RU2547324C2 - Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент - Google Patents
Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент Download PDFInfo
- Publication number
- RU2547324C2 RU2547324C2 RU2013133224/28A RU2013133224A RU2547324C2 RU 2547324 C2 RU2547324 C2 RU 2547324C2 RU 2013133224/28 A RU2013133224/28 A RU 2013133224/28A RU 2013133224 A RU2013133224 A RU 2013133224A RU 2547324 C2 RU2547324 C2 RU 2547324C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- solar cell
- intermediate layers
- layer
- layer components
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету, предназначенным для преобразования света в электрическую энергию, в частности к многопереходным солнечным элементам. Солнечный элемент содержит подложку, на которой размещены, по крайней мере, два двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, сопряженные между собой, по крайней мере, двумя промежуточными слоями. Слои двухслойных компонентов и промежуточные слои выполнены из четверного твердого раствора AlInGaN. Промежуточные слои и сопряженные с ними фрагменты солнечного элемента выполнены с одинаковым значением ширины запрещенной зоны. Двухслойные компоненты с p-n-переходами между слоями и сопряженные с ними промежуточные слои выполнены с одинаковым значением постоянной решетки. В промежуточных слоях постоянная решетки различна. В слоях двухслойных компонентов с p-n-переходами различна ширина запрещенной зоны при фиксированном значении постоянной решетки. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования солнечного излучения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету, предназначенным для преобразования света в электрическую энергию, в частности к многопереходным солнечным элементам.
Известен многопереходный полупроводниковый солнечный элемент (Патент RU №2376679 «Полупроводниковый многопереходный солнечный элемент», заявл. 16.09.2008, опубл. 20.12.2009, МПК: H01L 31/042), включающий подложку, выполненную из AlN, на которой размещено не менее двух сопряженных друг с другом выполненных из твердых растворов металлов третьей группы (в частности In1-xGaxN) двухслойных компонентов, с p-n-переходами между слоями. Двухслойные компоненты сопряжены между собой промежуточными слоями, в частности туннельными переходами. Ширина запрещенной зоны двухслойных компонентов возрастает в направлении к источнику солнечной энергии. Многопереходный солнечный элемент дополнительно содержит двухслойный компонент, выполненный из In1-x-yGaxAlyN с р-n-переходом между слоями, размещенный со стороны источника солнечной энергии, сопряженный со смежным двухслойным компонентом из In1-xGaxN посредством туннельного перехода или омического контакта.
Известный солнечный элемент обеспечивает возможность расширения диапазона использования ультрафиолетовой части спектра, благодаря чему существенно повышается коэффициент полезного действия солнечного элемента в целом.
Однако такой солнечный элемент обладает неудовлетворительной морфологией слоев, обусловленной различием параметров их кристаллической решетки, что сопровождается высоким уровнем плотности дислокаций в слоях. Рассогласование по постоянным решетки является следствием использования в сочетании с подложкой AlN тройного соединения IngaN, что и приводит к формированию дефектов и ограничивает эффективность солнечного элемента.
Известен также полупроводниковый многопереходный солнечный элемент, включающий подложку, на которой размещены, по крайней мере, два двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, выполненные из твердых растворов нитридов металлов третьей группы, сопряженные между собой промежуточными слоями, причем ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией (US Patent №7217882 «Broad spectrum solar cell», filled: May 27, 2003, published May 15, 2007, IPC: H01L 31/00) - прототип.
Известный солнечный элемент обеспечивает последовательное преобразование солнечного излучения. Часть излучения с энергией фотонов, равной или превосходящей ширину запрещенной зоны, поглощается и генерирует электронно-дырочную пару. Излучение с энергией фотонов менее ширины запрещенной зоны свободно проходит через слои верхнего компонента и преобразуется в электрическую энергию в компонентах, расположенных дальше от источника солнечной энергии. Изменение ширины запрещенной зоны достигается варьированием состава эпитаксиального слоя In1-xGaxN.
