RU2449421C2 - Substrate for cascade solar elements - Google Patents

Substrate for cascade solar elements Download PDF

Info

Publication number
RU2449421C2
RU2449421C2 RU2009140907/28A RU2009140907A RU2449421C2 RU 2449421 C2 RU2449421 C2 RU 2449421C2 RU 2009140907/28 A RU2009140907/28 A RU 2009140907/28A RU 2009140907 A RU2009140907 A RU 2009140907A RU 2449421 C2 RU2449421 C2 RU 2449421C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
germanium
film
strips
width
Prior art date
Application number
RU2009140907/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009140907A (en
Inventor
Евгений Инвиевич Гиваргизов (RU)
Евгений Инвиевич Гиваргизов
Михаил Евгеньевич Гиваргизов (RU)
Михаил Евгеньевич Гиваргизов
Original Assignee
Евгений Инвиевич Гиваргизов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Инвиевич Гиваргизов filed Critical Евгений Инвиевич Гиваргизов
Priority to RU2009140907/28A priority Critical patent/RU2449421C2/en
Priority to PCT/RU2010/000533 priority patent/WO2011056090A1/en
Publication of RU2009140907A publication Critical patent/RU2009140907A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2449421C2 publication Critical patent/RU2449421C2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L31/1808—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table including only Ge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0735—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising only AIIIBV compound semiconductors, e.g. GaAs/AlGaAs or InP/GaInAs solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1852—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising a growth substrate not being an AIIIBV compound
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: germanium substrate for development of cascade solar elements from semiconductor compounds A3B5 and A2B6 is proposed to be made in the form of a thin film from mutually parallel single-crystal strips of rectangular shape, in which the uncovered sections of the substrate occupy not more than 5% of the total area of the film and width of clear spaces does not exceed 5 mcm. The film is formed by depositing germanium onto the substrate and subsequent recrystallisation.
EFFECT: reduced cost of a substrate and making it possible to arrange required cascade semiconductor structures of solar elements with high structural performance by means of multi-layer epitaxy.
5 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к области материаловедения, преимущественно электронного, в частности к солнечной энергетике.The present invention relates to the field of materials science, mainly electronic, in particular to solar energy.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Солнечная энергетика - экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии, поэтому во всех развитых странах (в США, Европе, Японии) в этом направлении развернуты большие программы.Solar energy is an environmentally friendly and practically inexhaustible source of energy, therefore, large programs have been launched in all developed countries (in the USA, Europe, Japan).

Наиболее естественный и распространенный подход - использование энергии, генерируемой солнечным излучением в полупроводниковом p-n-переходе. Совокупность различных устройств по преобразованию энергии Солнца на основе полупроводниковых p-n-переходов принято называть фотовольтаическими солнечными элементами (ФСЭ).The most natural and common approach is to use the energy generated by solar radiation in a semiconductor pn junction. The set of various devices for converting solar energy based on semiconductor p-n junctions is commonly called photovoltaic solar cells (PSE).

Самый простой вариант ФСЭ - p-n-переход в кремнии. В настоящее время кремниевые солнечные элементы (КСЭ) имеют коэффициент полезного действия (КПД) ~15%, и эта цифра принципиально вряд ли существенно повысится, т.к. КСЭ основаны на единственном p-n-переходе.The simplest PSE variant is the pn junction in silicon. At present, silicon solar cells (SSC) have a coefficient of performance (COP) of ~ 15%, and this figure is fundamentally unlikely to increase significantly, because SSCs are based on a single pn junction.

Однако для того чтобы максимально использовать энергию Солнца, в солнечных элементах одним переходом не обойтись, нужен каскад из по меньшей мере 3-4 плоских, взаимно-параллельных переходов, изготовленных из полупроводниковых соединений А3В5 (например, арсенида галлия и родственных ему соединений) и/или А2В6 (например, селенида цинка и родственных ему соединений). При этом структура ФСЭ должна быть такой, что верхний, вступительный по отношению к солнечным лучам, слой полупроводника должен иметь наиболее широкую запрещенную зону.However, in order to make maximum use of the energy of the Sun, a single transition is indispensable in solar cells; a cascade of at least 3-4 flat, mutually parallel transitions made of A 3 B 5 semiconductor compounds (for example, gallium arsenide and its related compounds) is needed ) and / or A 2 B 6 (for example, zinc selenide and related compounds). In this case, the structure of the FSE should be such that the upper, introductory with respect to the sun's rays, semiconductor layer should have the widest band gap.

