равной Eg₁.In the general case, for a given light intensity, the photocurrent due to excess carriers with concentrations Δn and Δp is determined by the expression
I _f = e (Δnμ _and + Δpμ _p ) Ea. (4)
Since the structure of the photovoltaic converter actively absorbs a wide range of photons with energies from Eg ₃ , Eg ₁ to Eg ₂ , the excess concentration Δn and Δp in the proposed device is much higher than that of the prototype, where only photons with an energy equal to Eg _{1 are} actively absorbed.

При замыкании на нагрузку внешней цепи фотовольтаический преобразователь отдает в нее мощность

а ее максимальное значение P_am U_am • I_am.When an external circuit is shorted to a load, the photovoltaic converter gives power to it

and its maximum value is P _am U _am • I _am .

При условии равенства значений токов в предложенном устройстве и прототипе (практически I_a[3] ≥ I_a[n]) соотношение их выходных мощностей определяется соотношением напряжений, т.е.Provided that the values of the currents in the proposed device and prototype are equal (practically I _{a [3]} ≥ I _{a [n]} ), the ratio of their output powers is determined by the ratio of voltages, i.e.

мощности, токи и напряжения заявляемого устройства и прототипа соответственно.

power, currents and voltages of the claimed device and prototype, respectively.

Создано экспериментальное устройство фотовольтаический преобразователь с p-n-переходом на основе арсенида алюминия. n-область ФВП представляет слой n $\binom{+}{2}$ из GaAs толщиной 2,8 мкм, легированный Te с концентрацией N_D≃ 3•10¹⁹ см^-3, n₂-слой выполнен также из GaAs, легированного Te с концентрацией N_D≃ 10¹⁶ см^-3, толщиной 0,3 мкм, варизонный слой n_1var выполнен из соединения Ga_xAl_1-xAs, легирован Te с концентрацией N_D≃ 10¹⁶ см^-3 и толщиной 0,5 0,6 мкм. Его ширина запрещенной зоны изменяется от 1,43 еВ до 2,15 еВ.An experimental device for a photovoltaic converter with a pn junction based on aluminum arsenide has been created. The n-region of the FVP represents the layer n $\binom{+}{2}$ of GaAs 2.8 μm thick, doped with Te with a concentration of N _D ≃ 3 • 10 ¹⁹ cm ^-3 , the n ₂ -layer is also made of GaAs doped with Te with a concentration of N _D ≃ 10 ¹⁶ cm ^-3 , 0.3 μm thick The graded-gap layer n _{1var is} made of a compound Ga _x Al _1-x As, doped with Te with a concentration of N _D ≃ 10 ¹⁶ cm ^-3 and a thickness of 0.5 0.6 μm. Its band gap varies from 1.43 eV to 2.15 eV.

p-n-переход реализован на основе AlAs, его n-область легирована Te с концентрацией

, а его p-область легирована Cd с концентрацией N_A≃ 10¹⁷ см^-3 Суммарная толщина p-n-перехода составляет 0,65 мкм, что составляет 0,9 W₀. P-область ВФП содержит варизонный слой P_var, выполненный на основе соединения Cd_xZn_1-xSe, причем параметр степени концентрации X изменяется от 0 до 0,3, его ширина запрещенной зоны изменяется от 2,15 еВ до 2,67 еВ. Варизонный p-слой 3 легирован Cu с концентрацией N_A≃ 10¹⁶ см^-3, обладает толщиной 0,60 мкм, p⁺-сильнолегированный слой 3 выполнен из селенида цинка, легированного Cu с концентрацией N_A≃ 10¹⁹ см^-3. Его толщина составляет 2,3 мкм.The pn junction is based on AlAs; its n-region is doped with Te with a concentration

, and its p-region is doped with Cd with a concentration of N _A ≃ 10 ¹⁷ cm ^-3 The total thickness of the pn junction is 0.65 μm, which is 0.9 W ₀ . The P-region of the WFP contains a graded-gap layer P _var made on the basis of the Cd _x Zn _1-x Se compound, and the concentration parameter X varies from 0 to 0.3, its band gap varies from 2.15 eV to 2.67 eV . The graded-gap p-layer 3 is doped with Cu with a concentration of N _A ≃ 10 ¹⁶ cm ^-3 , has a thickness of 0.60 μm, the p ⁺ strongly doped layer 3 is made of zinc selenide doped with Cu with a concentration of N _A ≃ 10 ¹⁹ cm ^-3 . Its thickness is 2.3 microns.

