RU2610225C1 - Four-junction solar cell - Google Patents

Four-junction solar cell Download PDF

Info

Publication number
RU2610225C1
RU2610225C1 RU2015149601A RU2015149601A RU2610225C1 RU 2610225 C1 RU2610225 C1 RU 2610225C1 RU 2015149601 A RU2015149601 A RU 2015149601A RU 2015149601 A RU2015149601 A RU 2015149601A RU 2610225 C1 RU2610225 C1 RU 2610225C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
sub
solar cell
layers
substrate
Prior art date
Application number
RU2015149601A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Акимович Торопов
Сергей Валерьевич Сорокин
Григорий Викторович Климко
Евгений Андреевич Европейцев
Сергей Викторович Иванов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2015149601A priority Critical patent/RU2610225C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2610225C1 publication Critical patent/RU2610225C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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
    • H01L31/0256Semiconductor 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 the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/0328Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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
    • H01L31/0352Semiconductor 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 shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/04Semiconductor 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
    • H01L31/06Semiconductor 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
    • H01L31/068Semiconductor 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 homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0687Multiple junction or tandem solar cells
    • H01L31/06875Multiple junction or tandem solar cells inverted grown metamorphic [IMM] multiple junction solar cells, e.g. III-V compounds inverted metamorphic multi-junction cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544Solar cells from Group III-V materials

Landscapes

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

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: four-junction solar cell includes, successively grown on a substrate (1) made of p-Ge, four sub-cells (2), (3), (4), (5), connected to each other by tunnel p-n junctions (6, 7, 8), a metamorphous gradient buffer layer (9) between first (2) and second (3) sub-cells and a contact layer (10). The first sub-cell (2) includes a substrate (1) made of p-Ge, a layer (11) made of n-Ge, a wide-bandgap layer (12) made of n-GalnP and a buffer layer (13) made of n-GaInAs, the second sub-cell (3) includes a layer (14) made of p-GalnAs and a layer (15) made of n-GaInAs, the third sub-cell (4) includes a layer (16) made of p-AIGalnAs and a layer (17) made of n-AlGaInAs, and the fourth sub-cell (5) includes short-period superlattices of A2B6 of p- and n-type (18, 19). The second, third and fourth sub-cells of the multi-junction solar cell are matched on the lattice constant with InxGa1-xAs (x=0.25-0.3), and the first (Ge) sub-cell of the multi-junction solar cell is pseudomorphous with the substrate (1) made of p-Ge.
EFFECT: four-junction solar cell is easier to make and has higher bandgap of the upper wide-bandgap sub-cell, which provides high efficiency of converting the short-wave part of solar radiation.
2 ex, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области солнечной энергетики, а более конкретно к конструкции многопереходных солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений групп А3В5 и А2В6, служащих для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.The present invention relates to the field of solar energy, and more specifically to the design of multi-junction solar cells based on semiconductor compounds of groups A3B5 and A2B6, which are used to convert the energy of solar radiation into electrical energy.