Преимущество указанных семейств полупроводниковых соединений состоит в том, что каждое конкретное соединение характеризуется своей шириной запрещенной зоны, в результате чего перекрывается практически весь солнечный спектр, при этом внутри этих семейств различия параметров кристаллической решетки незначительны, что позволяет осуществить их кристаллографически достаточно совершенное эпитаксиальное наращивание.The advantage of these families of semiconductor compounds is that each particular compound is characterized by its band gap, as a result of which almost the entire solar spectrum is overlapped, while within these families the differences in the crystal lattice parameters are insignificant, which allows their crystallographically quite perfect epitaxial growth.

Кроме того, параметр решетки арсенида галлия (а также селенида цинка) практически совпадает с параметром элементарного полупроводника германия: различие составляет сотые доли. Поэтому с успехом были выращены эпитаксиальные слои арсенида галлия на германии, в том числе для солнечной энергетики [1].In addition, the lattice parameter of gallium arsenide (as well as zinc selenide) practically coincides with the parameter of the elementary germanium semiconductor: the difference is hundredths. Therefore, epitaxial layers of gallium arsenide were successfully grown on germanium, including for solar energy [1].

По последним данным, в каскадных ФСЭ на основе германиевой подложки достигнут рекордный КПД, более 40% [2], и этот показатель в перспективе может быть заметно повышен.According to the latest data, in cascade PSEs based on a germanium substrate, a record efficiency of more than 40% is achieved [2], and this figure can be significantly increased in the future.

В известных из уровня техники каскадных ФСЭ, создаваемых на основе германиевой подложки ([3] и [4]), обычная толщина германиевой подложки для ФСЭ составляет 400 мкм (=0,4 мм); более тонкие подложки нетехнологичны, т.к. могут быть разрушены во время многочисленных процедур по выращиванию многослойных эпитаксиальных структур.In cascade PSEs based on a germanium substrate known in the prior art ([3] and [4]), the usual thickness of a germanium substrate for PSE is 400 μm (= 0.4 mm); thinner substrates are not technologically advanced because can be destroyed during numerous procedures for growing multilayer epitaxial structures.

Существенным недостатком подложки германия является то, что германий - редкий химический элемент в земной коре, а потому он довольно дорог. Кроме того, ограниченность ресурсов значительно затрудняет использование германия в массовом развитии солнечной энергетики, как это имеет место в настоящее время. Например, в обзоре [5] отмечается, что в США имеющихся запасов германиевого сырья при нынешнем уровне его потребления хватит всего на 25 лет. Аналогичная проблема поднимается в работе [6].A significant drawback of the germanium substrate is that germanium is a rare chemical element in the earth's crust, and therefore it is quite expensive. In addition, limited resources greatly complicate the use of germanium in the massive development of solar energy, as is the case today. For example, in a review [5] it is noted that in the United States the available reserves of germanium raw materials at the current level of consumption will last only 25 years. A similar problem is raised in [6].

На сегодняшний день стоимость пластинки германия на международном рынке составляет 2 доллара США за 1 см2. В работах, где германий использовали для выращивания на нем слоев полупроводниковых соединений А3В5 для ФСЭ, пластинку германия утоняли до 200 мкм от первоначальных примерно 500-1000 мкм (эти солнечные элементы были предназначены для использования в космосе, например для питания космической станции, а там стремятся максимально уменьшить вес ФСЭ). Более тонкую пластинку германия использовать, как уже указывалось, нецелесообразно. Но это означает, что исходная пластинка германия должна быть более толстой, например 500 мкм, в любом случае - когда ее надо утонять (для использования в космосе), или при использовании для наземных применений, когда проблема уменьшения веса не стоит.Today, the cost of a germanium plate on the international market is $ 2 per 1 cm 2 . In works where germanium was used to grow layers of semiconductor compounds A 3 B 5 for FSE on it, the germanium plate was thinned to 200 μm from the original approximately 500-1000 μm (these solar cells were intended for use in space, for example, to power a space station, and there they seek to minimize the weight of the FSE). It is not advisable to use a thinner germanium plate, as already mentioned. But this means that the initial germanium plate must be thicker, for example 500 microns, in any case - when it needs to be thinned (for use in space), or when used for ground applications, when the problem of weight reduction is not worth it.

