RU2364007C1

RU2364007C1 - Multi-layer photo converter

Info

Publication number: RU2364007C1
Application number: RU2008102918/28A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Андреев (RU); Вячеслав Михайлович Андреев; Николай Александрович Калюжный (RU); Николай Александрович Калюжный; Владимир Михайлович Лантратов (RU); Владимир Михайлович Лантратов; Сергей Александрович Минтаиров (RU); Сергей Александрович Минтаиров
Original assignee: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2009-08-10

Abstract

FIELD: semiconductors.

SUBSTANCE: invention relates to solid-state photo converters, particularly, to multi-transition solar photo elements to convert solar radiation energy into electric power and can be used solid-state industry for production of solar power generation systems. Proposed converter comprises solid metal terminal, substrate made from p⁺-GaAs, bottom element, tunnel diode, top element and metal contact screen with contact sublayer. Lower element comprises p-layer of rear potential barrier, base p-layer, emitter n-layer and n-layer of wide-zone hole. Tunnel diode comprises n⁺⁺-layer and p⁺⁺-layer from AIGaAs. Top element comprises p-layer of the rear potential barrier, base p-layer, 0.35 to 0.70 mcm-thick, emitter n-layer and n-layer of wide-zone hole.

EFFECT: improved photo converter parameters.

10 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к многопереходным (каскадным) солнечным фотоэлементам, которые преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.The invention relates to semiconductor photoconverters, in particular to multi-junction (cascade) solar photocells that convert the energy of solar radiation into electrical energy, and can be used in the semiconductor industry to create systems for generating electrical energy.

Мировой рынок наземных солнечных фотоэлектрических систем растет в среднем на 30% в год с 2000 г. Согласно оценкам объем рынка фотоэнергосистем в 2020 г. превысит 50 ГВт/год, т.е. за 15 лет объем рынка увеличится в 25 раз. Однако развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразователей (солнечных элементов), важнейшим параметром которых является эффективность преобразования солнечной энергии (КПД).The global market for terrestrial solar PV systems has been growing on average by 30% per year since 2000. According to estimates, the market size of photovoltaic systems in 2020 will exceed 50 GW / year, i.e. in 15 years, the market will increase 25 times. However, the development of solar energy requires continuous improvement of the characteristics of photoconverters (solar cells), the most important parameter of which is the efficiency of solar energy conversion (COP).

Одним из наиболее успешных направлений развития солнечных элементов является использование гетероструктур. Наибольшей эффективностью преобразования (до 40%) обладают каскадные гетероструктурные фотопреобразователи на основе соединений А³B⁵, которые находят свое применение в наземных (концентраторных) и космических солнечных батареях. Важным преимуществом гетероструктурных СЭ на основе соединений А³B⁵, обуславливающим экономическую перспективность их использования в наземных условиях, является также их способность эффективно преобразовывать концентрированное солнечное излучение, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения и существенно снизить стоимость солнечной энергии.One of the most successful directions in the development of solar cells is the use of heterostructures. The highest conversion efficiency (up to 40%) is possessed by cascade heterostructure photoconverters based on A ³ B ⁵ compounds, which are used in terrestrial (concentrator) and space solar cells. An important advantage of heterostructure SCs based on compounds A ³ B ⁵ , which makes them economically viable for use under terrestrial conditions, is also their ability to efficiently convert concentrated solar radiation, which reduces the consumption of semiconductor materials in proportion to the concentration factor of solar radiation and significantly reduces the cost of solar energy.

Известен многопереходный фотопреобразователь (см. патент US №4667059, H01L 31/0304, опубликован 19.05.1987), включающий нижний элемент с фотоактивным р-n переходом для преобразования фотонов низкой энергии, выполненный из GaAs, содержащий p-GaAs базовый слой толщиной 2,9-3,1 мкм, осажденный на подложку p⁺-GaAs, выполняющую роль тыльного потенциально барьера, и n-GaAs эмиттерный слой толщиной 0,1-0,3 мкм, осажденный на p-GaAs слой; верхний элемент с фотоактивным p-n переходом для преобразования фотонов высокой энергии, выполненный из Ga_xln_1-xP, содержащий p⁺-Ga_xln_1-xP слой, выполняющий роль тыльного потенциального барьера, осажденный на n-GaAs слой, p-Ga_xln_1-xP базовый слой толщиной 2,9-3,1 мкм, осажденный на p⁺-Ga_xln_1-xP слой и n-Ga_xln_1-xP эмиттерный слой толщиной 0,05-0,15 мкм, осажденный на p-Ga_xln_1-xP слой и низкоомную развязку между верхним и нижним элементами, представляющую собой p⁺/n⁺ туннельный диод. Состав твердого раствора Ga_xln_1-xP, используемого в качестве материала для верхнего перехода, находится в диапазоне 0,505≤×≤0,515, что позволяет реализовать согласованные по параметру решетки с GaAs слоями в диапазоне температур 300-900 К. Ширина запрещенной зоны верхнего и нижнего переходов составляет порядка 1,9 эВ и порядка 1,4 эВ соответственно.Known multi-junction photoconverter (see US patent No. 46667059, H01L 31/0304, published 05/19/1987), comprising a lower element with a photoactive pn junction for converting low-energy photons made of GaAs, containing a p-GaAs base layer 2 thick, 9-3.1 μm deposited on a p ⁺ -GaAs substrate acting as a potential back barrier, and an n-GaAs emitter layer 0.1-0.3 μm thick deposited on a p-GaAs layer; top element with a photoactive pn junction for converting high-energy photons made of Ga _x ln _1-x P containing a p ⁺ -Ga _x ln _1-x P layer acting as a back potential barrier deposited on an n-GaAs layer, p- Ga _x ln _1-x P base layer 2.9-3.1 μm thick deposited on the p ⁺ -Ga _x ln _1-x P layer and n-Ga _x ln _1-x P emitter layer 0.05-0 , 15 μm, deposited on a p-Ga _x ln _1-x P layer and a low-impedance decoupling between the upper and lower elements, which is a p ⁺ / n ⁺ tunneling diode. The composition of the Ga _x ln _1-x P solid solution used as the material for the upper transition is in the range 0.505 ≤ × ≤0.515, which makes it possible to realize lattice-matched GaAs layers in the temperature range 300–900 K. The band gap of the upper and lower transitions is about 1.9 eV and about 1.4 eV, respectively.

Недостатками данной структуры являются: отсутствие "широкозонных" окон - потенциальных барьеров на границах эмиттерных слоев, что приводит к заметному падению коротковолновой чувствительности GalnP и GaAs переходов и выражается в меньших токах короткого замыкания и КПД для приборов на основе такой структуры; большая толщина p-Ga_xln_1-xP базового слоя, при которой невозможно достижение согласования по току верхнего и нижнего переходов как для наземного, так и для космического спектров и расположение тыльного потенциального барьера для нижнего элемента на металлургической границе подложка-эпитаксиальный слой, которая может характеризоваться наличием рекомбинационных центров и проявляться в виде пониженной длинноволновой чувствительности GaAs элемента каскада.The disadvantages of this structure are: the absence of "wide-gap" windows - potential barriers at the boundaries of the emitter layers, which leads to a noticeable decrease in the short-wavelength sensitivity of GalnP and GaAs junctions and is expressed in lower short-circuit currents and efficiency for devices based on such a structure; a large thickness p-Ga _x ln _1-x P of the base layer, at which it is impossible to achieve current matching of the upper and lower transitions for both the ground and space spectra and the location of the back potential barrier for the lower element at the metallurgical interface between the substrate and epitaxial layer, which can be characterized by the presence of recombination centers and manifest itself in the form of a reduced long-wavelength sensitivity of the GaAs cascade element.

Известен многослойный фотопреобразователь (см. Tatsuya Takamoto, Eiji Ikeda, and Hiroshi Kurita, - "Over 30% efficient InGaP/GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 70 (3), 1997), включающий p⁺-GaAs подложку с уровнем легирования атомами Zn <1·10¹⁹ с последовательно осажденными на нее слоями: буферного слоя p⁺-GaAs (7·10¹⁸ Zn) толщиной 0,3 мкм, p⁺-GalnP (2·10¹⁸ Zn) тыльного потенциального барьера для нижнего перехода толщиной 0,1 мкм, p-GaAs (1·10¹⁷ Zn) базового слоя нижнего перехода толщиной 3 мкм, n⁺-GaAs (2·10¹⁸ Si) эмиттерного слоя нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n⁺-AllnP (1·10¹⁹ Si) широкозонного окна нижнего элемента толщиной 0,05 мкм, n⁺-GalnP (1·10¹⁹ Si) слоя туннельного диода толщиной 0,015 мкм, p⁺-GalnP (8·10¹⁸ Zn) слоя туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слоев p⁺-AIInP (<1·10¹⁸ Zn) толщиной 0,03 мкм и p⁺-GaInP (2·10¹⁸ Zn) толщиной 0,03 мкм, являющихся комбинированным тыльным потенциальным барьером верхнего элемента, р-GaInP (1,5·10¹⁷ Zn) базового слоя верхнего элемента толщиной 0,55 мкм, n⁺-GaInP (2·10¹⁸ Si) эмиттерного слоя верхнего элемента толщиной 0,05 мкм, n⁺-AIInP (<8·10¹⁸ Si) широкозонного окна верхнего элемента толщиной 0,3 мкм и контактного слоя p⁺-GaAs толщиной 0,3 мкм.A multilayer photoconverter is known (see Tatsuya Takamoto, Eiji Ikeda, and Hiroshi Kurita, - "Over 30% efficient InGaP / GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 70 (3), 1997), including p ⁺ -GaAs a substrate with a doping level of Zn atoms <1 · 10 ¹⁹ with successively deposited layers: a p ⁺ -GaAs (7 · 10 ¹⁸ Zn) buffer layer 0.3 μm thick, p ⁺ -GalnP (2 · 10 ¹⁸ Zn) back potential of the barrier for the lower transition with a thickness of 0.1 μm, p-GaAs (1 · 10 ¹⁷ Zn) of the base layer of the lower transition with a thickness of 3 μm, n ⁺ -GaAs (2 · 10 ¹⁸ Si) of the emitter layer of the lower element with a thickness of 0.1 μm, n ⁺ -AllnP (1 · 10 ¹⁹ Si) of a wide-gap window of the lower element 0.05 thick μm, n ⁺ -GalnP (1 · 10 ¹⁹ Si) of the tunnel diode layer 0.015 μm thick, p ⁺ -GalnP (8 · 10 ¹⁸ Zn) of the tunnel diode layer 0.015 μm thick, p ⁺ -AIInP layers (<1 · 10 ¹⁸ Zn ) 0.03 μm thick and p ⁺ -GaInP (2 · 10 ¹⁸ Zn) 0.03 μm thick, which are the combined back potential barrier of the upper element, p-GaInP (1.5 · 10 ¹⁷ Zn) of the base layer of the upper element 0 , 55 μm, n ⁺ -GaInP (2 · 10 ¹⁸ Si) of the emitter layer of the upper element 0.05 μm thick, n ⁺ -AIInP (<8 · 10 ¹⁸ Si) of the wide-gap window of the upper element 0.3 μm thick and the contact layer p ⁺ -GaAs 0.3 μm thick.