Из существующего уровня техники известно, что, в соответствии с фундаментальными принципами термодинамики, установленными в работах Шокли и Куезье (W. Shockley, H.J. Queisser, J. Appl. Phys., V. 32, p. 510, 1961) и Генри (C.H. Henry, J. Appl. Phys. V. 51, p.4494, 1980), коэффициент полезного действия (КПД) преобразования солнечной энергии в электрическую однопереходных солнечных элементов не может превышать 31% при стандартном солнечном освещении (AM 1,5 Global, “1 Солнце”) и 37% при тысячекратно сконцентрированном солнечном освещении (“1000 Солнц”). Возможности преодоления фундаментального предела эффективности преобразования солнечного излучения однопереходным элементом связаны с применением многопереходных солнечных элементов, включающих в себя два и более туннельно-связанных фотодиодных p-n перехода (субэлементов), выполненных из полупроводников с различными ширинами запрещенной зоны (Hutchby, J.A., Markunas, R.J., Bedair, S.M., Proceedings of the 18th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, USA. IEEE, New York, p. 20, 1985). Каждый фотоактивный p-n переход многопереходной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным условиям преобразования солнечного спектра и значительно повысить КПД. Для структур трехпереходного солнечного элемента, псевдоморфно выращенного на подложке Ge, в котором все материалы p-n переходов имеют близкие постоянные решетки: Ge с шириной запрещенной зоны Eg, равной 0,67 эВ, Ga(In)As с Eg~1,4 эВ и InGaP с Eg~1,85 эВ, а отдельные фотоактивные p-n переходы соединены электрически с помощью туннельных p-n переходов и оптически посредством широкозонных слоев GaInP и AlInP, была продемонстрирована эффективность, приближающаяся к 42% (М.А. Green, К. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E.D. Dunlop, Prog. Photovolt: Res. Appl., V. 21, p. 1, 2013). Основное преимущество псевдоморфных структур солнечных элементов заключается в возможности формирования слоев материалов с относительно малой плотностью дефектов. Их главный недостаток - это отсутствие возможности оптимизации ширин запрещенной зоны твердых растворов, формирующих p-n переходы, так как они жестко фиксированы условием равенства постоянной решетки. Альтернативный подход заключается в использовании метаморфной структуры (М.A. Green, К. Emery, D.L. King, Y. Hisikawa, and W. Warta, Prog. Photovoltaics Res. Appl. 14, 45, 2006). Основное отличие заключается в наличии между наиболее узкозонным переходом на основе Ge и следующим за ним переходом на основе GaInAs метаморфных буферных слоев, позволяющих вырастить GalnAs переход с существенно большим составом по In, ширина запрещенной зоны которого (1,18 эВ) ближе к оптимальной, чем у InGaAs с постоянной решетки Ge. Несмотря на заметно большую плотность дефектов, солнечные элементы такого типа показывают высокую эффективность (до 41,1%), сравнимую с эффективностью псевдоморфных структур (D.J. Friedman, J.М. Olson, and S. Kurtz, in Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2nd ed., edited by A. Luque and S. Hegedus, John Wiley and Sons, Chichester, 2011). Еще большая эффективность фотоэлектрического преобразования (~44%) (спектр AM 1,5, 942 солнца) была получена в метаморфном 3-х переходном солнечном элементе GaInP/GaAs/GaInAs [М.А. Green, К. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E.D. Dunlop, Prog. Photovolt: Res. Appl. 21, 1 (2013)]. Рекордная на сегодняшний день эффективность фотоэлектрического преобразования (~45,7%) (спектр AM1.5, 234 солнца), была получена в инверсном метаморфном четырехпереходном солнечном элементе GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs (NREL press release NR-4514, 16 December 2014). Однако дальнейшее увеличение КПД преобразования четырехпереходного солнечного элемента не может быть выполнено с использованием соединений группы А3В5 в силу отсутствия в этой группе прямозонных соединений с достаточно большой шириной запрещенной зоны.From the current level of technology it is known that, in accordance with the fundamental principles of thermodynamics established in the works of Shockley and Kuesye (W. Shockley, HJ Queisser, J. Appl. Phys., V. 32, p. 510, 1961) and Henry (CH Henry, J. Appl. Phys. V. 51, p.4494, 1980), the efficiency of conversion of solar energy into electrical single-junction solar cells cannot exceed 31% under standard solar illumination (AM 1,5 Global, “ 1 Sun ”) and 37% in a thousandfold concentrated sunlight (“ 1000 Suns ”). Opportunities to overcome the fundamental limit of the conversion efficiency of solar radiation by a single junction cell are associated with the use of multi-junction solar cells, including two or more tunnel-coupled photodiode pn junctions (subcells) made of semiconductors with different bandgaps (Hutchby, JA, Markunas, RJ, Bedair, SM, Proceedings of the 18th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, USA. IEEE, New York, p. 20, 1985). Each photoactive p-n junction of a multi-junction structure converts only part of the solar spectrum, which allows realizing transformations of the solar spectrum close to optimal conditions and significantly increasing efficiency. For structures of a three-junction solar cell pseudomorphically grown on a Ge substrate in which all pn junction materials have close lattice constants: Ge with a band gap Eg of 0.67 eV, Ga (In) As with Eg ~ 1.4 eV and InGaP with Eg ~ 1.85 eV, and individual photoactive pn junctions are connected electrically using tunnel pn junctions and optically through wide-gap GaInP and AlInP layers, an efficiency approaching 42% has been demonstrated (M.A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and ED Dunlop, Prog. Photovolt: Res. Appl., V. 21, p. 1, 2013). The main advantage of pseudomorphic structures of solar cells lies in the possibility of forming layers of materials with a relatively low density of defects. Their main drawback is the lack of the possibility of optimizing the band gap of solid solutions forming p-n junctions, since they are rigidly fixed by the condition of equality of the lattice constant. An alternative approach is to use a metamorphic structure (M.A. Green, K. Emery, D.L. King, Y. Hisikawa, and W. Warta, Prog. Photovoltaics Res. Appl. 14, 45, 2006). The main difference lies in the presence of a metamorphic buffer layer between the narrowest Ge-based transition and the subsequent GaInAs-based transition, which allow one to grow a GalnAs transition with a substantially larger In composition, the band gap of which (1.18 eV) is closer to optimal than InGaAs with Ge lattice constant. Despite a markedly higher defect density, solar cells of this type show high efficiency (up to 41.1%), comparable to the efficiency of pseudomorphic structures (DJ Friedman, J.M. Olson, and S. Kurtz, in Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2nd ed., Edited by A. Luque and S. Hegedus, John Wiley and Sons, Chichester, 2011). An even greater efficiency of photoelectric conversion (~ 44%) (spectrum AM 1.5, 942 of the sun) was obtained in the metamorphic 3-junction solar cell GaInP / GaAs / GaInAs [M.A. Green, C. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E.D. Dunlop, Prog. Photovolt: Res. Appl. 21, 1 (2013)]. The current record photoelectric conversion efficiency (~ 45.7%) (spectrum AM1.5, 234 suns) was obtained in the inverse metamorphic four-junction solar cell GaInP / GaAs / GaInAs / GaInAs (NREL press release NR-4514, 16 December 2014 ) However, a further increase in the conversion efficiency of the four-junction solar cell cannot be performed using compounds of the A3B5 group due to the absence of direct-gap compounds with a sufficiently large band gap in this group.

Известен четырехпереходный солнечный элемент (заявка CN 102569475, МПК H01L-031/0725; H01L-031/0735; H01L-031/18, опубликована 11.07.2012), выращенный на подложке InP и содержащий два субэлемента на основе p-n переходов InGaAs и InGaAsP, изопериодичных к подложке InP, градиентный метаморфный буферный слой InxGa1-xP с плавным изменением состава и с постоянной решетки, изменяющейся от 0,58 нм до 0,566 нм, и два субэлемента на основе p-n переходов InAlGaAs и InGaAsP с постоянной решетки, согласованной с постоянной решетки у поверхности градиентного буферного слоя InGaP. При этом ширины запрещенной зоны субэлементов находятся соответственно в диапазоне 0,72-0,76 эВ, 1-1,1 эВ, 1,35-1,42 эВ и 1.85-1,92 эВ.A four-junction solar cell is known (application CN 102569475, IPC H01L-031/0725; H01L-031/0735; H01L-031/18, published July 11, 2012) grown on an InP substrate and containing two subelements based on pn junctions InGaAs and InGaAsP, isoperiodic to the InP substrate, the In x Ga 1-x P gradient metamorphic buffer layer with a smooth composition change and with a lattice constant varying from 0.58 nm to 0.566 nm, and two subelements based on pn junctions InAlGaAs and InGaAsP with a lattice constant consistent from the lattice constant at the surface of the InGaP gradient buffer layer. In this case, the band gap of the subelements are respectively in the range of 0.72-0.76 eV, 1-1.1 eV, 1.35-1.42 eV and 1.85-1.92 eV.

Недостатками известного четырехпереходного солнечного элемента являются необходимость удаления подложки при постростовых операциях и недостаточная эффективность преобразования коротковолновой части спектра солнечного излучения, так как ширина запрещенной зоны верхнего субэлемента не превышает 1,92 эВ.The disadvantages of the known four-junction solar cell are the need to remove the substrate during post-growth operations and the insufficient conversion efficiency of the short-wavelength part of the solar radiation spectrum, since the band gap of the upper subcell does not exceed 1.92 eV.