Нижний сплошной омический контакт реализован структурой Te-Al-Ni общей толщиной 1 мкм. Верхний решетчатый, омический контакт изготовлен структурой Cu-Al-Ni общей толщиной 2 мкм. Занимаемая верхним контактом площадь на p⁺-слое составляет 12% рабочая площадь p⁺-слоя S 1x1 см².The lower continuous ohmic contact is realized by the Te-Al-Ni structure with a total thickness of 1 μm. The upper latticed, ohmic contact is made of a Cu-Al-Ni structure with a total thickness of 2 μm. The area occupied by the upper contact on the p ⁺ layer is 12% of the working area of the p ⁺ layer S 1x1 cm ² .

Экспериментальный фотовольтаический преобразователь при интенсивности солнечного излучения с энергией P_вх 65 мВт/см² обладает следующими параметрами: U_am≃ 1,48 В; I_am≃ 21 мА/см², выходная мощность P_am≃ 20-30 мВт/см²; T_доп ≥ 150^oC.An experimental photovoltaic converter with the intensity of solar radiation with an energy of P _in 65 mW / cm ² has the following parameters: U _am ≃ 1.48 V; I _am ≃ 21 mA / cm ² , output power P _am ≃ 20-30 mW / cm ² ; T _add ≥ 150 ^o C.

Для прототипа эти параметры составляют: U_am 0,78 В; I_am 12 мА/см²; P_am≃ 6 мВт/см²; T_доп ≅ 100 В.For the prototype, these parameters are: U _am 0.78 V; I _am 12 mA / cm ² ; P _am ≃ 6 mW / cm ² ; T _add ≅ 100 V.

На базе предлагаемого устройства может быть создана экономичная солнечная батарея требуемых размеров и мощностей. On the basis of the proposed device, an economical solar battery of the required sizes and capacities can be created.

Таким образом, благодаря тому, что в предложенном фотовольтаическом преобразователе p-n-переход размещен в более широкозонной части структуры, p-область фотовольтаического преобразователя содержит последовательно контактирующие p⁺-сильнолегированный широкозонный слой, p-варизонный слой, широкозонную обедненную p-область перехода, а n-область фотовольтаического преобразователя включает последовательно контактирующие широкозонную обедненную n-область перехода, варизонный n-слой и n-n⁺ узкозонную область, т.е. p-n-переход снабжен дополнительным варизонным слоем в более узкозонной его части, причем обедненный слой p-n-перехода заходит в варизонные слои, достигается поставленная цель более, чем в 3 раза возрастает выходная мощность с 6 мВт/см² у прототипа до 20 мВт/см² у предлагаемого устройства, более чем в 1,5 раза возрастает фотоЭДС с 0,78 В у прототипа до 1,46 В у предлагаемого устройства, и более чем в 1,5 раза возрастает допустимая рабочая температура.Thus, due to the fact that the pn junction in the proposed photovoltaic converter is located in a wider band part of the structure, the p-region of the photovoltaic converter contains sequentially contacting p ⁺ strongly doped wide-gap layer, p-graded-gap layer, wide-gap depleted p-region of transition, and n The -voltage region of the photovoltaic converter includes sequentially contacting a wide-band depleted n-region junction, a graded-gap n-layer and nn ⁺ narrow-gap region, i.e. The pn junction is equipped with an additional graded-gap layer in its narrower-gap part, the depleted pn junction layer entering the graded-gap layers, the goal is achieved, the output power increases by more than 3 times from 6 mW / cm ^{2 of} the prototype to 20 mW / cm ² the proposed device, more than 1.5 times the photo-emf increases from 0.78 V in the prototype to 1.46 V in the proposed device, and the permissible operating temperature increases more than 1.5 times.

Технико-экономические преимущества предлагаемого фотовольтаического преобразователя в сравнении с базовым устройством-прототипом и другими аналогами:
1. Более, чем в три раза возрастает выходная мощность.Technical appraisal and economic advantages of the proposed photovoltaic converter in comparison with the basic prototype device and other analogues:
1. More than three times the output power.

2. Более, чем в 1,5 раза возрастает фотоЭДС (при одинаковой степени освещенности). 2. Photo-emf increases more than 1.5 times (with the same degree of illumination).

3. Более, чем в 1,5 раза возрастает предельная рабочая температура. 3. The maximum operating temperature rises by more than 1.5 times.

Claims

A photovoltaic converter containing a pn junction formed by wide-gap p- and n-type semiconductors, and ohmic contacts, characterized in that a p-type graded-gap layer and a heavily doped p-type layer are sequentially made on the surface of the p-type semiconductor the surfaces of a wide-gap n-type semiconductor are successively made of an n-type graded-gap layer, an n-type semiconductor layer, narrower than that used to form the pn junction of an n-type semiconductor and a high-alloy layer Nogo n-type semiconductor, the p-n-junction and both graded-gap layer is formed so that the depletion region enters the graded-gap layers to a depth of 0.1 0.2 of the total thickness of the layers forming the p-n-junction.