Недостатками известного многослойного фотопреобразователя являются: наличие гетерограниц между фосфидными и арсенидными слоями, характеризующихся повышенными скоростями поверхностной рекомбинации, внутри фотоактивной части нижнего GaAs элемента каскадного фотопреобразователя вследствие использования GaInP и AIInP в качестве тыльного потенциального барьера и широкозонного окна для этого элемента, что может приводить к падению спектральной чувствительности, уменьшению тока короткого замыкания и снижению эффективности преобразования для такой структуры; использование широкозонных твердых растворов GaInP для создания туннельного диода, что обуславливает падение пикового тока туннелирования и увеличение последовательного сопротивления такого диода и приводит к потерям мощности внутри структуры фотопреобразователя и использование атомов Zn, обладающих большим коэффициентом диффузии, в качестве легирующей примеси для слоя туннельного диода и, как следствие, низкая концентрация атомов Zn в p⁺-GaInP слое туннельного диода, увеличивающая последовательное сопротивление диода.The disadvantages of the known multilayer photoconverter are: the presence of heterointerfaces between phosphide and arsenide layers, characterized by increased surface recombination rates, inside the photoactive part of the lower GaAs element of the cascade photoconverter due to the use of GaInP and AIInP as the back potential barrier and wide-gap window for this element, which can lead to a drop in this spectral sensitivity, reducing short circuit current and reducing conversion efficiency for I have such a structure; the use of GaInP wide-gap solid solutions to create a tunneling diode, which causes a drop in the peak tunneling current and an increase in the series resistance of such a diode and leads to power losses inside the photoconverter structure and the use of Zn atoms with a large diffusion coefficient as a dopant for the tunneling diode layer and, as a result, a low concentration of Zn atoms in the p ⁺ -GaInP layer of the tunnel diode, which increases the series resistance of the diode.

Известен двухпереходный солнечный элемент (см. патент US №6281426, H01L 25/00, опубликован 28.08.2001), выполненный из материалов, согласованных по параметру решетки с подложками GaAs или Ge, который включает: первый элемент, расположенный на подложке, включающий, по крайней мере, один полупроводниковый слой p-проводимости и один полупроводниковый слой n-проводимости, состоящий из (GaAs)_xGe_1-x или других твердых растворов с шириной запрещенной зоны в диапазоне 0,67-1,3 эВ, второй элемент, расположенный на первом элементе, включающий, по крайней мере, один полупроводниковый слой р-проводимости и один полупроводниковый слой n-проводимости, состоящий из твердых растворов GaInAsP, GaInNP, AIGaAs или GaInAsNP и туннельного диода, расположенного между первым и вторым элементами.A two-junction solar cell is known (see US patent No. 6281426, H01L 25/00, published 08/28/2001) made of materials matched by the lattice parameter with GaAs or Ge substrates, which includes: a first element located on the substrate, including at least one p-conductivity semiconductor layer and one n-conductivity semiconductor layer consisting of (GaAs) _x Ge _1-x or other solid solutions with a band gap in the range of 0.67-1.3 eV, the second element located on the first element, including at least one half-wire nicks layer p-conductivity semiconductor layer and a n-conductivity, solid solutions consisting of GaInAsP, GaInNP, AIGaAs or GaInAsNP and tunnel diode disposed between said first and second members.

Недостатками известного двухпереходного солнечного элемента являются: отсутствие тыльных потенциальных барьеров и широкозонных окон у верхнего и нижнего переходов, что приводит к значительным потерям в спектральной чувствительности и КПД приборов на основе такой структуры.The disadvantages of the known two-junction solar cell are: the absence of rear potential barriers and wide-gap windows at the upper and lower junctions, which leads to significant losses in spectral sensitivity and efficiency of devices based on such a structure.

Известен многослойный фотопреобразователь (см. К.A.Bertness, Sarah R.Kurtz, D.J.Friedman, A.E.Kibbler, C.Kramer, and J.M.Olson, - "29.5% - efficient GaInP/GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 65 (8), 1994), включающий p-GaAs подложку, легированную атомами Zn с последовательно осажденными на нее слоями: буферного слоя p-GaAs (3·10¹⁷ Zn) толщиной 0,2 мкм, p-GaInP (3·10¹⁷ Zn) тыльного потенциального барьера для нижнего перехода толщиной 0,07 мкм, p-GaAs (8·10¹⁶ Zn) базового слоя нижнего перехода толщиной 3,5 мкм, n-GaAs (1·10¹⁸ Se) эмиттерного слоя нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-GaInP (1·10¹⁸ Se) широкозонного окна нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n⁺-GaAs (1·10¹⁹ Se) слоя туннельного диода толщиной 0,011 мкм, p⁺-GaAs (8·10¹⁹ С) слоя туннельного диода толщиной 0,011 мкм, p⁺-GaInP (3·10¹⁸ Zn) тыльного потенциального барьера верхнего элемента толщиной 0,05 мкм, p-GaInP (1.5·10¹⁷ Zn) базового слоя верхнего элемента толщиной 0,5 или 0,6 мкм, n⁺-GaInP (2·10¹⁸ Se) эмиттерного слоя верхнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AIInP (4·10¹⁷ Si) широкозонного окна верхнего элемента толщиной 0,025 мкм и контактного слоя p⁺-GaAs толщиной 0,5 мкм.A multilayer photoconverter is known (see K. A. Bertness, Sarah R. Kurtz, DJ Friedman, AEKibbler, C. Kramer, and JMOlson, - "29.5% - efficient GaInP / GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 65 (8), 1994), which includes a p-GaAs substrate doped with Zn atoms with successively deposited layers: a p-GaAs (3 × 10 ¹⁷ Zn) buffer layer 0.2 μm thick, p-GaInP (3 × 10 ¹⁷ Zn ) the back potential barrier for the lower junction with a thickness of 0.07 μm, p-GaAs (8 · 10 ¹⁶ Zn) of the base layer of the lower junction with a thickness of 3.5 μm, n-GaAs (1 · 10 ¹⁸ Se) emitter layer of the lower element with a thickness of 0, 1 μm, n-GaInP (1 · 10 ¹⁸ Se) wide-gap window of the lower element 0.1 μm thick, n ⁺ - GaAs (1 · 10 ¹⁹ Se) layer of the tunnel diode 0.011 μm thick, p ⁺ -GaAs (8 · 10 ¹⁹ С) the layer of the tunnel diode 0.011 μm thick, p ⁺ -GaInP (3 · 10 ¹⁸ Zn) of the back potential barrier of the upper element with a thickness 0.05 μm, p-GaInP (1.5 · 10 ¹⁷ Zn) of the base layer of the upper element with a thickness of 0.5 or 0.6 μm, n ⁺ -GaInP (2 · 10 ¹⁸ Se) emitter layer of the upper element with a thickness of 0.1 μm, n-AIInP (4 · 10 ¹⁷ Si) wide-gap window of the upper element with a thickness of 0.025 μm and a p ⁺ -GaAs contact layer with a thickness of 0.5 μm.

Недостатками известного многослойного фотопреобразователя являются: наличие гетерограниц между слоями GaInP и GaAs, характеризующихся повышенной скоростью поверхностной рекомбинации, в нижнем элементе каскадной структуры, приводящее к падению КПД приборов; использование узкозонных слоев GaAs для создания туннельного диода, что приводит к потере части фотонов, преобразующихся в нижнем элементе, за счет поглощения в слоях туннельного диода, и выражается в меньшем токе короткого замыкания и КПД такой структуры; и повышение вредности работы персонала вследствие применение атомов Se для получения слоев n-проводимости, что связано с высокой токсичностью селена и его молекулярных соединений.The disadvantages of the known multilayer photoconverter are: the presence of heteroboundaries between the GaInP and GaAs layers, characterized by an increased surface recombination rate, in the lower element of the cascade structure, leading to a drop in the efficiency of the devices; the use of narrow-gap GaAs layers to create a tunneling diode, which leads to the loss of part of the photons converted in the lower element due to absorption in the layers of the tunneling diode, and is expressed in a lower short-circuit current and efficiency of such a structure; and an increase in the harmfulness of personnel work due to the use of Se atoms to obtain n-conductivity layers, which is associated with the high toxicity of selenium and its molecular compounds.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является многослойный фотопреобразователь (см. патент US №5223043, H01L 31/068, опубликован 29.06.1993), принятый за прототип и включающий последовательно осажденные на подложку p⁺-GaAs p-GaAs базовый слой нижнего перехода толщиной 3,5 мкм, n-GaAs эмиттерный слой нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AIGaAs широкозонное окно нижнего элемента толщиной 0,1 мкм, n⁺-GaAs слой туннельного диода толщиной 0,01-0,02 мкм, p⁺-GaAs слой туннельного диода толщиной 0,01-0,02 мкм, p-GaInP базовый слой верхнего элемента толщиной 0,7 мкм, n-GaInP эмиттерный слой верхнего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AIInP широкозонное окно верхнего элемента толщиной 0,03 мкм и контактный слой.The closest to the claimed technical solution for the combination of essential features is a multilayer photoconverter (see US patent No. 52223043, H01L 31/068, published 06/29/1993), adopted as a prototype and includes a base layer sequentially deposited on a p ⁺ -GaAs p-GaAs substrate lower junction thickness of 3.5 μm, n-GaAs emitter layer of the lower element 0.1 μm thick, n-AIGaAs wide-gap window of the lower element 0.1 μm thick, n ⁺ -GaAs layer of the tunneling diode 0.01-0.02 μm thick , p ⁺ -GaAs layer of a tunneling diode 0.01-0.02 μm thick, p-GaInP base layer upper about an element 0.7 microns thick, n-GaInP emitter layer of an upper element 0.1 microns thick, n-AIInP wide-gap window of an upper element 0.03 microns thick and a contact layer.

Недостатками известного многослойного фотопреобразователя-прототипа являются: расположение тыльного потенциального барьера для нижнего элемента каскада на металлургической границе подложка-эпитаксиальный слой, что может выражаться в падении длинноволновой чувствительности нижнего перехода на основе GaAs и эффективности преобразования каскадной структуры в целом; отсутствие тыльного потенциального барьера для верхнего элемента каскада, понижающее ток коротко замыкания этого перехода и КПД структуры в целом; и использование узкозонных слоев GaAs для создания туннельного диода, приводящее к потерям, связанным с повышенным поглощением полезного излучения в узкозонных слоях туннельного диода.The disadvantages of the known multi-layer photoconverter prototype are: the location of the back potential barrier for the lower cascade element at the metallurgical interface between the substrate and the epitaxial layer, which may result in a decrease in the long-wavelength sensitivity of the lower GaAs-based transition and overall conversion efficiency of the cascade structure; the absence of a rear potential barrier for the upper element of the cascade, which reduces the short circuit current of this transition and the efficiency of the structure as a whole; and the use of narrow-gap GaAs layers to create a tunnel diode, resulting in losses associated with increased absorption of useful radiation in the narrow-gap layers of the tunnel diode.