Известен многопереходный солнечный элемент (заявка РСТ WO 2014078664, МПК H01L 31/04; H01L 31/18, опубликована 22.05.2014), содержащий субэлементы на основе p-n переходов элементов IV группы (Ge, SiGe) и p-n переходов на основе материалов группы А3В5, таких как (Al)InGaP, (Al)GaAs, InGa(As)P, Al(In)GaAs, Ga(In)As, GaInNAsSb и др. Многопереходный солнечный элемент содержит первую группу из одного и более субэлементов, согласованных по постоянной решетки с первой подложкой, и вторую группу из одного и более субэлементов, согласованных по постоянной решетки со второй подложкой, при этом вторая группа субэлементов связана с первой группой субэлементов посредством специальной технологии соединения пластин (wafer bonding).A multi-junction solar cell is known (PCT application WO 2014078664, IPC H01L 31/04; H01L 31/18, published May 22, 2014) containing subcells based on pn junctions of group IV elements (Ge, SiGe) and pn junctions based on materials of the A3B5 group, such as (Al) InGaP, (Al) GaAs, InGa (As) P, Al (In) GaAs, Ga (In) As, GaInNAsSb, etc. A multi-junction solar cell contains the first group of one or more sub-cells matched by the lattice constant with the first substrate, and a second group of one or more subelements matched along the lattice constant with the second substrate, while the second group subelements is connected with the first group of subelements through a special wafer bonding technology.

Недостатками известного многопереходного солнечного элемента являются сложность постростовых операций и низкая эффективность преобразования коротковолновой части спектра солнечного излучения.The disadvantages of the known multi-junction solar cell are the complexity of post-growth operations and low conversion efficiency of the short-wave part of the spectrum of solar radiation.

Известен четырехпереходный солнечный элемент (заявка РСТ WO 2009067347, МПК 01L 21/20, H01L 21/36, H01L 29/20, H01L 29/22, опубликована 28.05.2009), содержащий последовательно выращенные на подложке из GaSb четыре субэлемента, соединенных между собой туннельными p-n переходами, и контактный слой. Каждый субэлемент включает p-n переход, образованный двумя слоями из соединений А3В5 или А2В6, где слои легированы соответственно p- и n-типом проводимости. Первый (прилегающий к подложке) субэлемент включает p- и n-слои GaSb (ширина запрещенной зоны Eg1=0,72 эВ), второй субэлемент включает p- и n-слои AlxGa1-xASySb1-y (Eg2=1,32 эВ), третий субэлемент включает p- и n-слои ZnxCd1-xSeyTe1-y (Eg3=1,71 эВ), а четвертый (верхний, ближайший к поверхности структуры) субэлемент включает p- и n-слои ZnTe (Eg1=2,27 эВ). Субэлементы согласованы по постоянной решетки с подложкой или псевдоморфны к подложке.A four-junction solar cell is known (PCT application WO 2009067347, IPC 01L 21/20, H01L 21/36, H01L 29/20, H01L 29/22, published May 28, 2009) containing four subcells successively grown on a GaSb substrate interconnected tunnel pn junctions, and a contact layer. Each subelement includes a pn junction formed by two layers of compounds A3B5 or A2B6, where the layers are doped with p- and n-type conductivity, respectively. The first (adjacent to the substrate) subelement includes p- and n-layers of GaSb (band gap Eg1 = 0.72 eV), the second subelement includes p- and n-layers Al x Ga 1-x AS y Sb 1-y (Eg2 = 1.32 eV), the third subelement includes p- and n-layers Zn x Cd 1-x Se y Te 1-y (Eg3 = 1.71 eV), and the fourth (upper, closest to the surface of the structure) subelement includes p - and n-layers of ZnTe (Eg1 = 2.27 eV). Subelements are matched along the lattice constant with the substrate or pseudomorphic to the substrate.

Недостатками известного четырехпереходного солнечного элемента являются невысокие уровни легирования p-типа или n-типа четверных твердых растворов ZnCdSeTe, обогащенных соответственно CdSe или ZnTe для достижения необходимых значений ширины запрещенной зоны, и особенно невозможность достижения высоких уровней легирования n-типа ZnTe при выращивании стандартными эпитаксиальными методами. Дополнительной проблемой при технологической реализации четверных твердых растворов ZnCdSeTe является сложность получения слоев заданного состава из-за наличия в твердом растворе двух летучих компонентов Se и Te. Следует также отметить высокую стоимость подложек GaSb и InAs, на которых могут быть реализованы данные солнечные элементы-прототипы.The disadvantages of the known four-junction solar cell are the low doping levels of p-type or n-type quaternary ZnCdSeTe solid solutions enriched with CdSe or ZnTe respectively to achieve the required band gap, and especially the impossibility of achieving high levels of doping of n-type ZnTe when grown by standard epitaxial methods . An additional problem in the technological implementation of ZnCdSeTe quaternary solid solutions is the difficulty in obtaining layers of a given composition due to the presence of two volatile components Se and Te in the solid solution. It should also be noted the high cost of GaSb and InAs substrates, on which these prototype solar cells can be implemented.

Известен четырехпереходный солнечный элемент (заявка ЕР2672528, МПК G01R-031/26; H01L-031/04; Н01L-031/0687, опубликована 11.12.2013), совпадающий с настоящим изобретением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный элемент-прототип содержит подложку (GaAs) и четыре субэлемента на основе p-n переходов InGaP, GaAs, InGaAs и InGaAs с ширинами запрещенной зоны соответственно 1,9 эВ, 1,4 эВ, 1,0 эВ и 0,7 эВ, соединенных между собой туннельными p-n переходами. Для согласования постоянных решетки различных субэлементов структура известного четырехпереходного солнечного элемента содержит два метаморфных градиентных буферных слоя, выращиваемых между субэлементами на основе GaAs и InGaAs и между двумя субэлементами на основе InGaAs. Выращивание структуры инвертированного солнечного элемента проводят в обратном порядке, т.е. начиная с субэлемента с максимальной шириной запрещенной зоны и заканчивая субэлементом с минимальной шириной запрещенной зоны, после чего отделяют подложку. Соответственно, первый (прилегающий к подложке) субэлемент включает p- и n-слои InGaP (ширина запрещенной зоны Eg1=1,9 эВ), второй субэлемент включает p- и n-слои GaAs (Eg2=1,4 эВ), третий субэлемент включает p- и n-слои InGaAs (Eg3=1,0 эВ), а четвертый (нижний) субэлемент включает p- и n-слои InGaAs (Eg4=0,7 эВ).A four-junction solar cell is known (application EP2672528, IPC G01R-031/26; H01L-031/04; H01L-031/0687, published December 11, 2013), which coincides with the present invention by the largest number of essential features and adopted as a prototype. The prototype solar cell contains a substrate (GaAs) and four subcells based on pn junctions InGaP, GaAs, InGaAs and InGaAs with bandgaps of 1.9 eV, 1.4 eV, 1.0 eV and 0.7 eV, respectively, connected between tunnel pn junctions. To coordinate the lattice constants of the various subcells, the structure of the known four-junction solar cell contains two metamorphic gradient buffer layers grown between the GaAs and InGaAs subelements and between the two InGaAs subelements. The structure of the inverted solar cell is grown in the reverse order, i.e. starting with a sub-element with a maximum band gap and ending with a sub-element with a minimum band gap, after which the substrate is separated. Accordingly, the first (adjacent to the substrate) subelement includes p- and n-layers of InGaP (band gap Eg1 = 1.9 eV), the second subelement includes p- and n-layers of GaAs (Eg2 = 1.4 eV), the third subelement includes p- and n-layers of InGaAs (Eg3 = 1.0 eV), and the fourth (lower) subelement includes p- and n-layers of InGaAs (Eg4 = 0.7 eV).