Ранее предпринимались попытки заменить подложку германия в виде монокристаллической пластинки на пленку германия. Наиболее близкой к заявленному изобретению является подложка, описанная в работе [7], в которой пленку германия толщиной до 5 мкм осаждают из газовой фазы на пластинку из поликристаллической окиси алюминия, плавленого кварца, или поликристаллического кремния, а затем подвергают отжигу в течение 10-30 мин при высоких температурах, 800-950°C. При этом для обеспечения возможности отжига германиевой пленки при температуре выше точки плавления германия (940°C) ее покрывают слоем тугоплавкого материала, такого как вольфрам, или SiO2. Недостатком данного решения является низкая технологичность способа: при толщине пленки германия до 5 мкм в подавляющем большинстве случаев пленки германия растрескиваются и в них образовываются небольшие (порядка 10 мкм в диаметре) пустоты.Previously, attempts have been made to replace a germanium substrate in the form of a single crystal plate with a germanium film. Closest to the claimed invention is a substrate described in [7], in which a germanium film up to 5 μm thick is deposited from the gas phase onto a plate of polycrystalline alumina, fused silica, or polycrystalline silicon, and then annealed for 10-30 min at high temperatures, 800-950 ° C. Moreover, to enable annealing of the germanium film at a temperature above the melting point of germanium (940 ° C), it is covered with a layer of refractory material, such as tungsten, or SiO 2 . The disadvantage of this solution is the low processability of the method: with a germanium film thickness of up to 5 μm, in the vast majority of cases, germanium films crack and small voids form (about 10 μm in diameter) in them.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является снижение стоимости подложки и обеспечение возможности формировать посредством многослойной эпитаксии необходимые каскадные полупроводниковые структуры ФСЭ с высоким структурным совершенством.The technical result to which the claimed invention is directed is to reduce the cost of the substrate and provide the ability to form the necessary cascade semiconductor structures of the FSE with high structural perfection through multilayer epitaxy.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в подложке для каскадных солнечных элементов, содержащей тонкую базисную часть в виде изолирующей пластинки, на последней сформирована монокристаллическая пленка германия толщиной не более 5 микрометров, причем пленка в плоскости имеет полосковое строение, в котором непокрытые участки подложки (просветы) занимают не более 5% от общей площади подложки, а ширина просветов не превосходит 5 микрометров. При этом монокристаллическая пленка германия может быть сформирована путем ее осаждения на подложку и последующей перекристаллизации.The specified technical result is achieved due to the fact that in the substrate for cascade solar cells containing a thin base part in the form of an insulating plate, a single-crystal germanium film with a thickness of not more than 5 micrometers is formed on the latter, the film in the plane having a strip structure in which uncoated portions of the substrate (gaps) occupy no more than 5% of the total area of the substrate, and the width of the gaps does not exceed 5 micrometers. In this case, a single-crystal film of germanium can be formed by its deposition on a substrate and subsequent recrystallization.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что германиевые полоски имеют форму прямоугольников, причем перпендикулярно им нанесены прямоугольные электроконтактные площадки с шириной, равной ширине германиевых полосок, на расстояниях друг от друга, превосходящих ширину полосок не менее чем в 10 раз. Электроконтактные площадки могут проходить по нижней поверхности полосок, между германием и исходной пластинкой, а также могут проходить по верхней поверхности полосок.In addition, this technical result is achieved due to the fact that the germanium strips have the shape of rectangles, and they are applied perpendicular to rectangular electrical contact pads with a width equal to the width of the germanium strips, at distances from each other exceeding the width of the strips by at least 10 times. Contact pads can pass along the lower surface of the strips, between germanium and the original plate, and can also pass along the upper surface of the strips.

Предлагаемая конструкция подложки может быть создана известными в современной микроэлектронике способами. Создание слоя германия толщиной не более 5 мкм позволит сэкономить не менее 95% этого дефицитного материала.The proposed substrate design can be created by methods known in modern microelectronics. Creating a germanium layer with a thickness of not more than 5 microns will save at least 95% of this scarce material.