Задачей заявляемого технического решения является улучшение параметров многослойного фотопреобразователя, работающего как в условиях космоса, так и в наземных условиях, посредством повышения тока, генерируемого такими элементами.The objective of the proposed technical solution is to improve the parameters of a multilayer photoconverter operating both in space and in terrestrial conditions, by increasing the current generated by such elements.

Поставленная задача достигается тем, что многослойный фотопреобразователь содержит последовательно расположенные сплошной металлический контакт, подложку, выполненную из p⁺-GaAs, нижний элемент, туннельный диод, верхний элемент и металлическую контактную сетку с контактным подслоем. Нижний элемент включает последовательно расположенные p-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой, эмиттерный n-слой и n-слой широкозонного окна. Туннельный диод включает n⁺⁺-слой и p⁺⁺-слой, выполненный из AIGaAs. Верхний элемент включает p-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерный n-слой и n-слой широкозонного окна.The problem is achieved in that the multilayer photoconverter contains a solid metal contact arranged in series, a substrate made of p ⁺ -GaAs, a lower element, a tunnel diode, an upper element and a metal contact grid with a contact sublayer. The lower element includes the sequentially located p-layer of the back potential barrier, the base p-layer, the emitter n-layer and the n-layer of the wide-gap window. The tunnel diode includes an n ⁺⁺ layer and a p ⁺⁺ layer made of AIGaAs. The upper element includes a p-layer of the back potential barrier, a base p-layer 0.35-0.70 μm thick, an emitter n-layer and an n-layer of a wide-gap window.

На фронтальную поверхность фотопреобразователя может быть нанесено просветляющее покрытие.An antireflective coating may be applied to the front surface of the photoconverter.

Толщина базового слоя верхнего элемента может предпочтительно составлять 0,4 мкм для спектра АМ0 (космический спектр), а для спектра AM1,5D (стандартизированный наземный спектр) - 0,65 мкм.The thickness of the base layer of the upper element may preferably be 0.4 μm for the AM0 spectrum (space spectrum) and 0.65 μm for the AM1.5D spectrum (standardized ground-based spectrum).

Базовый и эмиттерный слои нижнего элемента фотопреобразователя могут быть выполнены из GaAs, а базовый и эмиттерный слои верхнего элемента могут быть выполнены из твердого раствора Ga_0.52ln_0.48P, согласованного по параметру решетки с GaAs.The base and emitter layers of the lower element of the photoconverter can be made of GaAs, and the base and emitter layers of the upper element can be made of solid solution Ga _0.52 ln _0.48 P, matched by the lattice parameter with GaAs.

В фотопреобразователе толщина базового слоя нижнего элемента может составлять 3,1 мкм при уровне легирования атомами цинка 2·10¹⁷, толщина эмиттерного слоя нижнего элемента может составлять 0,1 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10¹⁸, уровень легирования атомами цинка базового слоя верхнего элемента может составлять 1·10¹⁷, толщина эмиттерного слоя верхнего элемента может составлять 0,05 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10¹⁸.In a photoconverter, the thickness of the base layer of the lower element can be 3.1 μm at a level of doping with zinc atoms of 2 · 10 ¹⁷ , the thickness of the emitter layer of the lower element can be 0.1 μm at a level of doping with silicon atoms of 2 · 10 ¹⁸ , the level of doping of zinc atoms with a base layer the upper element can be 1 · 10 ¹⁷ , the thickness of the emitter layer of the upper element can be 0.05 μm at a doping level of silicon atoms of 2 · 10 ¹⁸ .

При этом широкозонное окно нижнего элемента может быть выполнено из твердого раствора Al_0.8Ga_0.2As толщиной 0,04 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁷, n⁺⁺-слой туннельного диода может быть выполнен из GaAs толщиной 0,015 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10¹⁸, p⁺⁺-слой туннельного диода может быть выполнен из Al_0.4Ga_0.6As толщиной 0,015 мкм и уровнем легирования атомами углерода 6·10¹⁹, тыльный потенциальный барьер верхнего элемента может быть выполнен из твердого раствора Ga_0.52ln_0.48P толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами цинка 2·10¹⁸, широкозонное окно верхнего элемента может быть выполнено из твердого раствора Аl_0.53ln_0.47Р, согласованного по параметру решетки с GaAs, толщиной 0,03 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁷, а контактный слой может быть выполнен из GaAs толщиной 0,5 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10¹⁸.In this case, the wide-gap window of the lower element can be made of an Al _0.8 Ga _0.2 As solid solution with a thickness of 0.04 μm and a doping level of 1 · 10 ¹⁷ silicon atoms, the n ⁺⁺ layer of a tunneling diode can be made of 0.015 μm GaAs and a doping level silicon atoms 5 · 10 ¹⁸ , the p ⁺⁺ layer of the tunneling diode can be made of Al _0.4 Ga _0.6 As 0.015 μm thick and the level of doping with carbon atoms 6 · 10 ¹⁹ , the back potential barrier of the upper element can be made of Ga _0.52 ln solid solution _0.48 P 0.1 μm thick and doping with zinc atoms 2 · 1 0 ¹⁸ , the wide-gap window of the upper element can be made of Al _0.53 ln _0.47 Р solid solution, matched by the lattice parameter with GaAs, 0.03 μm thick and the level of doping with silicon atoms is 1 · 10 ¹⁷ , and the contact layer can be made of GaAs with a thickness 0.5 μm and the level of doping with silicon atoms is 2 · 10 ¹⁸ .

Тыльный потенциальный барьер нижнего элемента может быть выполнен из слоя GaAs толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами цинка 2·10¹⁸.The back potential barrier of the lower element can be made of a GaAs layer with a thickness of 0.1 μm and a doping level of zinc atoms of 2 · 10 ¹⁸ .

Тыльный потенциальный барьер нижнего элемента может быть выполнен из твердого раствора Al_0.3Ga_0.7As толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1·10¹⁸.The back potential barrier of the lower element can be made of an Al _0.3 Ga _0.7 As solid solution with a thickness of 0.05 μm and a doping level of zinc atoms of 1 · 10 ¹⁸ .

Создание тыльных потенциальных барьеров и широкозонных окон для нижнего (GaAs) и верхнего (GaInP) элементов двухпереходного каскада GaInP/GaAs с использованием гетеро- и гомограниц позволяет уменьшить скорости поверхностной рекомбинации.Creating back potential barriers and wide-gap windows for the lower (GaAs) and upper (GaInP) elements of the GaInP / GaAs two-junction cascade using hetero- and homo-boundaries allows one to reduce the surface recombination rates.

Заявляемая конструкция туннельного диода, используемого для эффективной низкоомной развязки верхнего (GaInP) и нижнего (GaAs) переходов двухпереходного GaInP/GaAs элемента, обеспечивает пониженное поглощение полезного излучения, наряду с малым последовательным сопротивлением и высоким значением пикового тока туннелирования.The inventive design of a tunneling diode used for efficient low-ohmic isolation of the upper (GaInP) and lower (GaAs) junctions of a two-junction GaInP / GaAs element provides a lower absorption of useful radiation, along with a small series resistance and a high peak tunneling current.

В заявляемой конструкции обеспечивается согласование токов, генерируемых верхним (GaInP) и нижним (GaAs) элементами при преобразовании спектров АМ0 (условия космоса) и AM1.5D (наземные условия).In the claimed design, the currents generated by the upper (GaInP) and lower (GaAs) elements are harmonized during the conversion of the spectra AM0 (space conditions) and AM1.5D (ground conditions).

Толщина нижнего элемента выбирается достаточной для эффективного поглощения фотонов с энергией кванта >1,4 эВ.The thickness of the lower element is chosen sufficient for the efficient absorption of photons with a quantum energy> 1.4 eV.

Толщина верхнего элемента выбирается из соображений согласования токов, генерируемых верхним (GaInP) и нижним (GaAs) элементами каскада GaInP/GaAs.The thickness of the upper element is selected from the considerations of matching currents generated by the upper (GaInP) and lower (GaAs) elements of the GaInP / GaAs cascade.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:The claimed technical solution is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображена схема заявляемого многослойного фотопреобразователя;figure 1 shows a diagram of the inventive multilayer photoconverter;

на фиг.2 приведены расчетные зависимости внешней квантовой эффективности GaAs однопереходного фотопреобразователя со следующей структурой: n-AIGaAs - 30 нм (окно), n-GaAs - 100 нм (эмиттер), p-GaAs - 3000 нм (база), p-AIGaAs 40 нм (тыльный потенциальный барьер) при различных скоростях поверхностной рекомбинации (S) на границе базы с тыльным потенциальным барьером: кривая 1 - S=0, кривая 2 - S=1·10⁴, кривая 3 - S=5·10⁴, кривая 4 - S=1·10⁵, кривая 5 - S=5·10⁵. При этом в расчете использовались следующие значения диффузионной длинны неосновных носителей (L) и коэффициентов диффузии (D) для эмиттера: L_p=1-3 мкм, D_p=7.5 см²/сек и для базы: L_n=10 мкм, D_n=65 см²/сек;figure 2 shows the calculated dependences of the external quantum efficiency of a GaAs single-junction photoconverter with the following structure: n-AIGaAs - 30 nm (window), n-GaAs - 100 nm (emitter), p-GaAs - 3000 nm (base), p-AIGaAs 40 nm (back potential barrier) at various surface recombination rates (S) at the base boundary with the back potential barrier: curve 1 - S = 0, curve 2 - S = 1 · 10 ⁴ , curve 3 - S = 5 · 10 ⁴ , curve 4 - S = 1 · 10 ⁵ , curve 5 - S = 5 · 10 ⁵ . The calculation used the following values of the diffusion length of minority carriers (L) and diffusion coefficients (D) for the emitter: L _p = 1-3 μm, D _p = 7.5 cm ² / s and for the base: L _n = 10 μm, D _n = 65 cm ² / s;

на фиг.3 изображены расчетные зависимости внешней квантовой эффективности GaAs однопереходного фотопреобразователя со структурой: n-AIGaAs - 30 нм (окно), n-GaAs - 100 нм (эмиттер), p-GaAs - 3000 нм (база), р-AIGaAs 40 нм (тыльный потенциальный барьер) при различных скоростях поверхностной рекомбинации (S) на границе эмиттера с широкозонным окном: кривая 1 - S=0, кривая 2 - S=1·10⁴, кривая 3 - S=5·10⁴, кривая 4 - S=2·10⁵, кривая 5 - S=5·10⁵. При этом в расчете использовались следующие значения диффузионной длины неосновных носителей (L) и коэффициентов диффузии (D) для эмиттера: L_p=1-3 мкм, D_p=7,5 см²/сек и для базы: L_n=10 мкм, D_n=65 см²/сек;figure 3 shows the calculated dependences of the external quantum efficiency of a GaAs single-junction photoconverter with the structure: n-AIGaAs - 30 nm (window), n-GaAs - 100 nm (emitter), p-GaAs - 3000 nm (base), p-AIGaAs 40 nm (back potential barrier) at various surface recombination rates (S) at the emitter-wide-window interface: curve 1 - S = 0, curve 2 - S = 1 · 10 ⁴ , curve 3 - S = 5 · 10 ⁴ , curve 4 - S = 2 · 10 ⁵ , curve 5 - S = 5 · 10 ⁵ . The calculation used the following values of the diffusion length of minority carriers (L) and diffusion coefficients (D) for the emitter: L _p = 1-3 μm, D _p = 7.5 cm ² / s and for the base: L _n = 10 μm , D _n = 65 cm ² / s;