Недостатками известного четырехпереходного солнечного элемента является наличие двух областей генерации структурных дефектов из-за использования двух метаморфных градиентных буферных слоев, сложность постростовых операций, связанных с удалением подложки, и недостаточная эффективность преобразования коротковолновой части спектра солнечного излучения.The disadvantages of the known four-junction solar cell are the presence of two regions of generation of structural defects due to the use of two metamorphic gradient buffer layers, the complexity of post-growth operations associated with the removal of the substrate, and the insufficient conversion efficiency of the short-wave part of the solar radiation spectrum.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого четерехпереходного солнечного элемента, который был бы более прост в изготовлении и имел бы более высокое значение ширины запрещенной зоны (более 2 эВ) верхнего широкозонного субэлемента, что необходимо для получения высокого значения КПД преобразования коротковолновой части солнечного излучения.The objective of the present invention was to develop such a four-junction solar cell that would be simpler to manufacture and have a higher band gap (more than 2 eV) of the upper wide-band sub-cell, which is necessary to obtain a high conversion efficiency of the short-wave part of solar radiation.

Поставленная задача решается тем, что четырехпереходный солнечный элемент включает последовательно выращенные на подложке из p-Ge четыре субэлемента, соединенные между собой туннельными p-n переходами, контактный слой и метаморфный градиентный буферный слой между первым и вторым субэлементами. Первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge, слой широкозонного окна из n-GaInP и буферный слой из n-GaInAs. Метаморфный градиентный буферный слой включает в себя слой из p-Ga1-xInxAs с x=0,01 в начале роста и до x=0,30-0,40 в приповерхностной области слоя. Второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs. Третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs. Четвертый субэлемент включает короткопериодные сверхрешетки (CP) А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и с общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnSe или ZnSySe1-y, где y=0,05-0,40, толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя. Второй, третий и четвертый субэлементы согласованы по постоянной решетки с InxGa1-xAs, где x=0,25-0,30, а первый субэлемент псевдоморфен подложке из p-Ge.The problem is solved in that the four-junction solar cell includes four sub cells successively grown on a p-Ge substrate, interconnected by tunnel pn junctions, a contact layer, and a metamorphic gradient buffer layer between the first and second sub cells. The first sub-element includes a p-Ge substrate, an n-Ge layer, a wide-gap window layer of n-GaInP and a buffer layer of n-GaInAs. The metamorphic gradient buffer layer includes a p-Ga 1-x In x As layer with x = 0.01 at the beginning of growth and up to x = 0.30-0.40 in the near-surface region of the layer. The second subelement includes a p-GaInAs layer and an n-GaInAs layer. The third sub-element includes a layer of p-AlGaInAs and a layer of n-AlGaInAs. The fourth subelement includes short-period p- and n-type A2B6 superlattices (CP) with an effective band gap of Eg4 = 2.1-2.2 eV and a total thickness of 0.4-0.5 μm, each of which consists of alternating layers CdSe with a thickness of 2.5 ÷ 4.5 monomolecular layers and ZnSe or ZnS y Se 1-y , where y = 0.05-0.40, with a thickness of 2.5 ÷ 10 monomolecular layers. The second, third and fourth subelements are lattice-constant matched with In x Ga 1-x As, where x = 0.25-0.30, and the first subelement is pseudomorphic to the p-Ge substrate.

Структура настоящего четырехпереходного солнечного элемента содержит метаморфный градиентный буферный слой InxGa1-xAs, выращиваемый между субэлементами на основе Ge и InGaAs, с целью сопряжения первого субэлемента (Ge) с остальными субэлементами четырехпереходного солнечного элемента, при этом три верхних субэлемента на основе p-n переходов InGaAs, InAlGaAs и короткопериодных сверхрешеток соединений А2В6 согласованы по постоянной решетки друг с другом. Использование метаморфного градиентного буферного слоя InxGa1-xAs позволяет сконструировать структуру четырехпереходного солнечного элемента с оптимально подобранными ширинами запрещенных зон, что потенциально позволяет реализовать солнечный элемент с эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую энергию более 50%.The structure of this four-junction solar cell contains an In x Ga 1-x As metamorphic gradient buffer layer grown between the Ge and InGaAs sub-cells to pair the first sub-cell (Ge) with the remaining sub-cells of the four-junction solar cell, with the top three pn-based subcells transitions InGaAs, InAlGaAs and short-period superlattices of A2B6 compounds are coordinated with each other along the lattice constant. Using the metamorphic gradient buffer layer In x Ga 1-x As allows us to construct a four-junction solar cell structure with optimally selected bandgaps, which potentially allows us to realize a solar cell with an efficiency of converting solar energy into electrical energy of more than 50%.

Для изменения постоянной решетки при переходе от первого субэлемента на основе p-n перехода Ge ко второму субэлементу на основе p-n перехода GaInAs структура содержит метаморфный буферный слой p-InxGa1-xAs с линейным профилем изменения состава.To change the lattice constant during the transition from the first subelement based on the Ge pn junction to the second subelement based on the GaInAs pn junction, the structure contains a metamorphic p-In x Ga 1-x As buffer layer with a linear profile of composition change.

Новым в настоящем четырехпереходном солнечном элементе является одновременное выполнение подложки и первого субэлемента из слоев германия, а четвертого элемента в виде короткопериодных сверхрешеток соединений А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnSySe1-y толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя, где y=0-0,4.New in this four-junction solar cell is the simultaneous fabrication of the substrate and the first sub-element from germanium layers, and the fourth element in the form of short-period superlattices of p- and n-type A2B6 compounds with an effective band gap of Eg4 = 2.1-2.2 eV and a total thickness 0.4-0.5 μm, each of which consists of alternating layers of CdSe with a thickness of 2.5 ÷ 4.5 monomolecular layers and ZnS y Se 1-y with a thickness of 2.5 ÷ 10 monomolecular layers, where y = 0- 0.4.