В известном солнечном элементе состав слоев двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями выбран с учетом необходимости обеспечения преобразования всего спектра солнечного излучения. Состав каждого из слоев выбран таким образом, чтобы обеспечить необходимое значение ширины запрещенной зоны, при этом не принято во внимание, что при варьировании состава слоев меняется значение постоянной кристаллической решетки, в то время как рассогласование постоянных решеток эпитаксиальных слоев приводит к возникновению в слоях дефектов, и, как следствие, к снижению эффективности солнечного элемента.
В рассмотренных выше случаях ширина запрещенной зоны в пределах каждого двухслойного компонента сохраняется фиксированной, что приводит к снижению эффективности преобразования солнечного излучения в электрический ток, т.к. эффективно поглощаются только фотоны с энергией, соответствующей ширине запрещенной зоны двухслойного компонента. При этом фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны двухслойного компонента, рождают носители, обладающие избыточной кинетической энергией в зоне проводимости. За счет столкновения с атомами кристаллической решетки электроны быстро теряют эту энергию и «опускаются на дно зоны проводимости». Этот процесс называется термализацией носителей, при котором вся избыточная энергия носителей уходит на нагрев кристаллической решетки и не дает вклад в вырабатываемую солнечным элементом энергию. Потери, связанные с этим процессом, относятся к числу основных факторов, ограничивающих эффективность преобразования солнечной энергии.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.
Поставленная задача решается за счет того, что в многопереходном полупроводниковом солнечном элементе, включающем подложку, на которой размещены, по крайней мере, два двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, выполненные из твердых растворов нитридов металлов третьей группы, сопряженные между собой промежуточными слоями, ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией, слои двухслойных компонентов и промежуточные слои выполнены из четверного твердого раствора AlInGaN, между подложкой и двухслойным компонентом с p-n-переходом между слоями и каждой парой двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями размещены, по крайней мере, два промежуточных слоя, промежуточные слои и сопряженные с ними фрагменты солнечного элементы выполнены с одинаковым значением ширины запрещенной зоны, двухслойные компоненты с p-n-переходами между слоями и сопряженные с ними промежуточные слои выполнены с одинаковым значением постоянной решетки, при этом сопряженные между собой слои двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями выполнены с различным значением ширины запрещенной зоны, а сопряженные между собой промежуточные слои - с различным значением постоянной решетки.
Подложка многопереходного полупроводникового солнечного элемента может быть выполнена из проводящего материала, в частности из карбида кремния.
Целесообразно также, чтобы промежуточные слои, расположенные между двухслойными компонентами, были выполнены в форме туннельных переходов.
Потери, связанные с термализацией в предлагаемом техническом решении, практически полностью исключаются за счет того, что ширина запрещенной зоны внутри каждого двухслойного компонента плавно увеличивается в направлении к источнику излучения, что позволяет обеспечить поглощение излучения в широком диапазоне длин волн (энергий). Кроме того, при градиентном изменении ширины запрещенной зоны постоянная решетки не изменяется внутри двухслойного компонента. Это приводит к значительному уменьшению дефектообразования в гетероструктуре солнечного элемента предлагаемой конструкции по сравнению с аналогичными гетероструктурами солнечных элементов, в которых постоянная решетки внутри двухслойных компонентов не фиксируется. В предлагаемой гетероструктуре солнечного элемента в каждом из промежуточных слоев, сопрягающих двухслойные компоненты, постоянная решетки изменяется, т.к. это необходимо для выполнения в соседнем поглощающем переходе условия градиентного изменения ширины запрещенной зоны при фиксированном значении постоянной решетки. При этом в промежуточных слоях предусмотрено плавное изменение постоянной решетки с целью уменьшения дефектообразования в эпитаксиальных слоях солнечного элемента.
В предлагаемом многопереходном солнечном элементе слои двухслойных компонентов и промежуточные слои выполнены из четырехкомпонентного твердого раствора AlxInyGa1-x-yN (x≥0, y≥0, x+y≤1), поскольку только использование слоев такого твердого раствора позволяет обеспечить изменение ширины запрещенной зоны при фиксированном значении постоянной решетки и изменение постоянной решетки при фиксированном значении ширины запрещенной зоны. В случае использования любого трехкомпонентного твердого раствора нитридов металлов третьей группы изменение ширины запрещенной зоны неизбежно сопровождается изменением постоянной решетки, а изменение постоянной решетки - изменением ширины запрещенной зоны.