на фиг.4 представлена зависимость холловской концентрации положительно заряженных носителей в солях Al_xGa_1-xAs, легированных атомами углерода с использованием технологии автолегирования растущих слоев, от состава твердого раствора х;figure 4 presents the dependence of the Hall concentration of positively charged carriers in Al _x Ga _1-x As salts doped with carbon atoms using self-alloying technology of growing layers on the composition of solid solution x;

на фиг.5 представлены спектральные зависимости внешнего квантового выхода для верхнего GaInP (1) и нижнего GaAs (2) элементов каскада GaInP/GaAs для заявляемого фотопреобразователя, согласованного по току для космического солнечного спектра АМ0 (-■-): JGaInP=16,19 мА/см², JGaAs=16,09 мА/см² с общей толщиной верхнего GaInP элемента равной 450 нм и для стандартизированного наземного спектра AM1.5D (-○-): JGaInP=13,39 мА/см², JGaAs=13,42 мА/см² с общей толщиной верхнего GaInP элемента, равной 700 нм;figure 5 presents the spectral dependences of the external quantum yield for the upper GaInP (1) and lower GaAs (2) elements of the GaInP / GaAs cascade for the inventive photoconverter, current-matched current for the solar solar spectrum AM0 (- ■ -): JGaInP = 16.19 mA / cm ² , JGaAs = 16.09 mA / cm ² with a total thickness of the upper GaInP element equal to 450 nm and for the standardized terrestrial spectrum AM1.5D (- ○ -): JGaInP = 13.39 mA / cm ² , JGaAs = 13 , 42 mA / cm ² with a total thickness of the upper GaInP element equal to 700 nm;

на фиг.6 представлены зависимости напряжения холостого хода - Ux.x. (1), фактора заполнения ВАХ - FF (2) и эффективности преобразования (3) для двухпереходного GaInP/GaAs заявляемого фотопреобразователя, согласованного по току для космического спектра АМ0, от степени концентрирования солнечного излучения;figure 6 presents the dependence of the open circuit voltage - Ux.x. (1), I – V characteristic filling factor - FF (2), and conversion efficiency (3) for the GaInP / GaAs two-junction inventive photoconverter, current-coordinated current for the AM0 space spectrum, from the degree of concentration of solar radiation;

на фиг.7 представлены зависимости напряжения холостого хода - U_x.x. (1), фактора заполнения ВАХ - FF (2) и эффективности преобразования (3) для двухпереходного GaInP/GaAs заявляемого фотопреобразователя, согласованного по току для наземного спектра AM1.5D, от степени концентрирования солнечного излучения.Fig. 7 shows the dependences of the open circuit voltage - U _xx (1), the I-V characteristic fill factor - FF (2), and the conversion efficiency (3) for the GaInP / GaAs two-junction inventive photoconverter, current-matched current for the ground spectrum AM1.5D, on the degree concentration of solar radiation.

Использование заявляемого многослойного фотопреобразователя (ФЭП) позволяет снизить влияние основных факторов, лимитирующих теоретически достижимую эффективность полупроводниковых ФЭП, к которым относятся неполное поглощение солнечного спектра и потери на термализацию носителей.The use of the inventive multilayer photoconverter (PEC) can reduce the influence of the main factors limiting the theoretically achievable efficiency of semiconductor PECs, which include incomplete absorption of the solar spectrum and loss of thermalization of carriers.

При прохождении света через полупроводниковый материал фотоны, энергия которых больше ширины его запрещенной зоны, поглощаются, рождая электрон-дырочные пары. При этом фотоны, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны материала, рождают носители, обладающие избыточной кинетической энергией в зоне проводимости ("горячие" носители, в основном - электроны). За счет столкновения с атомами кристаллической решетки электроны быстро теряют эту энергию и "опускаются" на дно зоны проводимости. Этот процесс называют термализацией носителей, при котором вся избыточная энергия носителя уходит на нагрев кристаллической решетки и не дает вклад в вырабатываемую ФЭП энергию.When light passes through a semiconductor material, photons whose energy is greater than the width of its forbidden band are absorbed, giving rise to electron-hole pairs. In this case, photons whose energy exceeds the band gap of the material give rise to carriers with excess kinetic energy in the conduction band ("hot" carriers, mainly electrons). Due to collisions with the atoms of the crystal lattice, the electrons quickly lose this energy and “sink” to the bottom of the conduction band. This process is called thermalization of carriers, in which all the excess energy of the carrier is spent on heating the crystal lattice and does not contribute to the energy generated by the PEC.

Потери, связанные с этим процессом, относятся к числу основных факторов, ограничивающих теоретически достижимую эффективность при преобразовании солнечной энергии.Losses associated with this process are among the main factors limiting the theoretically achievable efficiency in the conversion of solar energy.

Вторым таким фактором, определяющим значительные энергетические потери при преобразовании солнечного излучения, является то, что полупроводниковые материалы "прозрачны" для фотонов с энергией, меньшей ширины их запрещенной зоны, и такие фотоны не поглощаются в ФЭП и не дают вклада в вырабатываемую ФЭП энергию.The second such factor, which determines significant energy losses during the conversion of solar radiation, is that semiconductor materials are “transparent” to photons with energies less than the band gap, and such photons are not absorbed in the photomultiplier tubes and do not contribute to the photomultiplier generated.

При уменьшении ширины запрещенной зоны материала, т.е. при уменьшении потерь, связанных с неполным поглощением солнечного излучения, увеличиваются потери на термализацию и наоборот. Этот факт может быть также проиллюстрирован при рассмотрении характеристик солнечных фотоэлементов.By reducing the band gap of the material, i.e. with a decrease in losses associated with incomplete absorption of solar radiation, thermalization losses increase and vice versa. This fact can also be illustrated by considering the characteristics of solar cells.

Основными характеристиками ФЭП являются их спектр фотоответа (спектральная зависимость внешней квантовой эффективности) и нагрузочные характеристики (ВАХ). Спектральная зависимость внешней квантовой эффективности показывает отношение количества падающих на поверхность ФЭП фотонов к количеству разделившихся электрон-дырочных пар, для каждой длины волны интеграл произведения спектра фотоответа со спектральной плотностью фотонов, падающих на поверхность солнечного элемента, дает ток, генерируемый ФЭП (ток короткого замыкания - I_к.з.). Вольт-амперная характеристика ФЭП представляет собой диодную характеристику, имеющую экспоненциальный вид, которая сдвинута вниз в четвертый квадрант на величину тока короткого замыкания. Точка пересечения ВАХ с осью абсцисс называется напряжением холостого хода (U_х.х.) ФЭП, которое возрастает с увеличением генерируемого им тока по логарифмической зависимости, что обуславливает возрастание КПД у ФЭП, преобразующих концентрированное солнечное излучение. На экспоненциальной ВАХ ФЭП существует точка максимальной мощности, или оптимальной нагрузки. Отношение мощности, выделяемой в этой точке, к произведению I_к.з. на U_х.х называют фактором заполнения (FF) вольт-амперной характеристики ФЭП. Эффективностью преобразования ФЭП является отношение произведения I_к.з.·U_х.х.·FF к падающей мощности.The main characteristics of PECs are their photoresponse spectrum (spectral dependence of external quantum efficiency) and load characteristics (CVC). The spectral dependence of the external quantum efficiency shows the ratio of the number of photons incident on the PEC surface to the number of separated electron-hole pairs; for each wavelength, the integral of the product of the photoresponse spectrum with the spectral density of photons incident on the surface of the solar cell gives the current generated by the photomultiplier (short circuit current - I _kz ). The volt-ampere characteristic of the photomultiplier is an exponential diode characteristic that is shifted down into the fourth quadrant by the magnitude of the short-circuit current. The intersection point of the I – V characteristic with the abscissa is called the open-circuit voltage (U _x.h. ) of the _PEC , which increases with increasing current generated by it in a logarithmic dependence, which leads to an increase in the efficiency of PECs that convert concentrated solar radiation. At the exponential CVC of the photomultiplier there is a point of maximum power, or optimal load. The ratio of power allocated at this point to the product of I _{short circuit} on U _x.x is called the filling factor (FF) of the current-voltage characteristic of the photomultiplier. The conversion efficiency of the photomultiplier is the ratio of the product of I to _. · U _h.h. · FF to incident power.

Уменьшение ширины запрещенной зоны материала ФЭП будет приводить к расширению спектрального диапазона его фоточувствительности и увеличению тока короткого замыкания, однако при этом будет происходить падение напряжения холостого хода ввиду того, что оно пропорционально зависит от ширины запрещенной зоны материала, из которого выполнен p-n переход,Reducing the band gap of the photomultiplier material will expand the spectral range of its photosensitivity and increase the short circuit current, however, this will cause an open circuit voltage drop due to the fact that it proportionally depends on the band gap of the material from which the p-n junction is made,

Таким образом, существует диапазон значений ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов, при которых описанные потери наиболее оптимально скомпенсированы и достигается максимум КПД фотопреобразователей для однопереходных структур.Thus, there is a range of band gap of semiconductor materials at which the described losses are most optimally compensated and maximum efficiency of photoconverters for single-junction structures is achieved.

Дальнейшее увеличение КПД возможно только при использовании многопереходных структур. Это происходит за счет деления солнечного спектра на диапазоны и преобразования излучения в каждом из них отдельным переходом за счет складирования слоев с различной шириной запрещенной зоны в каскадные ФЭП на гетеропереходах.A further increase in efficiency is possible only when using multi-junction structures. This occurs due to the division of the solar spectrum into ranges and the conversion of radiation in each of them by a separate transition due to the storage of layers with different bandgap widths into cascade PECs at heterojunctions.

Таким многопереходным гетероструктурным ФЭП является заявляемый двухпереходный GaInP/GaAs многослойный фотопреобразователь, выращенный на подложке GaAs (см. фиг.1). Изготовление такого фотопреобразователя обусловлено возможностью получения изопериодичного с подложкой и нижним элементом твердого раствора Ga_0.52ln_0.48P. Использование изопериодичных твердых растворов дало возможность получать гетероструктуры высокого кристаллического совершенства и создавать высокоэффективные приборы на их основе.Such a multi-junction heterostructure PEC is the claimed two-junction GaInP / GaAs multilayer photoconverter grown on a GaAs substrate (see Fig. 1). The manufacture of such a photoconverter is due to the possibility of obtaining Ga _0.52 ln _0.48 P solid solution with isoperiodic with the substrate and the lower element. Using isoperiodic solid solutions made it possible to obtain heterostructures of high crystalline perfection and create highly efficient devices based on them.