Общая толщина 0,4-0,5 мкм короткопериодных сверхрешеток p- и n-типа, определяемая в основном толщиной p-области базы (0,4-0,45 мкм), определяется глубиной проникновения в полупроводник коротковолновой части солнечного излучения (при малой суммарной толщине CP - недостаточная эффективность поглощения света, а при большой толщине - увеличение времени роста и сопротивления структуры без увеличения эффективности). Диапазон толщин образующих CP слоев CdSe и ZnSySe1-y обусловлен необходимостью согласования средней постоянной решетки CP с постоянной решетки второго субэлемента на основе p-n перехода InxGa1-xAs (с Eg2~1,0-1,1 эВ и x=0,25-0,3) для выполнения условия псевдоморфности роста, т.е. чтобы толщина каждого слоя CP была меньше критической толщины псевдоморфного роста hcr, зависящей от величины рассогласования постоянной решетки данного слоя с постоянной решетки второго субэлемента на основе p-n перехода InxGa1-xAs (x=0,25-0,3), и необходимостью обеспечения эффективного вертикального транспорта носителей в сверхрешетке, определяемого эффективной шириной мини-зоны тяжелых дырок.The total thickness of 0.4-0.5 microns of short-period p- and n-type superlattices, determined mainly by the thickness of the p-region of the base (0.4-0.45 microns), is determined by the penetration depth of the short-wave part of solar radiation into the semiconductor (for small the total thickness of CP is the insufficient efficiency of light absorption, and with a large thickness - an increase in the growth time and resistance of the structure without increasing the efficiency). The thickness range of the CP-forming CdSe and ZnS y Se 1-y layers is due to the necessity of matching the average lattice constant of CP with the lattice constant of the second subelement based on the pn junction In x Ga 1-x As (with Eg2 ~ 1.0-1.1 eV and x = 0.25-0.3) to satisfy the condition of pseudomorphic growth, i.e. so that the thickness of each CP layer is less than the critical thickness of the pseudomorphic growth h cr , depending on the mismatch of the lattice constant of this layer with the lattice constant of the second subelement based on the pn junction In x Ga 1-x As (x = 0.25-0.3), and the need to ensure effective vertical transport of carriers in the superlattice, determined by the effective width of the mini-zone of heavy holes.

Расчеты показывают, что данным условиям соответствует диапазон толщин слоев CdSe в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnSySe1-y в 2,5÷10 мономолекулярных слоя при y=0-0,4. Выбор величины y=0-0,4 обусловлен тем, что при y>0,4 для формирования CP (CdSe/ZnSySe1-y), изопериодичной к InxGa1-xAs (x=0,2-0,3), методом молекулярно-пучковой эпитаксии требуется использование низкой (менее 250°C) температуры роста, которая определяется коэффициентом встраивания серы при стехиометрических условиях на поверхности роста [S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, P.S. Kop’ev, J.R. Kim, H.D. Jung and H.S. Park, J. Crystal Growth 159, 16 (1996)], или использования далеких от оптимальных условий сильного обогащения поверхности атомами Zn при МПЭ слоев ZnSySe1-y, что приводит к ухудшению морфологии и увеличению количества дефектов в СР. Выбор интервала эффективной ширины запрещенной зоны CP Eg4=2,1-2,2 эВ следует из определенного диапазона параметров CP (CdSe/ZnSySe1-y).Calculations show that these conditions correspond to the range of thicknesses of CdSe layers in 2.5 ÷ 4.5 monomolecular layers and ZnS y Se 1-y in 2.5 ÷ 10 monomolecular layers at y = 0-0.4. The choice of y = 0-0.4 is due to the fact that for y> 0.4 for the formation of CP (CdSe / ZnS y Se 1-y ), isoperiodic to In x Ga 1-x As (x = 0.2-0 , 3) the use of molecular beam epitaxy requires the use of a low (less than 250 ° C) growth temperature, which is determined by the coefficient of sulfur incorporation under stoichiometric conditions on the growth surface [SV Ivanov, SV Sorokin, PS Kop'ev, JR Kim, HD Jung and HS Park, J. Crystal Growth 159, 16 (1996)], or use far from optimal conditions for strong enrichment of the surface with Zn atoms in the MPE of ZnS y Se 1-y layers, which leads to a decrease in morphology and an increase in the number of defects in the SR. The choice of the effective gap band gap CP Eg4 = 2.1-2.2 eV follows from a certain range of CP parameters (CdSe / ZnS y Se 1-y ).

Введение в конструкцию четырехпереходного солнечного элемента метаморфного градиентного буферного слоя InxGa1-xAs позволяет оптимизировать структуру четырехпереходного солнечного элемента с точки зрения подбора ширин запрещенных зон субэлементов. При этом при выращивании метафорфного буферного слоя p-InxGa1-xAs необходимо использовать линейный профиль изменения состава, что определяется возможностью расчета напряжений (деформаций) на поверхности метаморфного буферного слоя с высокой степенью точности для последующего сопряжения второго, третьего и четвертого (верхнего) субэлементов с метаморфным буферным слоем по постоянной решетки.The introduction of the metamorphic In x Ga 1-x As gradient metamorphic gradient buffer layer into the design of the four-junction solar cell makes it possible to optimize the structure of the four-junction solar cell from the point of view of selecting the bandgap widths of the subcells. In this case, when growing the metaphoric buffer layer p-InxGa1-xAs, it is necessary to use a linear profile of compositional variation, which is determined by the possibility of calculating stresses (strains) on the surface of the metamorphic buffer layer with a high degree of accuracy for the subsequent coupling of the second, third and fourth (upper) subelements with metamorphic buffer layer along the lattice constant.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:The present invention is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 показано схематическое изображение в разрезе настоящего четырехпереходного солнечного элемента;in FIG. 1 is a schematic sectional view of a true four junction solar cell;

на фиг. 2 приведена параметрическая зависимость эффективной ширины запрещенной зоны и ширины мини-зоны тяжелых дырок от толщины слоев и от содержания S для сверхрешетки CdSe/ZnSSe, изопериодичной к InxGa1-xAs (x=0,3), (МС - мономолекулярный слой, CP - сверхрешетка);in FIG. Figure 2 shows the parametric dependence of the effective band gap and the mini-band width of heavy holes on the layer thickness and on the S content for the CdSe / ZnSSe superlattice isoperiodic to In x Ga 1-x As (x = 0.3), (MS is a monomolecular layer , CP is the superlattice);

на фиг. 3 даны рассчитанные для спектра АМ1,5:500 Солнц зависимости КПД четырехпереходного солнечного элемента от ширины запрещенной зоны 2-го перехода

Figure 00000001
при условии оптимизации по ширине запрещенной зоны 3-го перехода
Figure 00000002
для нескольких значений
Figure 00000003
; на нижней части фиг. 3 приведены соответствующие зависимости
Figure 00000004
от
Figure 00000005
.in FIG. Figure 3 shows the dependences of the efficiency of a four-junction solar cell on the band gap of the second transition calculated for the spectrum of AM1.5: 500 Sun
Figure 00000001
subject to optimization over the band gap of the 3rd transition
Figure 00000002
for multiple values
Figure 00000003
; on the bottom of FIG. 3 shows the corresponding dependencies
Figure 00000004
from
Figure 00000005
.