Выполнение подложки из проводящего материала обеспечивает возможность размещения одного из контактов со стороны подложки, а другого - на верхнем слое. Такое размещение контактов улучшает растекание тока по всей структуре солнечного элемента, что также оказывает положительное влияние на эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
По сравнению с другими проводящими материалами, которые могут быть использованы в качестве материала подложки, карбид кремния характеризуется свойствами, наиболее близкими свойствам нитридных материалов.
Выполнение промежуточных слоев, расположенных между двухслойными компонентами, в форме туннельных переходов обеспечивает наилучшее сопряжение двухслойных компонентов по электрическим параметрам. Экспериментально установлено, что чередование характеристик слоев, свойственное предлагаемому изобретению, наилучшим образом может быть реализовано именно в случае выполнения промежуточных слоев в форме туннельных переходов.
Изобретение поясняется чертежом - Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент.
Согласно изобретению многопереходный полупроводниковый солнечный элемент содержит подложку 1, на которой размещены двухслойные компоненты 2, 3 и 4 с p-n-переходами 5, 6 и 7 между слоями. Подложка с прилегающим к ней двухслойным компонентом сопряжены между собой двумя промежуточными слоями 10, а двухслойные компоненты сопряжены между собой промежуточными слоями, образующими туннельные переходы 8 и 9.
Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент был полностью изготовлен в рамках одного эпитаксиального процесса.
Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент, выполненный в соответствии с предлагаемым изобретением, работает следующим образом:
Облучение многопереходного полупроводникового солнечного элемента осуществляется со стороны подложки 1.
На поверхность двухслойного компонента 2 падает солнечное излучение. Часть фотонов с энергией Eg>2,48 эВ поглощается двухслойным компонентом 2 и вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Разделение электронов и дырок достигается за счет электрического поля p-n-перехода между слоями компонента 2. Фотоны с энергией 1,9 eV≤Eg≤2,48 эВ поглощаются двухслойным компонентом 3, а фотоны с энергией Eg≤1,9 эВ - двухслойным компонентом 4, при этом в двухслойных компонентах 3 и 4, также как и в двухслойном компоненте 2, происходит генерация электронно-дырочных пар и разделение электронов и дырок. Связь между переходами с различными значениями ширины запрещенной зоны обеспечивается туннельными переходами 8, 9. Связь между подложкой и прилегающим к ней двухслойным компонентом обеспечена промежуточными слоями 10.
При работе солнечного элемента практически исключаются потери, связанные с процессом термализации, т.к. для фотона с заданной энергией в солнечном элементе найдется соответствующий подслой, имеющий такую же энергию, что и фотон, в результате чего произойдет поглощение фотона без высвобождения избыточной энергии.
Образцы солнечных элементов, выполненные в соответствии с предлагаемым изобретением, были изготовлены методом хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE).
В таблице 1 представлена структура образцов солнечных элементов (составы слоев и толщина слоев).
Таблица 1 | |||
Структура солнечного элемента | |||
Слои солнечного элемента | Материал слоя | Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки слоя | Толщина слоя |
Двухслойный компонет с p-n-переходом | AlInGaN | 1,5≤Eg<1,9 эВ, a=3,7 Å | 200 нм + 200 нм |
Промежуточные слои, образующие туннельный переход | AlInGaN | 3,5≤a≤3,7 Å, Eg=1,9 эВ | 30 нм + 30 нм |
Двухслойный компонент с p-n-переходом | AlInGaN | 1,9≤Eg≤2,48 эВ, a=3,5 Å | 200 нм + 200 нм |
Промежуточные слои, образующие туннельный переход | AlInGaN | 3,26≤a≤3,5 Å, Eg=2,48 эВ | 30 нм + 30 нм |
Двухслойный компонент с p-n-переходом | AlInGaN | 2,48≤Eg≤3,2 эВ, a=3,26 Å | 200 нм + 200 нм |
Промежуточные слои | AlInGaN | 3,18≤a≤3,26 Å, Eg=3,2 эВ | 100 нм + 100 нм |
Подложка | Sic | Sic | 400 мкм |
Eg - ширина запрещенной зоны (эВ), а - постоянная решетки (Å).