Заявляемый многослойный фотопреобразователь состоит из подложки 1 p-GaAs, нижнего перехода 2 на основе GaAs, туннельного диода 3, верхнего перехода 4 на основе, например, материала Ga_0.52ln_0.48P, изопериодичного с GaAs, и контактного слоя 5 n⁺-GaAs, легированного, например, атомами Si на уровне 2·10¹⁸, толщиной, например, 0,2-0,5 мкм. На тыльную поверхность подложки нанесен сплошной металлический контакт 6. На поверхность структуры нанесена контактная сетка 7. При этом в местах, не закрытых контактной сеткой, контактный слой удален и нанесено просветляющее покрытие 8. Нижний переход 2 состоит из последовательно осажденных слоев: тыльного потенциального барьера 9, например из p-Al_0.3Ga_0.7As и толщиной 0,05-0,1 мкм, легированного, например, атомами Zn на уровне 1·10¹⁸, базового слоя 10, например, из p-GaAs толщиной 3,1 мкм, легированного, например, атомами Zn на уровне 7·10¹⁶-2·10¹⁷, эмиттерного слоя 11, например, из n-GaAs толщиной 0,1 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 1-5·10¹⁸, и широкозонного окна 12, например, из n-Al_0.8Ga_0.2As толщиной 0,025-0,04 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 1·10¹⁷-1·10¹⁸. Туннельный диод 3 состоит из последовательно осаждаемых непосредственно на нижний переход 2 слоя 13, например, из n⁺⁺-GaAs толщиной 0,01-0,02 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 5·10¹⁸, и слоя 14 из p⁺⁺-AIGaAs толщиной, например 0,01-0,02 мкм, легированного, например, атомами С на уровне 5·10¹⁹-2·10²⁰. Верхний переход 4 состоит из последовательно осаждаемых на туннельный диод 3 тыльного потенциального барьера 15, например, из р⁺-Ga_0.52ln_0.48P толщиной 0,1 мкм, легированного, например, атомами Zn на уровне 2·10¹⁸, базового слоя 16 толщиной 0,35-0,7 мкм, например, из р-Ga_0.52ln_0.48P, легированного, например, атомами Zn на уровне 1-10¹⁷, n⁺-Ga_0.52ln_0.48P эмиттерного слоя 17, например, из n⁺-Ga_0.52ln_0.48P толщиной 0,05 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 2·10¹⁸ и широкозонного окна 18, например, из n-Аl_0.53ln_0.47Р толщиной 0,03 мкм, легированного, например, атомами Si на уровне 1·10¹⁷.The inventive multilayer photoconverter consists of a p-GaAs substrate 1, a lower junction 2 based on GaAs, a tunnel diode 3, an upper junction 4 based on, for example, Ga _0.52 ln _0.48 P material, isoperiodic with GaAs, and a contact layer 5 n ⁺ -GaAs, doped, for example, with Si atoms at a level of 2 · 10 ¹⁸ , a thickness of, for example, 0.2-0.5 microns. A continuous metal contact is applied to the back surface of the substrate 6. A contact grid is applied to the structure surface 7. Moreover, in places not covered by the contact grid, the contact layer is removed and an antireflection coating is applied 8. The lower transition 2 consists of successively deposited layers: the back potential barrier 9 , for example from p-Al _0.3 Ga _0.7 As and a thickness of 0.05-0.1 μm, doped with, for example, Zn atoms at a level of 1 · 10 ¹⁸ , the base layer 10, for example, from p-GaAs with a thickness of 3.1 μm, doped, for example, with Zn atoms at the level of 7 · 10 ¹⁶ -2 · 10 ¹⁷ , emitter layer 11, for example, of n-GaAs with a thickness of 0.1 μm, doped with, for example, Si atoms at a level of 1-5 · 10 ¹⁸ , and a wide-gap window 12, for example, of n-Al _0.8 Ga _0.2 As with a thickness of 0.025-0, 04 μm doped, for example, with Si atoms at the level of 1 · 10 ¹⁷ -1 · 10 ¹⁸ . Tunnel diode 3 consists of sequentially directly deposited directly onto the lower junction 2 of layer 13, for example, of n ⁺⁺ GaAs with a thickness of 0.01-0.02 μm, doped with, for example, Si atoms at a level of 5 · 10 ¹⁸ , and layer 14 of p ⁺⁺ -AIGaAs with a thickness of, for example, 0.01-0.02 μm, doped with, for example, C atoms at a level of 5 · 10 ¹⁹ -2 · 10 ²⁰ . The upper transition 4 consists of a backward potential barrier 15 sequentially deposited on the tunnel diode 3, for example, from p ⁺ -Ga _0.52 ln _0.48 P 0.1 μm thick, doped, for example, with Zn atoms at a level of 2 · 10 ¹⁸ , a base layer 16 thick 0.35-0.7 μm, for example, from p-Ga _0.52 ln _0.48 P doped, for example, with Zn atoms at the level of 1-10 ¹⁷ , n ⁺ -Ga _0.52 ln _0.48 P emitter layer 17, for example, from n ⁺ -Ga _0.52 ln _0.48 P 0.05 μm thick, doped, for example, with Si atoms at the level of 2 · 10 ¹⁸ and wide-gap window 18, for example, from n-Al _0.53 ln _0.47 P 0.03 μm thick, doped, for example, with atoms Si level 1 · 10 ¹⁷ .

Существует ряд факторов, которые ограничивают эффективность преобразования как одно- так и многопереходных солнечных элементов, кроме рассмотренных выше неполного поглощения и потерь при термализации носителей. К ним относятся отражение света от поверхности ФЭП, затенение поверхности контактной сеткой, возможность выхода фотогенерированных носителей за границы активных переходов (в подложку на поверхность или в слои туннельного диода), поглощение полезного излучения в слоях, не составляющих активный переход, несогласованность токов, генерируемых отдельными переходами каскада. Все эти потери в основном приводят к падению общего тока, который генерируется каскадным ФЭП, что обуславливает снижение КПД каскадной структуры.There are a number of factors that limit the conversion efficiency of both single- and multi-junction solar cells, in addition to the incomplete absorption and thermalization losses of the carriers discussed above. These include reflection of light from the PEC surface, shadowing of the surface by a contact grid, the possibility of photogenerated carriers going beyond the boundaries of active transitions (to the substrate to the surface or to the layers of a tunneling diode), absorption of useful radiation in layers that do not constitute an active transition, inconsistency of currents generated by individual transitions of the cascade. All these losses mainly lead to a drop in the total current generated by the cascade PEC, which leads to a decrease in the efficiency of the cascade structure.

В заявляемом многослойном фотопреобразователе снижаются эти потери, что дает возможность получать двухпереходные GaInP/GaAs фотопреобразователи с высокими значениями КПД как для космических, так и для наземных применений.In the inventive multilayer photoconverter, these losses are reduced, which makes it possible to obtain two-junction GaInP / GaAs photoconverters with high efficiency values for both space and ground applications.

Для снижения потерь при отражении света в заявляемом многослойном фотопреобразователе использовано антиотражающее покрытие, которое позволяет повысить ток короткого замыкания фотопреобразователя на величину порядка 30%.To reduce losses in light reflection in the inventive multilayer photoconverter used antireflection coating, which allows to increase the short circuit current of the photoconverter by a value of about 30%.

Улучшение собирания носителей из слоев активных переходов за счет использования тыльных потенциальных барьеров и широкозонных окон позволяет значительно улучшить спектральные характеристики полупроводниковых фотопреобразователей. Однако при этом необходимо учитывать, что поверхностная рекомбинация на границах тыльный потенциальный барьер - база и широкозонное окно - эмиттер может приводить к заметному падению внешней квантовой эффективности фотопреобразователя.Improving the collection of carriers from active transition layers through the use of rear potential barriers and wide-gap windows can significantly improve the spectral characteristics of semiconductor photoconverters. However, it should be borne in mind that surface recombination at the boundaries of the rear potential barrier — the base and the wide-gap window — emitter can lead to a noticeable decrease in the external quantum efficiency of the photoconverter.

Для иллюстрации этого факта были рассчитаны (см. фиг.2 и 3) зависимости внешней квантовой эффективности GaAs одноперереходного фотопреобразователя с различной скоростью поверхностной рекомбинации на границе с тыльным потенциальным барьером и широкозонным окном соответственно. Из чертежей видно, что падение длинноволновой чувствительности солнечного элемента начинается при скорости поверхностной рекомбинации на тыльном потенциальном барьере 10⁴ см/сек и становится значительным при скорости поверхностной рекомбинации 10⁵ см/сек. Подобными зависимостями будут характеризоваться как спектры фотоответа однопереходных фотопреобразователей на основе GaInP, так и спектры фотоответа элементов каскада GaInP/GaAs.To illustrate this fact, we calculated (see Figs. 2 and 3) the dependences of the external quantum efficiency of a GaAs single-junction photoconverter with different surface recombination rates at the boundary with the rear potential barrier and the wide-gap window, respectively. From the drawings it can be seen that the decrease in the long-wavelength sensitivity of the solar cell begins when the surface recombination rate at the back potential barrier is 10 ⁴ cm / s and becomes significant when the surface recombination speed is 10 ⁵ cm / s. Similar dependences will characterize both the photoresponse spectra of single-junction GaInP photoconverters and the photoresponse spectra of elements of the GaInP / GaAs cascade.

Падение длинноволновой чувствительности при этом обусловлено тем, что глубина поглощения фотонов напрямую зависит от их длины волны. Это приводит к тому, что в глубине активного перехода поглощаются более длинноволновые фотоны. Рожденные при этом носители рекомбинируют на границе с тыльным потенциальным барьером, что обуславливает падение длинноволнового края спектра фотоответа.The decrease in long-wavelength sensitivity is due to the fact that the depth of absorption of photons directly depends on their wavelength. This leads to the fact that longer wavelength photons are absorbed in the depth of the active transition. Carriers born in this case recombine at the boundary with the rear potential barrier, which causes a drop in the long-wavelength edge of the photoresponse spectrum.

Для создания качественных тыльных потенциальных барьеров, характеризующихся низкими скоростями поверхностной рекомбинации, в заявляемом решении предложено создание потенциальных барьеров между эпитаксиальными слоями p⁺-GaAs или p-Al_0.3Ga_0.7As и базой для нижнего GaAs элемента каскада GaInP/GaAs. Создание в известных ФЭП тыльного потенциально барьера между p⁺-GaAs подложкой и базой приводит к тому, что гомограница совпадает с металлургической границей подложка-эпитаксиальный слой, что может являться причиной гибели носителей на этом интерфейсе.To create high-quality back potential barriers characterized by low surface recombination rates, the claimed solution proposed the creation of potential barriers between the epitaxial layers of p ⁺ -GaAs or p-Al _0.3 Ga _0.7 As and the base for the lower GaAs element of the GaInP / GaAs cascade. The creation of a back potential barrier between the p ⁺ -GaAs substrate and the base in known PECs leads to the fact that the homo-boundary coincides with the metallurgical boundary between the substrate and the epitaxial layer, which can cause the death of carriers at this interface.