Существенным является также то, что этот слой может быть создан осаждением из паровой фазы путем химического разложения соединения германия, которое может быть изготовлено обработкой германиевого сырья, что очень важно для экономии этого редкого рассеянного элемента.It is also significant that this layer can be created by vapor deposition by chemical decomposition of a germanium compound, which can be made by processing germanium raw materials, which is very important for saving this rare dispersed element.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображен вид сверху полосковой пленки германия (w - ширина полосок, составляющая несколько десятков микрометров; s - просветы между полосками, составляющие несколько микрометров);figure 1 shows a top view of a strip film of germanium (w is the width of the strips of several tens of micrometers; s are the gaps between the strips of several micrometers);

на фиг.2 - разрез ФСЭ перпендикулярно полоскам пленки германия;figure 2 - section FSE perpendicular to the stripes of the film of germanium;

на фиг.3 - структура германиевой полоски в разрезе. Плоские p-n-переходы проходят параллельно исходной кремниевой пластине. Контактные электрические площадки параллельны p-n-переходам.figure 3 - structure of the germanium strip in the context. Flat pn junctions run parallel to the original silicon wafer. Contact electrical pads are parallel to p-n junctions.

Лучший вариант реализации изобретенияThe best embodiment of the invention

Один из вариантов реализации ФСЭ на основе конструкции, предлагаемой настоящим изобретением, состоит в следующем. На дешевой подложке, например пластине кремния с кристаллографической ориентацией (100) или (111) (либо на поликристаллической пластине кремния) толщиной 0,3-0,5 мм, подвергнутой термическому окислению (т.е. покрытой слоем двуокиси кремния SiO2 толщиной, например 0,3-0,5 мкм), осаждают пленку германия толщиной не более 5 мкм. Осаждение германиевой пленки может быть проведено разными способами: осаждением из газовой фазы, напылением в вакууме, магнетронным распылением и др.One of the options for implementing FSE based on the design proposed by the present invention is as follows. On a cheap substrate, for example, a silicon wafer with a crystallographic orientation of (100) or (111) (or a polycrystalline silicon wafer) 0.3-0.5 mm thick, subjected to thermal oxidation (i.e. coated with a layer of silicon dioxide SiO 2 thick, for example 0.3-0.5 microns), a germanium film is deposited with a thickness of not more than 5 microns. The deposition of a germanium film can be carried out in various ways: by vapor deposition, vacuum deposition, magnetron sputtering, etc.

Из кристаллографии известно, сколь трудно обеспечить монокристаллический рост пленки на протяженном участке. Поэтому в настоящем изобретении предлагается создавать монокристаллическую пленку в виде узких прямоугольных параллельных полосок, причем суммарная площадь просветов между монокристаллическими полосками не превышает 5% от общей площади пленки.From crystallography, it is known how difficult it is to ensure single-crystal film growth over an extended region. Therefore, the present invention proposes to create a single crystal film in the form of narrow rectangular parallel strips, and the total area of the gaps between the single crystal strips does not exceed 5% of the total film area.

Пленку германия подвергают направленной рекристаллизации, которая приводит к образованию хорошо ориентированной монокристаллической пленки, причем основная, центральная часть прямоугольных участков представляет собой идеально совершенный монокристалл.The germanium film is subjected to directional recrystallization, which leads to the formation of a well-oriented single-crystal film, with the main, central part of the rectangular sections being a perfectly perfect single crystal.

Затем на пленку германия наращивают эпитаксиальный слои полупроводникового соединения арсенид галлия и/или родственного ему соединения из того же семейства A3B5. Этот материал должен обладать большой шириной запрещенной зоны, превосходящей ширину запрещенной зоны германия.Then, the epitaxial layers of the semiconductor compound gallium arsenide and / or its related compound from the same A 3 B 5 family are grown on the germanium film. This material must have a large band gap that is greater than the band gap of Germany.

Затем на эти слои наращивают, также эпитаксиально, еще один слой полупроводникового соединения A3B5, более широкозонного, чем предыдущий.Then, another layer of the semiconductor compound A 3 B 5 , which is more wide-gap than the previous one, is also grown on these layers, also epitaxially.