Настоящий четырехпереходный солнечный элемент (см. фиг. 1) выращен на подложке 1 из p-Ge и содержит четыре субэлемента 2, 3, 4, 5, соединенных между собой туннельными p-n переходами 6, 7, 8, метаморфный градиентный буферный слой 9 и контактный слой 10. Первый субэлемент 2 включает подложку 1 из p-Ge, слой 11 из n-Ge, слой 12 широкозонного окна из n-GaInP и буферный слой 13 из n-GaInAs, второй субэлемент 3 включает слой 14 из p-GaInAs и слой 15 из n-GaInAs, третий субэлемент 4 включает слой 16 из p-AlGaInAs и слой 17 из n-AlGaInAs, а четвертый субэлемент 5 включает короткопериодные CP 18, 19 А2В6 соответственно p-типа и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев (на чертеже не показаны) CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя (7,6÷13,7

Figure 00000006
) и ZnSySe1-y толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя (6,7÷28
Figure 00000006
), при содержании серы y=0-0,4. Четырехпереходной солнечный элемент содержит метаморфный градиентный буферный слой 9 InxGa1-xAs (с x, изменяемым от x=0,01-0,05 до x=0,28-0,38) с линейным профилем изменения состава, выращиваемый между субэлементом 2 на основе Ge и субэлементом 3 InGaAs с целью изменения постоянной решетки. Каждый субэлемент (кроме субэлемента 2 на основе Ge) также может включать слой тыльного барьера и слой широкозонного окна (на чертеже не показаны).The real four-junction solar cell (see Fig. 1) is grown on p-Ge substrate 1 and contains four subcells 2, 3, 4, 5, interconnected by tunnel pn junctions 6, 7, 8, a metamorphic gradient buffer layer 9, and a contact layer 10. The first sub-element 2 includes a p-Ge substrate 1, an n-Ge layer 11, a wide-gap window layer of n-GaInP 12 and a buffer layer 13 of n-GaInAs, the second sub-element 3 includes a p-GaInAs layer 14 and a layer 15 of n-GaInAs, the third sub-element 4 includes a layer 16 of p-AlGaInAs and a layer 17 of n-AlGaInAs, and the fourth sub-element 5 includes short-period CP 18, 19 A2B6, respectively p-type and n-type with an effective band gap Eg4 = 2.1-2.2 eV and a total thickness of 0.4-0.5 μm, each of which consists of alternating layers (not shown in the drawing) of CdSe with a thickness in 2.5 ÷ 4.5 monomolecular layers (7.6 ÷ 13.7
Figure 00000006
) and ZnS y Se 1-y with a thickness of 2.5 ÷ 10 monomolecular layers (6.7 ÷ 28
Figure 00000006
), with a sulfur content of y = 0-0.4. The four junction solar cell contains a 9 In x Ga 1-x As metamorphic gradient buffer layer (with x varying from x = 0.01-0.05 to x = 0.28-0.38) with a linear composition change profile grown between Ge-based sub-element 2 and InGaAs sub-element 3 in order to change the lattice constant. Each sub-element (except Ge-based sub-element 2) may also include a back barrier layer and a wide-gap window layer (not shown in the drawing).

Короткопериодные CP 18 и 19 соответственно p-типа и n-типа из слоев CdSe/ZnSySe1-y могут быть выращены в широком диапазоне эффективных значений ширины запрещенной зоны. Использование сверхрешеток 18, 19 CdSe/ZnSySe1-y по сравнению со слоями объемных твердых растворов ZnCdSSe позволяет изменять эффективное значение ширины запрещенной зоны посредством изменения толщин слоев CdSe и ZnSySe1-y, образующих CP 18, 19, без изменения состава слоев ZnSySe1-y. Использование CP 18, 19 CdSe/ZnSySe1-y, по сравнению со слоями объемных твердых растворов ZnCdSSe, также позволяет достигать достаточных уровней p-легирования (не менее 1017 см-3) и n-легирования (до 1019 см-3) при использовании метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), что подтверждается измерениями уровня легирования тестовых структур со CP CdSe/ZnSySe1-y. Субэлементы 3, 4, 5 многопереходного солнечного элемента псевдоморфны к InxGa1-xAs (x=0,2-0,3) метаморфному буферному слою 9 (согласованы с ним по постоянной решетки), субэлемент 2 псевдоморфен подложке 1 из p-Ge.Short-period CPs 18 and 19, respectively, of p-type and n-type from CdSe / ZnS y Se 1-y layers can be grown in a wide range of effective values of the band gap. The use of superlattices 18, 19 CdSe / ZnS y Se 1-y compared with the layers of bulk ZnCdSSe solid solutions allows one to change the effective band gap by changing the thicknesses of the CdSe and ZnS y Se 1-y layers forming CP 18, 19 without changing the composition ZnS y Se 1-y layers. The use of CP 18, 19 CdSe / ZnS y Se 1-y , in comparison with the layers of bulk ZnCdSSe solid solutions, also allows us to achieve sufficient levels of p-doping (at least 10 17 cm -3 ) and n-doping (up to 10 19 cm - 3 ) when using the method of molecular beam epitaxy (MPE), which is confirmed by measurements of the doping level of test structures with CP CdSe / ZnS y Se 1-y . Subelements 3, 4, 5 of a multi-junction solar cell are pseudomorphic to In x Ga 1-x As (x = 0.2-0.3) metamorphic buffer layer 9 (matched to it by the lattice constant), subelement 2 is pseudomorphic to substrate 1 of p- Ge.