Как известно, гетерограницы между арсенидными и фосфидными слоями характеризуются присутствием дефектов и центров рекомбинации носителей вследствие перемешивания атомов мышьяка и фосфора в газовой фазе при эпитаксиальном выращивании таких гетерограниц (см. Т.Takamoto, E.Ikeda, Н.Kurita, M.Ohmori, First WCPEC Hawaii, 1994, pp.1729-1732; F.E.G.Guimaraes, В.Elsner, R.Westphalen, B.Spangenberg, HJ.Geelen, P.Balk, K.Heime, J. Crystal Growth 124 (1992), что приводит к повышенной скорости поверхностной рекомбинации на таких гетерограницах. Это обуславливает недостатки использования слоев GaInP в качестве тыльного потенциального барьера нижнего GaAs перехода двухпереходного GaInP/GaAs элемента. Поэтому в заявляемом многослойном фотопреобразователе предложено использовать эпитаксиальные слои p⁺-GaAs или p-Al_0.3Ga_0.7As для тыльного потенциального барьера нижнего элемента, что дает преимущество над приведенными выше аналогами. Достаточно низкий потенциальный барьер p⁺-GaAs/p-GaAs является эффективным вследствие того, что в глубине активного перехода GaAs поглощаются фотоны с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны GaAs, поэтому рождение носителей, обладающих достаточной энергией для преодоления этого барьера, с последующей диффузией в подложку, невозможно, особенно в случае увеличения толщины слоя p⁺-GaAs до 0,1-0,2 мкм, а использование комбинированного тыльного барьера p-AIGaAs/p⁺-GaAs позволяет повысить напряжение холостого хода.As is known, hetero-boundaries between arsenide and phosphide layers are characterized by the presence of defects and carrier recombination centers due to the mixing of arsenic and phosphorus atoms in the gas phase during the epitaxial growth of such hetero-boundaries (see T. Takamoto, E. Ikeda, N. Kurita, M. Ohmori, First WCPEC Hawaii, 1994, pp. 1729-1732; FEG Guimaraes, B. Elsner, R. Westphalen, B. Spangenberg, HJ. Geelen, P. Balck, K. Heime, J. Crystal Growth 124 (1992), which leads to increased surface recombination rates at such heteroboundaries, which leads to the disadvantages of using GaInP layers as the back potential GaAs barrier of the lower transition dvuhperehodnogo GaInP / GaAs element. Therefore, in the inventive multilayer phototransformator proposed to use epitaxial layers of p ⁺ -GaAs or the p-Al _0.3 Ga _0.7 As to the rear of the potential barrier of the bottom member, which has the advantage over the above analogs. A sufficiently low potential The p ⁺ -GaAs / p-GaAs barrier is effective due to the fact that photons with an energy close to the GaAs band gap are absorbed in the depth of the active GaAs transition, therefore, the production of carriers with sufficient energy It is impossible to overcome this barrier, followed by diffusion into the substrate, especially if the thickness of the p ⁺ -GaAs layer is increased to 0.1-0.2 μm, and the use of the combined back barrier p-AIGaAs / p ⁺ -GaAs can increase the voltage idle move.

На основании вышесказанного предложено использовать слой p⁺-GaInP в качестве тыльного потенциального барьера для верхнего GaInP элемента каскада GaInP/GaAs. Однако в случае значительного увеличения толщины p⁺-GaInP тыльного потенциального барьера в нем может происходить поглощение полезного излучения, преобразуемого нижним GaAs элементом. Создание качественной гетерограницы AIInP/GaInP, которая характеризовалась бы низкой скоростью поверхностной рекомбинации, является серьезной проблемой. Иногда рекомбинация носителей на гетерогранице тыльный потенциальный барьер - база при использовании AIInP может приводить к отсутствию заметного улучшения спектральной характеристики верхнего GaInP элемента за счет использования тыльного потенциального барьера (см. D.J.Friedman, S.R.Kurtz, A.E.Kibbler, and J.M.Olson, Conference Record of the 22nd Photovoltaic Specialists Conference IEEE, NewYork, 1991, p.358).Based on the foregoing, it was proposed to use the p ⁺ -GaInP layer as the back potential barrier for the upper GaInP element of the GaInP / GaAs cascade. However, in the case of a significant increase in the p ⁺ -GaInP thickness of the back potential barrier, absorption of useful radiation, which is transformed by the lower GaAs element, can occur in it. Creating a high-quality AIInP / GaInP heteroboundary, which would have a low surface recombination rate, is a serious problem. Sometimes the recombination of carriers at the heterointerface is the back potential barrier — the base using AIInP can lead to the absence of a noticeable improvement in the spectral characteristics of the upper GaInP element due to the use of the back potential barrier (see DJFriedman, SRKurtz, AEKibbler, and JMOlson, Conference Record of the 22nd Photovoltaic Specialists Conference IEEE, New York, 1991, p. 358).

Падение коротковолновой чувствительности одноперереходного GaAs элемента при увеличении скорости рекомбинации на гетерогранице эмиттер - широкозонное окно (см. фиг.3) связано с тем, что в области, близкой к этой гетерогранице, происходит поглощение самых коротковолновых (высокоэнергетических) фотонов. При выборе материала и характеристик широкозонного окна необходимо учитывать не только важность создания интерфейса с низкой скоростью поверхностной рекомбинации, но и необходимость снижения потерь за счет поглощения полезного излучения в слое широкозонного окна, а также тот факт, что в области этой границы могут рождаться носители с энергией, достаточной для преодоления барьера широкозонное окно - эмиттер. Исходя из этого предложено использовать твердый раствор Al_0.8Ga_0.2As толщиной 0,03 мкм в качестве широкозонного окна для нижнего GaAs элемента каскада GaInP/GaAs. При этом осуществляется возможность получения качественной гетерограницы по сравнению с использованием слоя GaInP. Кроме того, высота потенциального барьера будет большей при использовании гетерограницы Al_0.8Ga_0.2As/GaAs, по сравнению с гетеропереходом GaInP/GaAs, что обусловлено большей шириной запрещенной зоны Al_0.8Ga_0.2As (2,1 эВ) по сравнению с GaInP (1,9 эВ при 52% Ga). Более высокий потенциальный барьер широкозонного окна - эмиттер уменьшает потери, связанные с выходом "горячих" носителей из области активного перехода. Кроме того, использование более широкозонного материала позволяет минимизировать поглощение полезного излучения, преобразуемого нижним GaAs элементом, в слое широкозонного окна.The decrease in the short-wavelength sensitivity of a single-junction GaAs element with an increase in the recombination rate at the emitter-wide-gap window (see Fig. 3) is due to the absorption of the shortest-wavelength (high-energy) photons in the region close to this heterointerface. When choosing the material and characteristics of a wide-gap window, it is necessary to take into account not only the importance of creating an interface with a low surface recombination rate, but also the need to reduce losses due to absorption of useful radiation in the wide-gap window layer, as well as the fact that carriers with energy can be generated in the region of this boundary sufficient to overcome the barrier wide-gap window - emitter. Based on this, it was proposed to use a 0.03 μm thick Al _0.8 Ga _0.2 As solid solution as a wide-gap window for the lower GaAs element of the GaInP / GaAs cascade. In this case, it is possible to obtain a high-quality heteroboundary in comparison with the use of a GaInP layer. In addition, the height of the potential barrier will be greater when using the Al _0.8 Ga _0.2 As / GaAs heterointerface as compared to the GaInP / GaAs heterojunction, which is due to the larger band gap of Al _0.8 Ga _0.2 As (2.1 eV) compared to GaInP (1 , 9 eV at 52% Ga). The higher potential barrier of the wide-gap window - the emitter reduces the losses associated with the release of "hot" media from the active transition region. In addition, the use of a wider bandgap material allows one to minimize the absorption of the useful radiation converted by the lower GaAs element in the layer of the widegap window.

Для работы многопереходного ФЭП необходимо обеспечить электрическую развязку p-n переходов отдельных элементов каскада, потому что прямое соединение элементов приведет к возникновению p-n-p-n-p-n… структуры, в которой возникают встречно включенные p-n переходы на границах элементов каскада, препятствующие протеканию тока в структуре.For a multi-junction photomultiplier to operate, it is necessary to provide electrical isolation of pn junctions of individual elements of the cascade, because a direct connection of the elements will lead to the formation of a pnpnpn ... structure, in which counter-connected pn junctions occur at the boundaries of the elements of the cascade, preventing current flow in the structure.

Для обеспечения электрической развязки переходов в конструкции многопереходного элемента используют встречно включенные туннельные диоды. Такой диод представляет собой p-n переход с высоким уровнем легирования, при котором происходит вырождение полупроводника, и уровень Ферми заходит в зону проводимости для n-типа и в валентную зону для p-типа. При этом носители, разделенные одним переходом, туннелируют через диод в другой переход, и в схеме течет ток.To ensure electrical isolation of the junctions in the design of the multi-junction element, counter-included tunnel diodes are used. Such a diode is a pn junction with a high doping level at which the semiconductor degenerates, and the Fermi level enters the conduction band for the n type and the valence band for the p type. In this case, carriers separated by one junction tunnel through the diode to another junction, and current flows in the circuit.

Для достижения высоких значений КПД многослойных фотопреобразователей необходимо, чтобы входящие в их состав туннельные диоды обладали низким сопротивлением и поглощали минимальное количество полезного излучения. С этой точки зрения такие диоды должны быть очень тонкими (ввиду большого краевого поглощения сильно легированных слоев) и выполняться из материалов с большей, чем у нижнего элемента шириной запрещенной зоны. Однако в случае работы каскадных солнечных элементов в режиме преобразования концентрированного солнечного излучения (особенно при высоких степенях концентрации) необходимо также, чтобы туннельные диоды имели достаточно высокий пиковый ток - более 100 ампер на квадратный сантиметр. Ввиду того, что максимальный ток туннелирования экспоненциально падает с увеличением ширины запрещенной зоны материала, из которого выполнен туннельный диод, для солнечных элементов, работающих при высоких степенях концентрации, необходимо находить компромисс между поглощением полезного излучения в слоях туннельного диода и величиной пикового тока туннелирования.To achieve high efficiency values of multilayer photoconverters, it is necessary that the tunnel diodes included in them have low resistance and absorb a minimum amount of useful radiation. From this point of view, such diodes should be very thin (due to the large edge absorption of heavily doped layers) and be made of materials with a band gap greater than that of the lower element. However, in the case of cascade solar cells operating in the conversion mode of concentrated solar radiation (especially at high degrees of concentration), it is also necessary that the tunnel diodes have a sufficiently high peak current - more than 100 amperes per square centimeter. Due to the fact that the maximum tunneling current decreases exponentially with increasing band gap of the material from which the tunnel diode is made, for solar cells operating at high degrees of concentration, it is necessary to find a compromise between the absorption of useful radiation in the layers of the tunnel diode and the peak tunneling current.