Наконец, на все предшествующие слои наращивают эпитаксиально слои полупроводникового соединения А2В6, например селенида цинка ZnSe, изоэлектронного арсениду галлия. Этот материал обладает широкой запрещенной зоной, примерно 3,2 эВ. В другом варианте в качестве слоя А2В6, в том числе поверх слоя селенида цинка, создают слой окиси цинка ZnO. Ширина запрещенной зоны этого материала составляет 3,37 эВ, так что он способен поглотить солнечное излучение ближней ультрафиолетовой области.Finally, layers of the semiconductor compound A 2 B 6 , for example, zinc selenide ZnSe, isoelectronic gallium arsenide, are grown epitaxially on all previous layers. This material has a wide band gap of about 3.2 eV. In another embodiment, a layer of zinc oxide ZnO is created as the A 2 B 6 layer, including over the zinc selenide layer. The band gap of this material is 3.37 eV, so that it is able to absorb solar radiation from the near ultraviolet region.

Во всех полупроводниковых слоях создают p-n-переходы, параллельные границам раздела с соседними слоями, т.е. параллельно исходной кремниевой пластине.In all semiconductor layers, pn junctions are created parallel to the interfaces with neighboring layers, i.e. parallel to the original silicon wafer.

Таким образом, многослойная эпитаксиальная структура, которую создают на основе подложки германии, способна поглотить почти все солнечное излучение, падающее на Землю.Thus, the multilayer epitaxial structure, which is created on the basis of a germanium substrate, is able to absorb almost all the solar radiation incident on the Earth.

Слои полупроводниковых соединений А3В5 и А2В6 можно осаждать любым из известных способов: посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, химической реакции в газовой фазе, из смеси металлорганических соединений, посредством жидкостной эпитаксии, путем магнетронного распыления и т.д.The layers of semiconductor compounds A 3 B 5 and A 2 B 6 can be deposited by any of the known methods: by means of molecular beam epitaxy, chemical reaction in the gas phase, from a mixture of organometallic compounds, by liquid epitaxy, by magnetron sputtering, etc.

На нижней поверхности германия, которая контактирует с исходной пластиной, создают электрический контакт с германием путем осаждения тонкой пленки тугоплавкого металла, например молибдена или вольфрама. Аналогично, на верхней поверхности слоя селенида цинка (или окиси цинка) создают еще один электрический контакт. Таким образом, вся многослойная структура оказывается зажатой между двумя электрически проводящими контактами. Они призваны снимать генерируемое данной солнечной батареей электрическое напряжение.On the lower surface of germanium, which is in contact with the original plate, electrical contact with germanium is created by depositing a thin film of a refractory metal, such as molybdenum or tungsten. Similarly, on the upper surface of the layer of zinc selenide (or zinc oxide) create another electrical contact. Thus, the entire multilayer structure is sandwiched between two electrically conductive contacts. They are designed to remove the voltage generated by this solar battery.

Для снятия генерируемого данной солнечной батареей напряжения могут быть использованы электрические контакты, создаваемые между несколькими слоями полупроводниковых материалов. Это позволит добиться более эффективного «снятия» появившегося напряжения на различных участках ФСЭ.To relieve the voltage generated by this solar battery, electrical contacts created between several layers of semiconductor materials can be used. This will make it possible to achieve a more effective “removal” of the emerging stress in various sections of the FSE.

Источники информацииInformation sources

[1]. M.Yamaguchi. A.Luque, "High Efficiency and High Concentration in Photovoltaics", IEEE Transactions on Electron Devices, 46 (1999) 2139-2144.[one]. M.Yamaguchi. A. Luque, "High Efficiency and High Concentration in Photovoltaics," IEEE Transactions on Electron Devices, 46 (1999) 2139-2144.

[2]. R.R.King, D.C.Law, K.M.Edmonson, C.M.Fetzer, G.S.Kinsey, H.Yoon, R.A.Sherif, and N.H.Karam, "40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells", Appl. Phys. Lett., 90 (2007) 183516.[2]. R.R.King, D.C. Law, K.M. Edmonson, C.M. Fetzer, G.S. Kinsey, H. Yoon, R.A.Sherif, and N.H. Karam, "40% efficient metamorphic GaInP / GaInAs / Ge multijunction solar cells", Appl. Phys. Lett., 90 (2007) 183516.

[3]. M.Yamaguchi, "Multi-junction solar cells and novel structures for solar cell applications", Physica E14 (2002) 84-90.[3]. M. Yamaguchi, "Multi-junction solar cells and novel structures for solar cell applications", Physica E14 (2002) 84-90.