Состав и толщины слоев CP CdSe/ZnSySe1-y 18, 19 при выращивании верхнего четвертого субэлемента 5 четырехпереходного солнечного элемента выбирают из условия согласования по постоянной решетки с InxGa1-xAs (x=0,2-0,3), т.е. таким образом, чтобы деформации растяжения в слоях ZnSySe1-y точно компенсировали деформации сжатия в слоях CdSe. Соотношения толщин и составы слоев, образующих CP 18, 19, при которых CP 18, 19 согласуются по периоду решетки с InxGa1-xAs (x=0,2-0,3), находят из условия равенства средней постоянной решетки CP 18, 19 и постоянной решетки InxGa1-xAs (x=0,2-0,3) (a InGaAs) с учетом различия упругих свойств слоев, образующих CP 18, 19.The composition and thicknesses of the layers of CP CdSe / ZnS y Se 1-y 18, 19 when growing the upper fourth sub-cell of 5 four-junction solar cells are selected from the condition of matching the lattice constant with In x Ga 1-x As (x = 0.2-0.3 ), i.e. so that tensile strains in ZnS y Se 1-y layers exactly compensate for compressive strains in CdSe layers. The ratios of the thicknesses and compositions of the layers forming CP 18, 19, at which CP 18, 19 are consistent over the lattice period with In x Ga 1-x As (x = 0.2-0.3), are found from the condition that the average lattice constant CP 18, 19 and the lattice constant In x Ga 1-x As (x = 0.2-0.3) ( a InGaAs ) taking into account the difference in the elastic properties of the layers forming CP 18, 19.

Для CP 18, 19 CdSe

Figure 00000007
:For CP 18, 19 CdSe
Figure 00000007
:

Figure 00000008
Figure 00000008

где a ZnSSe, a CdSe - постоянные решеток объемных (ненапряженных) слоев ZnSxSe1-x и CdSe, соответственно,CP 18, 19, м;where a ZnSSe , a CdSe are the lattice constants of bulk (unstressed) layers of ZnS x Se 1-x and CdSe, respectively, CP 18, 19, m;

a SL - средний период решетки CP, м; a SL is the average lattice period CP, m;

a InGaAs - период решетки слоя InxGa1-xAs (x=0,2-0,3), м; a InGaAs is the lattice period of the In x Ga 1-x As layer (x = 0.2-0.3), m;

Figure 00000009
и
Figure 00000010
- толщины соответствующих ненапряженных слоев ZnSxSe1-x и CdSe CP 18, 19, м;
Figure 00000009
and
Figure 00000010
- thicknesses of the corresponding unstressed layers ZnS x Se 1-x and CdSe CP 18, 19, m;

GZnSSe и GCdSe - модули сдвига составляющих слоев ZnSxSe1-x и CdSe CP 18, 19, Па.G ZnSSe and G CdSe are the shear moduli of the constituent layers ZnS x Se 1-x and CdSe CP 18, 19, Pa.

При эпитаксиальном росте на подложке 1 с ориентацией (001) модули сдвига могут быть выражены через упругие константы c11 и c12:For epitaxial growth on a substrate 1 with orientation (001), the shear moduli can be expressed in terms of the elastic constants c 11 and c 12 :

Figure 00000011
Figure 00000011

где i означает ZnSxSe1-x или CdSe,

Figure 00000012
и
Figure 00000013
- модули упругости соответствующих слоев, Па.where i means ZnS x Se 1-x or CdSe,
Figure 00000012
and
Figure 00000013
are the elastic moduli of the corresponding layers, Pa.

При выборе толщины слоев CdSe и ZnSySe1-y, образующих CP 18, 19, помимо условия (1) и требуемого значения эффективной ширины запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ необходимо также, чтобы толщина каждого слоя CdSe и ZnSySe1-y была меньше критической толщины hcr псевдоморфного роста, зависящей от величины рассогласования постоянной решетки данного слоя с постоянной решетки InxGa1-xAs (x=0,2-0,3) (a InGaAs). Для рассматриваемого диапазона составов эти толщины составляют не более 10-12 мономолекулярных слоев. Кроме того, необходимо обеспечить эффективный вертикальный транспорт носителей в CP 18, 19, поэтому эффективная ширина мини-зоны тяжелых дырок в CP 18, 19 должна составлять не менее 10-15 мэВ. Зависимость эффективной ширины запрещенной зоны от ширины мини-зоны тяжелых дырок для CP 18, 19 CdSe/ZnSySe1-y, изопериодичных к постоянной решетки InxGa1-xAs (x=0,3) при T=300 К, представлена на фиг. 2. Суммируя указанные выше требования и, учитывая, что технологически реализуемыми при выращивании методом МПЭ являются твердые растворы ZnSxSe1-x с содержанием серы y~0,4, получаем параметры слоев CP 18, 19 CdSe/ZnSySe1-y: содержание серы в слоях CP 18, 19 варьируется в диапазоне y~0-0,4; толщина слоев CdSe лежит в диапазоне 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя (7,6÷13,7

Figure 00000014
); толщина слоев ZnSySe1-y варьируется в диапазоне 2,5÷10 мономолекулярных слоя (6,7÷28
Figure 00000006
); период CP 18, 19 CdSe/ZnSySe1-y составляет 1,5÷4 нм; оптимальная суммарная толщина слоев CP 18, 19 верхнего (четвертого) субэлемента 5 четырехпереходного солнечного элемента составляет ~400-500 нм, что соответствует 100÷330 периодам CP 18, 19.When choosing the thickness of the CdSe and ZnS y Se 1-y layers forming CP 18, 19, in addition to condition (1) and the required effective band gap, Eg4 = 2.1-2.2 eV, it is also necessary that the thickness of each CdSe layer and ZnS y Se 1-y was less than the critical thickness h cr of pseudomorphic growth, depending on the mismatch of the lattice constant of a given layer with the lattice constant In x Ga 1-x As (x = 0.2-0.3) ( a InGaAs ). For the considered range of compositions, these thicknesses are no more than 10-12 monomolecular layers. In addition, it is necessary to ensure effective vertical transport of carriers in CP 18, 19, therefore, the effective width of the mini-zone of heavy holes in CP 18, 19 should be at least 10-15 meV. The dependence of the effective band gap on the width of the mini-band of heavy holes for CP 18, 19 CdSe / ZnS y Se 1-y , isoperiodic to the lattice constant In x Ga 1-x As (x = 0.3) at T = 300 K, presented in FIG. 2. Summing up the above requirements and taking into account that ZnS x Se 1-x solid solutions with a sulfur content of y ~ 0.4 are technologically feasible during MPE growth, we obtain the parameters of the layers CP 18, 19 CdSe / ZnS y Se 1-y : sulfur content in layers CP 18, 19 varies in the range y ~ 0-0.4; the thickness of the CdSe layers lies in the range 2.5 ÷ 4.5 monomolecular layers (7.6 ÷ 13.7
Figure 00000014
); the thickness of the ZnS y Se 1-y layers varies in the range of 2.5 ÷ 10 monomolecular layers (6.7 ÷ 28
Figure 00000006
); the period of CP 18, 19 CdSe / ZnS y Se 1-y is 1.5 ÷ 4 nm; the optimal total thickness of the layers CP 18, 19 of the upper (fourth) subcell 5 of the four junction solar cell is ~ 400-500 nm, which corresponds to 100 ÷ 330 periods of CP 18, 19.