Кроме того, существует серьезная технологическая трудность при создании туннельных диодов, связанная с диффузией атомов примеси из наноразмерных слоев туннельных диодов в области активных переходов, приводящая к деградации как параметров туннельных диодов, так и параметров фотоактивных переходов. В частности, использование атомов Zn для создания p⁺⁺-слоя туннельного диода может приводить к деградации спектра фотоответа верхнего GaInP элемента каскада GaInP/GaAs (см. Tatsuya Takamoto, Eiji Ikeda, and Hiroshi Kurita, - "Over 30% efficient InGaP/GaAs tandem solar cells", - Appl. Phys. Lett. 70(3), 1997).In addition, there is a serious technological difficulty in creating tunnel diodes, associated with the diffusion of impurity atoms from nanoscale layers of tunnel diodes in the region of active transitions, leading to the degradation of both the parameters of tunnel diodes and the parameters of photoactive transitions. In particular, using Zn atoms to create a p ⁺⁺ layer of a tunneling diode can degrade the photoresponse spectrum of the upper GaInP element of the GaInP / GaAs cascade (see Tatsuya Takamoto, Eiji Ikeda, and Hiroshi Kurita, - "Over 30% efficient InGaP / GaAs tandem solar cells ", - Appl. Phys. Lett. 70 (3), 1997).

В заявляемом многослойном фотопреобразователе использован туннельный диод, созданный между слоями p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As(C)/n⁺⁺-GaAs(Si), с общей толщиной 0,02-0,04 мкм (см. фиг.1). Проведенные серии экспериментов позволили заключить, что использование твердого раствора p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As дает возможность значительно снизить поглощение полезного излучения в слоях туннельного диода по сравнению с p⁺⁺-GaAs и повысить ток короткого замыкания нижнего GaAs элемента с 14,412 мА/см² (p⁺⁺-GaAs(C)/n⁺⁺-GaAs(Si) туннельный диод) до 15,370 мА/см² (p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As(C)/n⁺⁺-GaAs(Si) туннельный диод).The inventive multilayer photoconverter uses a tunneling diode created between the layers of p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As (C) / n ⁺⁺ -GaAs (Si), with a total thickness of 0.02-0.04 μm (see figure 1 ) A series of experiments allowed us to conclude that the use of a p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As solid solution makes it possible to significantly reduce the absorption of useful radiation in the layers of a tunneling diode as compared to p ⁺⁺ -GaAs and to increase the short-circuit current of the lower GaAs cell from 14.412 mA / cm ² (p ⁺⁺ -GaAs (C) / n ⁺⁺ -GaAs (Si) tunnel diode) up to 15.370 mA / cm ² (p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As (C) / n ⁺⁺ -GaAs (Si ) tunnel diode).

Кроме того, увеличение состава твердого раствора p⁺⁺-Al_xGa_1-xAs(С) в диапазоне 0-40% приводит не к уменьшению, а к увеличению пикового тока туннелирования и снижению последовательного сопротивления туннельного диода, что позволило создать образцы туннельных диодов с пиковым током туннелирования 206 А/см², обеспечивающие работу GaInP/GaAs двухпереходного элемента в режиме преобразования концентрированного солнечного излучения при концентрации более 5000 солнц. Этот факт обусловлен тем, что для создания таких слоев применялась технология автолегирования растущих слоев атомами углерода и наблюдалось увеличение уровня легирования выращенных слов с 4·10¹⁶ (p⁺⁺-GaAs(С)) до 6·10¹⁹ (p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As(С)) (фиг.4).In addition, an increase in the composition of the p ⁺⁺ -Al _x Ga _1-x As (С) solid solution in the range 0–40% does not lead to a decrease, but to an increase in the peak tunneling current and a decrease in the series resistance of the tunnel diode, which allowed us to create tunnel samples diodes with a peak tunneling current of 206 A / cm ² , ensuring the operation of the GaInP / GaAs two-junction element in the mode of conversion of concentrated solar radiation at a concentration of more than 5000 suns. This fact is due to the fact that the technology of self-alloying of growing layers with carbon atoms was used to create such layers and an increase in the level of doping of the grown words was observed from 4 · 10 ¹⁶ (p ⁺⁺ -GaAs (С)) to 6 · 10 ¹⁹ (p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As (C)) (Fig. 4).

Таким образом, предложенная структура туннельного диода, применяемого для электрической развязки верхнего (GaInP) и нижнего (GaAs) элементов каскада GaInP/GaAs, обладает рядом преимуществ, к которым относятся: использование атомов углерода, обладающих малым коэффициентом диффузии, для легирования p⁺⁺-слоя туннельного диода и использование широкозонного слоя p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As(C), позволяющего минимизировать поглощение полезного излучения наряду с увеличением пикового тока туннелирования.Thus, the proposed structure of the tunneling diode used for electrical isolation of the upper (GaInP) and lower (GaAs) elements of the GaInP / GaAs cascade has several advantages, which include: the use of carbon atoms with a low diffusion coefficient for doping p ⁺⁺ - layer of the tunneling diode and the use of a wide-gap p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As (C) layer, which minimizes the absorption of useful radiation along with an increase in the peak tunneling current.

Ввиду того что монолитные многослойные фотопреобразователи представляют собой последовательное включение источников тока, общий ток, генерируемый фотопреобразователем, будет определяться минимальным током из генерируемых отдельными переходами. Поэтому наивысший ток, а следовательно, КПД будут иметь элементы, у которых токи будут максимальны и согласованы для преобразуемого спектра.Due to the fact that monolithic multilayer photoconverters are a series connection of current sources, the total current generated by the photoconverter will be determined by the minimum current generated by individual junctions. Therefore, the highest current, and therefore, the efficiency, will have elements for which the currents will be maximum and consistent for the converted spectrum.

В случае GaInP/GaAs солнечных фотопреобразователей равенство токов GaInP верхнего перехода и GaAs нижнего перехода достигается при преобразовании части солнечного спектра с энергией фотонов более 1,9 эВ нижним GaAs переходом. Это связано с тем, что спектральная плотность потока фотонов в солнечном спектре имеет максимум в синей области и в случае полного поглощения верхним GaInP элементом своей части спектра его ток будет значительно превышать ток нижнего GaAs элемента, т.е. общий ток каскадной структуры будет ограничиваться током, генерируемым GaAs переходом.In the case of GaInP / GaAs solar photoconverters, the equality of the GaInP currents of the upper transition and GaAs of the lower transition is achieved by converting part of the solar spectrum with photon energies of more than 1.9 eV by the lower GaAs transition. This is due to the fact that the spectral density of the photon flux in the solar spectrum has a maximum in the blue region and if the upper GaInP element completely absorbs its part of the spectrum, its current will significantly exceed the current of the lower GaAs element, i.e. the total cascade current will be limited by the current generated by the GaAs junction.

Согласования токов можно достичь, меняя толщину верхнего элемента каскада GaInP/GaAs. В случае преобразования GaInP/GaAs каскадным многослойным фотопреобразователем спектра АМ0 равенство токов GaInP и GaAs переходов возможно при преобразовании заметной части солнечного спектра с энергией фотонов более 1,9 эВ нижним GaAs переходом. Это связано с тем, что в космическом спектре солнца присутствует большее количество ультрафиолетового излучения, которое поглощается в слоях атмосферы, по сравнению с наземным спектром. Поэтому для наземного солнечного спектра AM1.5D согласование токов достигается при большей толщине верхнего GaInP элемента по сравнению со спектром АМ0.The coordination of currents can be achieved by changing the thickness of the upper element of the GaInP / GaAs cascade. In the case of conversion of GaInP / GaAs by a cascade multilayer photoconverter of the AM0 spectrum, the equality of the currents of GaInP and GaAs transitions is possible when a significant part of the solar spectrum is converted with a photon energy of more than 1.9 eV by the lower GaAs transition. This is due to the fact that in the cosmic spectrum of the sun there is a greater amount of ultraviolet radiation, which is absorbed in the layers of the atmosphere, compared with the ground-based spectrum. Therefore, for the terrestrial solar spectrum AM1.5D, current matching is achieved with a larger thickness of the upper GaInP element in comparison with the AM0 spectrum.

Пример 1.Example 1

Была изготовлена структура двухпереходного GaInP/GaAs многослойного фотопреобразователя посредством эпитаксиального выращивания на p⁺-GaAs подложке, легированной атомами Zn с уровнем ~5·10¹⁸, методом МОС - гибридной эпитаксии в реакторе с пониженным давлением 100 мбар. На подложку последовательно осаждались слои: p-Al_0.3Ga_0.7As тыльный потенциальный барьер для нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 1·10¹⁸ толщиной 0,05 мкм, p-GaAs базовый слой нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 2·10¹⁷, толщиной 3,1 мкм, n-GaAs эмиттерный слой нижнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,1 мкм, n-Al_0.8Ga_0.2As широкозонное окно нижнего элемента, легированное атомами Si на уровне 1·10¹⁷, толщиной 0,04 мкм, n⁺⁺-GaAs слой туннельного диода, легированный атомами Si на уровне 5·10¹⁸, толщиной 0,015 мкм, p⁺-Al_0.4Ga_0.6 As слой туннельного диода, легированный атомами С на уровне 6·10¹⁹, толщиной 0,015 мкм, p⁺-Ga_0.52ln_0.48P тыльный потенциальный барьер верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,1 мкм, p-Ga_0.52ln_0.48P базовый слой верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 1·10¹⁷, толщиной 0,4 мкм, n⁺-Ga_0.52ln_0.48P эмиттерный слой верхнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,05 мкм, n-Аl_0.53ln_0.47Р широкозонное окно верхнего элемента, легированное атомами Si на уровне 1·10¹⁷, толщиной 0,03 мкм, контактный слой n⁺-GaAs, легированный атомами Si на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,5 мкм.The structure of a two-junction GaInP / GaAs multilayer photoconverter was fabricated by epitaxial growth on a p ⁺ -GaAs substrate doped with Zn atoms with a level of ~ 5 × 10 ¹⁸ , using the MOC method of hybrid epitaxy in a reactor with a reduced pressure of 100 mbar. The layers were sequentially deposited on the substrate: p-Al _0.3 Ga _0.7 As the back potential barrier for the lower transition doped with Zn atoms at a level of 1 · 10 ¹⁸ 0.05 μm thick, p-GaAs base layer of the lower transition doped with Zn atoms at a level of 2 · 10 ¹⁷ , 3.1 μm thick, n-GaAs emitter layer of the lower element doped with Si atoms at a level of 2 · 10 ¹⁸ , 0.1 μm thick, n-Al _0.8 Ga _0.2 As wide-gap window of the lower element doped with Si atoms at a level 1 · 10 ¹⁷ , 0.04 μm thick, n ⁺⁺ -GaAs layer of the tunneling diode doped with Si atoms at the level of 5 · 10 ¹⁸ , 0.015 μm thick, p ⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 A s tunnel diode layer doped with C atoms at a level of 6 · 10 ¹⁹ , thickness 0.015 μm, p ⁺ -Ga _0.52 ln _0.48 P back potential barrier of the upper element doped with Zn atoms at a level of 2 · 10 ¹⁸ , 0.1 μm thick, p -Ga _0.52 ln _0.48 P base layer of the upper element doped with Zn atoms at the level of 1 · 10 ¹⁷ , 0.4 μm thick, n ⁺ -Ga _0.52 ln _0.48 P emitter layer of the upper element doped with Si atoms at the level of 2 · 10 ¹⁸ , 0.05 μm thick, n-Al _0.53 ln _0.47 Р wide-gap window of the upper element doped with Si atoms at the level of 1 · 10 ¹⁷ , 0.03 μm thick, n ⁺ -GaAs contact layer, doped atom ami Si at a level of 2 · 10 ¹⁸ , a thickness of 0.5 μm.