[4]. Ж.И.Алферов, В.М.Андреев, В.Д.Румянцев, «Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики», Физика и техника полупроводников, 38 (2004) 937-947.[four]. Zh.I. Alferov, V. M. Andreev, V. D. Rumyantsev, "Trends and Prospects for the Development of Solar Photo-Energy", Physics and Technology of Semiconductors, 38 (2004) 937-947.

[5]. M.Bosi and C.Pelosi, "The Potential of III-V Semiconductors as Terrestrial Photovoltaic Devices", Prog. Photovolt: Res. Appl. 15 (2007) 51-68.[5]. M. Bosi and C. Pelosi, "The Potential of III-V Semiconductors as Terrestrial Photovoltaic Devices", Prog. Photovolt: Res. Appl. 15 (2007) 51-68.

[6]. S.Kurtz, "Opportunities and Challenges for Development of a Mature Concentrating Photovoltaic Power Industry", Technical Report NRLE, Sept. 2008, 19 pp.[6]. S. Kurtz, "Opportunities and Challenges for Development of a Mature Concentrating Photovoltaic Power Industry", Technical Report NRLE, Sept. 2008, 19 pp.

[7]. M.G.Mauk, J.R.Balett, B.W.Feyock, "Large-grain (>1-mm), recrystallized germanium films on alumina, fused silica, oxide-coated silicon substrates for III-V solar cell applications", J. Crystal Growth 250 (2003) 50-56.[7]. MGMauk, JRBalett, BWFeyock, "Large-grain (> 1-mm), recrystallized germanium films on alumina, fused silica, oxide-coated silicon substrates for III-V solar cell applications", J. Crystal Growth 250 (2003 ) 50-56.

Claims (5)

1. Подложка для каскадных солнечных элементов, содержащая тонкую базисную часть в виде изолирующей пластинки, отличающаяся тем, что на ней сформирована монокристаллическая пленка германия толщиной не более 5 мкм, причем пленка в плоскости имеет полосковое строение, в котором непокрытые участки подложки (просветы) занимают не более 5% от общей площади подложки, а ширина просветов не превосходит 5 мкм.1. A substrate for cascading solar cells containing a thin base part in the form of an insulating plate, characterized in that a single-crystal germanium film is formed on it with a thickness of not more than 5 μm, and the film in the plane has a strip structure in which uncoated sections of the substrate (gaps) occupy no more than 5% of the total area of the substrate, and the width of the gaps does not exceed 5 microns. 2. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что монокристаллическая пленка германия сформирована путем ее осаждения на подложку и последующей перекристаллизации.2. The substrate according to claim 1, characterized in that the single-crystal film of germanium is formed by its deposition on the substrate and subsequent recrystallization. 3. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что германиевые полоски имеют форму прямоугольников, причем перпендикулярно им нанесены прямоугольные электроконтактные площадки с шириной, равной ширине германиевых полосок, на расстояниях друг от друга, превосходящих ширину полосок не менее чем в 10 раз.3. The substrate according to claim 1, characterized in that the germanium strips are in the form of rectangles, and they are applied perpendicular to rectangular electrical contact pads with a width equal to the width of the germanium strips, at distances from each other exceeding the width of the strips by at least 10 times. 4. Подложка по п.3, отличающаяся тем, что электроконтактные площадки проходят по нижней поверхности полосок, между германием и исходной пластинкой.4. The substrate according to claim 3, characterized in that the electrical contact pads pass along the lower surface of the strips, between germanium and the original plate. 5. Подложка по п.3, отличающаяся тем, что электроконтактные площадки проходят по верхней поверхности полосок. 5. The substrate according to claim 3, characterized in that the electrical contact pads pass along the upper surface of the strips.
RU2009140907/28A 2009-11-06 2009-11-06 Substrate for cascade solar elements RU2449421C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009140907/28A RU2449421C2 (en) 2009-11-06 2009-11-06 Substrate for cascade solar elements
PCT/RU2010/000533 WO2011056090A1 (en) 2009-11-06 2010-09-27 Substrate for cascade solar cells

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009140907/28A RU2449421C2 (en) 2009-11-06 2009-11-06 Substrate for cascade solar elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009140907A RU2009140907A (en) 2011-05-20
RU2449421C2 true RU2449421C2 (en) 2012-04-27

Family

ID=43970134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009140907/28A RU2449421C2 (en) 2009-11-06 2009-11-06 Substrate for cascade solar elements