Диапазон изменений состава (x, y) для каждого слоя AlxInyGa1-x-yN определяется из следующих соотношений:
Eg=x·Eg(AlN)+y·Eg(InN)+(1-x-y)·Eg(GaN)-xy-C12-x(1-x-y)·C13-y(1-x-y)·C23, где Eg(AlN), Eg(InN), Eg(GaN) - параметры ширины запрещенной зоны AlN, InN, GaN соответственно, C12, C13, C23 - параметры провисания запрещенной зоны (эВ) для твердых растворов AlIn1-x, AlxGa1-xN, InxGa1-xN соответственно.
a=a(AlN)·x+a(InN)·y+a(GaN)·(1-x-y), где a(AlN), a(InN), a(GaN) - параметры кристаллических решеток AlN, InN, GaN соответственно.
Оценка КПД экспериментальных образцов солнечных элементов была проведена с помощью измерителя параметров солнечных элементов ST-1000 фирмы ТЕЛЕКОМ-СТВ (Россия).
В Таблице 2 представлены основные характеристики установки для измерения параметров образцов солнечных элементов.
Таблица 2 | |
Характеристики установки для изменения параметров образцов солнечных элементов | |
Тип и марка прибора | Основные характеристики |
Измеритель параметров солнечных элементов ST-1000 фирмы ТЕЛЕКОМ-СТВ (Россия) | 1. Поле однородной засветки при неравномерности ±1%: 150×150 мм |
2. Спектр засветки: AM 1.5 по классу В (IEC 904-9) | |
3. Диапазон измеряемых напряжений: -2,4 ÷ +2,4 В | |
4. Погрешность измерения напряжений для диапазона значений холостого хода: 0,5-1,0 В±1% | |
5. Дискретность измерения напряжения: 0,3 мВ | |
6. Диапазон измеряемых токов: -8,0 - +8,0 А | |
7. Погрешность измерения тока для диапазона значений короткого замыкания: 4÷8 А±1% | |
8. Длительность импульса засветки: не более 10 мс | |
9. Дискретность измерения температуры: 0,2°С |
Были проведены измерения параметров экспериментальных образцов при стандартных условиях измерений (температура окружающей среды 16÷26°С, относительная влажность воздуха не более 85%, атмосферное давление 750±50 мм рт.ст.).
КПД образцов с концентратором солнечного излучения AM 1,5-Global составлял 50%±5%.
Claims (4)
1. Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент, включающий подложку, на которой размещены, по крайней мере, два двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, выполненные из твердых растворов нитридов металлов третьей группы, сопряженные между собой промежуточными слоями, причем ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией, отличающийся тем, что слои двухслойных компонентов и промежуточные слои выполнены из четверного твердого раствора AlInGaN, между подложкой и двухслойным компонентом с p-n-переходом между слоями и каждой парой двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями размещены, по крайней мере, два промежуточных слоя, промежуточные слои и сопряженные с ними фрагменты солнечного элемента выполнены с одинаковым значением ширины запрещенной зоны, двухслойные компоненты с p-n-переходами между слоями и сопряженные с ними промежуточные слои выполнены с одинаковым значением постоянной решетки, при этом сопряженные между собой слои двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями выполнены с различным значением ширины запрещенной зоны, а сопряженные между собой промежуточные слои - с различным значением постоянной решетки.
2. Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из проводящего материала.
3. Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что подложка выполнена из карбида кремния.
4. Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что промежуточные слои, расположенные между двухслойными компонентами, выполнены в форме туннельных переходов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013133224/28A RU2547324C2 (ru) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013133224/28A RU2547324C2 (ru) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013133224A RU2013133224A (ru) | 2015-01-27 |
RU2547324C2 true RU2547324C2 (ru) | 2015-04-10 |
Family
ID=53281014
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013133224/28A RU2547324C2 (ru) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2547324C2 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009089201A2 (en) * | 2008-01-07 | 2009-07-16 | Rosestreet Labs Energy, Inc. | Group iii-nitride solar cell with graded compositions |
RU2376679C1 (ru) * | 2008-09-16 | 2009-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Технология Полупроводниковых Кристаллов" | Полупроводниковый многопереходный солнечный элемент |
WO2012009808A1 (en) * | 2010-07-19 | 2012-01-26 | Cyrium Technologies Incorporated | Solar cell with epitaxially grown quantum dot material |
-
2013
- 2013-07-16 RU RU2013133224/28A patent/RU2547324C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009089201A2 (en) * | 2008-01-07 | 2009-07-16 | Rosestreet Labs Energy, Inc. | Group iii-nitride solar cell with graded compositions |
RU2376679C1 (ru) * | 2008-09-16 | 2009-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Технология Полупроводниковых Кристаллов" | Полупроводниковый многопереходный солнечный элемент |
WO2012009808A1 (en) * | 2010-07-19 | 2012-01-26 | Cyrium Technologies Incorporated | Solar cell with epitaxially grown quantum dot material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013133224A (ru) | 2015-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kuwahara et al. | GaInN-based solar cells using strained-layer GaInN/GaInN superlattice active layer on a freestanding GaN substrate | |
Xie et al. | Metal–semiconductor–metal ultraviolet avalanche photodiodes fabricated on bulk GaN substrate | |
Saron et al. | Interface properties determined the performance of thermally grown GaN/Si heterojunction solar cells | |
Islam et al. | MOVPE growth of InxGa1− xN (x∼ 0.4) and fabrication of homo-junction solar cells | |
Zhang et al. | The effect of dislocations on the efficiency of InGaN/GaN solar cells | |
Valdueza-Felip et al. | Photovoltaic response of InGaN/GaN multiple-quantum well solar cells | |
Gao et al. | Semipolar (1122) AlGaN-based solar-blind ultraviolet photodetectors with fast response | |
Imran et al. | Molecular beam epitaxy growth of high mobility InN film for high-performance broadband heterointerface photodetectors | |
Lv et al. | Polarization engineered InGaN/GaN visible-light photodiodes featuring high responsivity, bandpass response, and high speed | |
Boney et al. | Growth and characterization of InGaN for photovoltaic devices | |
Zeng et al. | Thickness-dependent enhanced optoelectronic performance of surface charge transfer-doped ReS 2 photodetectors | |
CN110323295B (zh) | 一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池 | |
Lozac'h et al. | Study of defect levels in the band gap for a thick InGaN film | |
CN110335904B (zh) | 一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池 | |
RU2547324C2 (ru) | Многопереходный полупроводниковый солнечный элемент | |
CN102290458A (zh) | 一种InGaN太阳能电池外延片及其制备方法 | |
Sou et al. | High performance ZnSTe photovoltaic visible-blind ultraviolet detectors | |
Jing et al. | Enhanced performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with patterned sapphire substrate | |
Gherasoiu et al. | InGaN pn-junctions grown by PA-MBE: Material characterization and fabrication of nanocolumn electroluminescent devices | |
Mukhtarova et al. | InGaN/GaN multiple‐quantum well heterostructures for solar cells grown by MOVPE: case studies | |
CN102832272A (zh) | InGaN太阳能电池及其制作方法 | |
Liu et al. | Comparative study on the InGaN multiple-quantum-well solar cells assisted by capacitance-voltage measurement with additional laser illumination | |
Fabien et al. | Large-area III-nitride double-heterojunction solar cells with record-high in-content InGaN absorbing layers | |
RU2548580C2 (ru) | Гетероструктура многопереходного солнечного элемента | |
Li et al. | InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with good open-circuit voltage and concentrator action |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170717 |