После выращивания структуры были изготовлены фотопреобразователи путем нанесения на тыльную сторону сплошного металлического контакта, нанесения на лицевую сторону контактной сетки с шагом 200 мкм, затеняющей порядка 8% поверхности фотопреобразователя, удаления контактного слоя в областях, не закрытых контактной сеткой, разделительного меза-травления чипов размером 8,3×3,2 мм² и нанесения на поверхность фотопреобразователя антиотражающего покрытия ZnS/MgF₂.After the structure was grown, photoconverters were made by applying a solid metal contact to the back side, applying a 200 μm pitch on the front side of the contact grid, shading about 8% of the photoconverter surface, removing the contact layer in areas not covered by the contact grid, and separating mesa-etching chips of size 8.3 × 3.2 mm ² and applying a ZnS / MgF ₂ antireflection coating to the surface of the photoconverter.

Такая структура с толщиной GaInP элемента, равной 450 нм, продемонстрировала согласование токов верхнего и нижнего элементов для спектра АМ0:J_GaInP=16,19 мА/см², J_GaAs=16,09 мА/см² (см. фиг.5 -■-). Такие фотопреобразователи, оптимизированные для космического спектра, продемонстрировали высокую эффективность преобразования (фиг.6), равную 26,5% (АМ0, 30 солнц).Such a structure with a GaInP element thickness of 450 nm demonstrated the matching of the currents of the upper and lower elements for the AM0 spectrum: J _GaInP = 16.19 mA / cm ² , J _GaAs = 16.09 mA / cm ² (see figure 5 - ■ -). Such photoconverters optimized for the cosmic spectrum showed a high conversion efficiency (Fig.6), equal to 26.5% (AM0, 30 suns).

Пример 2Example 2

Была изготовлена структура двухпереходного GaInP/GaAs фотопреобразователя посредством эпитаксиального выращивания на p⁺-GaAs подложке, легированной атомами Zn с уровнем ~5·10¹⁸, методом МОС - гибридной эпитаксии в реакторе с пониженным давлением 100 мбар. На подложку последовательно осаждались слои: p-Al_0.3Ga_0.7As тыльный потенциальный барьер для нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 1·10¹⁸ толщиной 0,05 мкм, p-GaAs базовый слой нижнего перехода, легированный атомами Zn на уровне 2·10¹⁷, толщиной 3,1 мкм, n-GaAs эмиттерный слой нижнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,1 мкм, n-Al_0.8Ga_0.2As широкозонное окно нижнего элемента, легированное атомами Si на уровне 1·10¹⁷, толщиной 0,04 мкм, n⁺⁺-GaAs слой туннельного диода, легированный атомами Si на уровне 5·10¹⁸,The structure of a two-junction GaInP / GaAs photoconverter was fabricated by epitaxial growth on a p ⁺ -GaAs substrate doped with Zn atoms with a level of ~ 5 × 10 ¹⁸ using the MOC method of hybrid epitaxy in a reactor with a reduced pressure of 100 mbar. The layers were sequentially deposited on the substrate: p-Al _0.3 Ga _0.7 As the back potential barrier for the lower transition doped with Zn atoms at a level of 1 · 10 ¹⁸ 0.05 μm thick, p-GaAs base layer of the lower transition doped with Zn atoms at a level of 2 · 10 ¹⁷ , 3.1 μm thick, n-GaAs emitter layer of the lower element doped with Si atoms at a level of 2 · 10 ¹⁸ , 0.1 μm thick, n-Al _0.8 Ga _0.2 As wide-gap window of the lower element doped with Si atoms at a level 1 · 10 ¹⁷ , 0.04 μm thick, n ⁺⁺ -GaAs layer of a tunneling diode doped with Si atoms at a level of 5 · 10 ¹⁸ ,

толщиной 0,015 мкм, p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As слой туннельного диода, легированный атомами С на уровне 6·10¹⁹, толщиной 0,015 мкм, p⁺-Ga_0.52ln_0.48P тыльный потенциальный барьер верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,1 мкм, p-Ga_0.52ln_0.48P базовый слой верхнего элемента, легированный атомами Zn на уровне 1·10¹⁷, толщиной 0,65 мкм, n⁺-Ga_0.52ln_0.48P эмиттерный слой верхнего элемента, легированный атомами Si на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,05 мкм, n-Аl_0.53ln_0.47Р широкозонное окно верхнего элемента, легированный атомами Si на уровне 1·10¹⁷, толщиной 0,03 мкм, контактный слой n⁺-GaAs, легированный атомами Si на уровне 2·10¹⁸, толщиной 0,5 мкм.0.015 μm thick, p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As layer of a tunneling diode doped with C atoms at a level of 6 · 10 ¹⁹ , 0.015 μm thick, p ⁺ -Ga _0.52 ln _0.48 P back potential barrier of the upper element doped with Zn atoms at a level 2 · 10 ¹⁸ , 0.1 μm thick, p-Ga _0.52 ln _0.48 P base layer of the upper element doped with Zn atoms at a level of 1 · 10 ¹⁷ , 0.65 μm thick, n ⁺ -Ga _0.52 ln _0.48 P emitter layer of the upper element doped with Si atoms at a level of 2 · 10 ¹⁸ , 0.05 μm thick, n-Al _0.53 ln _0.47 Р wide-gap window of the upper element doped with Si atoms at a level of 1 · 10 ¹⁷ , 0.03 μm thick, contact an n ⁺ -GaAs layer doped with Si atoms at a level of 2 · 10 ¹⁸ , 0.5 μm thick.

Полученные образцы с общей толщиной GaInP элемента, равной 700 нм, продемонстрировали согласование токов для спектраThe obtained samples with a total GaInP element thickness of 700 nm demonstrated the matching of currents for the spectrum

AM1.5D: J_GaInP=13,39 мА/см², J_GaAs=13,42 мА/см² (фиг.5 -○-).AM1.5D: J _GaInP = 13.39 mA / cm ² , J _GaAs = 13.42 mA / cm ² (Fig. 5 - ○ -).

Максимальное значение эффективности преобразования солнечного излучения, созданных двухпереходных СЭ (фиг.7), составило 30,03% (AM1,5D, 40 солнц).The maximum value of the conversion efficiency of solar radiation created by two-junction SCs (Fig. 7) was 30.03% (AM1.5D, 40 suns).

Claims

1. A multilayer photoconverter containing successively arranged solid metal contact, a substrate made of p ⁺ -GaAs, a lower element, a tunnel diode, an upper element and a metal contact grid with a contact sublayer, while the lower element includes a p-layer of the back potential barrier , base p-layer, emitter n-layer and wide-gap window n-layer, the tunnel diode includes
the n ⁺⁺ layer and p ⁺⁺ layer made of AlGaAs, and the upper element includes a p-layer of the back potential barrier, a base p-layer 0.35-0.70 μm thick, an emitter n-layer and a wide-gap n-layer window.

2. The photoconverter according to claim 1, characterized in that an antireflective coating is applied to its front surface.

3. The photoconverter according to claim 1, characterized in that the thickness of the base layer of the upper element is 0.4 μm.

4. The photoconverter according to claim 1, characterized in that the thickness of the base layer of the upper element is 0.65 microns.

5. The photoconverter according to claim 1, characterized in that the base and emitter layers of the lower element are made of GaAs, and the base and emitter layers of the upper element are made of Ga _0.52 In _0.48 P solid solution matched by the lattice parameter with GaAs.

6. The photoconverter according to claim 5, characterized in that the thickness of the base layer of the lower element is 3.1 μm at a level of doping with zinc atoms of 7 · 10 ¹⁶ -2 · 10 ¹⁷ , the thickness of the emitter layer of the lower element is 0.1 μm at a level of doping silicon atoms 1-5 · 10 ¹⁸ , the level of doping with zinc atoms of the base layer of the upper element is 1 · 10 ¹⁷ , the thickness of the emitter layer of the upper element is 0.05 μm when the level of doping with silicon atoms is 2 · 10 ¹⁸ .

7. The photoconverter according to claim 6, characterized in that the wide-gap window of the lower element is made of Al _0.8 Ga _0.2 As solid solution with a thickness of 0.025-0.040 μm and a doping level of silicon atoms of 1 · 10 ¹⁷ -1 · 10 ¹⁸ , n ⁺⁺ layer the tunnel diode is made of GaAs with a thickness of 0.01-0.02 μm and a level of doping with silicon atoms of 5 · 10 ¹⁸ , the p ⁺⁺ layer of the tunnel diode is made of Al _0.4 Ga _0.6 As with a thickness of 0.01-0.02 μm and a level of doping carbon atoms 5 10 ¹⁹ -2 10 ^20, the rear upper potential barrier member made of a solid solution of Ga _0.52 in _0.48 P 0.1 microns thickness and doping level zinc atoms 2 10 ^18, top member wideband window is made of solid solution of Al _0.53 In _0.47 P, lattice constant matched with respect to GaAs, 0.03 micron thick and doped silicon atoms of 1 × 10 ¹⁷ and a contact layer made of GaAs of thickness 0.2-0.5 microns and the level of doping with silicon atoms is 2 · 10 ¹⁸ .

8. The photoconverter according to claim 7, characterized in that the back potential barrier of the lower element is made of a p ⁺ -GaAs layer with a thickness of 0.1 μm and a doping level of zinc atoms of 2 · 10 ¹⁸ .

9. The photoconverter according to claim 7, characterized in that the rear potential barrier of the lower element is made of p-Al _0.3 Ga _0.7 As solid solution 0.05-0.1 μm thick and the level of doping with zinc atoms is 1 · 10 ¹⁸ .

10. The photoconverter according to claim 7, characterized in that the back potential barrier of the lower element is made of two successively deposited layers of p-AlGaAs and p ⁺ -GaAs.