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2449421C2 (en)
WO (1) WO2011056090A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4370510A (en) * 1980-09-26 1983-01-25 California Institute Of Technology Gallium arsenide single crystal solar cell structure and method of making
DE10205618A1 (en) * 2002-02-11 2003-08-28 Daimler Chrysler Ag Silicon-germanium thin layer solar cell comprises a quantum wall structure made from silicon and germanium arranged within the diffusion length of the silicon pn-diode transition and a germanium island on a silicon substrate
US6670544B2 (en) * 2000-12-08 2003-12-30 Daimlerchrysler Ag Silicon-germanium solar cell having a high power efficiency
US7456057B2 (en) * 2005-12-31 2008-11-25 Corning Incorporated Germanium on glass and glass-ceramic structures
RU2340979C1 (en) * 2004-10-28 2008-12-10 Мимасу Семикондактор Индастри Ко., Лтд Method of semiconductor wafer manufacture, semiconductor wafer for solar plants, and etching solution
RU2368038C1 (en) * 2007-12-07 2009-09-20 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Method for manufacturing of multilayer photoconverter chips

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4370510A (en) * 1980-09-26 1983-01-25 California Institute Of Technology Gallium arsenide single crystal solar cell structure and method of making
US6670544B2 (en) * 2000-12-08 2003-12-30 Daimlerchrysler Ag Silicon-germanium solar cell having a high power efficiency
DE10205618A1 (en) * 2002-02-11 2003-08-28 Daimler Chrysler Ag Silicon-germanium thin layer solar cell comprises a quantum wall structure made from silicon and germanium arranged within the diffusion length of the silicon pn-diode transition and a germanium island on a silicon substrate
RU2340979C1 (en) * 2004-10-28 2008-12-10 Мимасу Семикондактор Индастри Ко., Лтд Method of semiconductor wafer manufacture, semiconductor wafer for solar plants, and etching solution
US7456057B2 (en) * 2005-12-31 2008-11-25 Corning Incorporated Germanium on glass and glass-ceramic structures
RU2368038C1 (en) * 2007-12-07 2009-09-20 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Method for manufacturing of multilayer photoconverter chips

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.G.Mauk et all. Large-grain (>1-mm), recrystallized germanium films on aluminia, fused silica, oxide-coated silicon substrates for III-V solar cell applications. J. Crystal Growth 250, (2003), 50-56. *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011056090A1 (en) 2011-05-12
RU2009140907A (en) 2011-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Goetzberger et al. Photovoltaic materials, history, status and outlook
EP3170209B1 (en) Solar cell with interdigitated back contact
US7863515B2 (en) Thin-film solar cell and method of manufacturing the same
JP5379845B2 (en) Thin film solar cell module
US8680393B2 (en) Thin film solar cells
US8871560B2 (en) Plasma annealing of thin film solar cells
US20120279556A1 (en) Photovoltaic Power-Generating Apparatus and Method For Manufacturing Same
US20120174977A1 (en) Solar Power Generation Apparatus and Manufacturing Method Thereof
KR20090028581A (en) Thin film photovoltaic structure and fabrication
US20130105930A1 (en) Method for making semiconductor light detection devices
JP2014503125A (en) Solar cell and manufacturing method thereof
RU2449421C2 (en) Substrate for cascade solar elements
KR101181095B1 (en) Solar cell and method for manufacturing the same
KR101074676B1 (en) Compound Semiconductor Thin Film Solar Cell Using Fe Layer for Backcontact and Substrate
KR101412150B1 (en) Tandem structure cigs solar cell and method for manufacturing the same
Zhang et al. Effect of emitter layer doping concentration on the performance of a silicon thin film heterojunction solar cell
JP4443274B2 (en) Photoelectric conversion device
KR101783784B1 (en) solar cell module and manufacturing method of the same
JPH0456172A (en) Method for forming thin cuinse2 film
KR101003677B1 (en) Method for fabricating CIS type solar cell
KR101091319B1 (en) Solar cell and method of fabricating the same
US20130255775A1 (en) Wide band gap photovoltaic device and process of manufacture
KR20130060000A (en) Method for manufacturing solar cell module
JP2815723B2 (en) Manufacturing method of thin film solar cell
JPH07211927A (en) Solar battery and its manufacture

Legal Events

Date Code Title Description
FA94 Acknowledgement of application withdrawn (non-payment of fees)

Effective date: 20111018

FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20111114

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121107