На фиг. 3 приведены теоретически рассчитанные зависимости КПД четырехпереходного солнечного элемента от ширины запрещенной зоны Eg2 второго субэлемента 3 для спектра AM1.5:500 солнц, соответствующего стандартному спектру солнечного излучения на земле в условиях большой концентрации излучения, для нескольких значений ширины запрещенной зоны 4-го перехода - субэлемента 5(Eg4).In FIG. Figure 3 shows the theoretically calculated dependences of the efficiency of a four-junction solar cell on the band gap Eg2 of the second sub-element 3 for the spectrum AM1.5: 500 of the suns corresponding to the standard spectrum of solar radiation on the earth under conditions of high radiation concentration for several values of the band gap of the 4th transition subelement 5 (Eg4).

Каждая точка этой зависимости оптимизировалась по величине ширины запрещенной зоны 3-го перехода - субэлемента 4 (Eg3), так что максимум каждой зависимости соответствует максимально достижимому КПД четырехпереходного солнечного элемента при выбранном значении Eg4 и при условии Eg1=0,67эВ. Соответствующие зависимости Eg3 (Eg2) приведены на нижней части фиг. 3. Значения остальных параметров отвечают наилучшему возможному качеству материалов субэлементов 2, 3, 4, 5 с минимальным количеством дефектов.Each point of this dependence was optimized in terms of the band gap of the 3rd transition - sub cell 4 (Eg3), so that the maximum of each dependence corresponds to the maximum achievable efficiency of the four junction solar cell at a selected value of Eg4 and under the condition Eg1 = 0.67 eV. The corresponding dependences of Eg3 (Eg2) are shown in the lower part of FIG. 3. The values of the remaining parameters correspond to the best possible quality of materials of subelements 2, 3, 4, 5 with a minimum number of defects.

Пример 1. Был изготовлен четырехпереходный солнечный элемент, выращенный на подложке p-Ge и содержащий четыре субэлемента, соединенных между собой туннельными p-n переходами и метаморфный градиентный буферный слой InxGa1-xAs между первым (на основе Ge) и вторым (на основе InGaAs) субэлементами, и контактный слой. При этом первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge (Eg1=0,67 эВ) толщиной ~200 нм, слой широкозонного окна из n-GaInP толщиной 100 нм и буферный слой из n-GaInAs толщиной 1000 нм, второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs (Eg2=1,04 эВ) толщиной 3400 нм и 100 нм соответственно, третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs (Eg2=1,5 эВ) толщиной 1000 нм и 50 нм соответственно, а четвертый субэлемент включает короткопериодные CP А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,17 эВ и с общей толщиной 0,45 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 3,8 мономолекулярных слоя и ZnSe толщиной в 8 мономолекулярных слоя. Структура четырехпереходного солнечного элемента содержит метаморфный градиентный буферный слой InxGa1-xAs с линейным профилем изменения состава толщиной 1000 нм (с x, изменяемым от x=0,07 до x=0,37) с линейным профилем изменения состава, выращиваемый между первым субэлементом на основе Ge и вторым субэлементом на основе InGaAs. Первый субэлемент формировали методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE), второй, третий и четвертый субэлементы, а также метаморфный градиентный буферный слой InxGa1-xAs выращивали методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). P-n переход Ge реализовали за счет диффузии фосфора в p-Ge подложку при формировании слоя широкозонного окна GalnP. В качестве источников молекулярных пучков при выращивании второго, третьего субэлементов и метаморфного градиентного буферного слоя использовали Ga, In, Al, As; в качестве материалов легирующей примеси n- и p-типа использовали Si и Be соответственно. При выращивании четвертого субэлемента в качестве источников молекулярных пучков использовали Zn, Cd, Se; в качестве материалов легирующей примеси n- и p-типа использовали ZnCl2 и плазменно-активированный N2 соответственно. Уровни легирования сверхрешеток p- и n-типа составили p~1017 см3 и n~2×1018 см-3, соответственно.Example 1. A four-junction solar cell was grown on a p-Ge substrate and containing four subcells interconnected by pn tunnel junctions and a metamorphic In x Ga 1-x As gradient buffer layer between the first (based on Ge) and the second (based on InGaAs) subcells, and contact layer. The first sub-element includes a p-Ge substrate, an n-Ge layer (Eg1 = 0.67 eV) ~ 200 nm thick, a wide-gap window layer of n-GaInP 100 nm thick and a buffer layer of n-GaInAs 1000 nm thick, the second sub-element includes a layer of p-GaInAs and a layer of n-GaInAs (Eg2 = 1.04 eV) with a thickness of 3400 nm and 100 nm, respectively, the third sub-element includes a layer of p-AlGaInAs and a layer of n-AlGaInAs (Eg2 = 1.5 eV) with a thickness of 1000 nm and 50 nm, respectively, and the fourth subelement includes p-type and n-type short-period CP A2B6 with an effective band gap of Eg4 = 2.17 eV and with a total thickness of 0.45 μm, each of which consists of layers of CdSe with a thickness of 3.8 monomolecular layers and ZnSe with a thickness of 8 monomolecular layers. The structure of the four-junction solar cell contains an In x Ga 1-x As metamorphic gradient buffer layer with a linear compositional variation profile 1000 nm thick (with x varying from x = 0.07 to x = 0.37) with a linear compositional variation profile grown between the first sub element based on Ge and the second sub element based on InGaAs. The first subelement was formed by gas phase epitaxy from organometallic compounds (MOVPE), the second, third and fourth subelements, as well as the In x Ga 1-x As metamorphic gradient buffer layer, were grown by molecular beam epitaxy (MPE). The Ge Pn transition was realized due to the diffusion of phosphorus into the p-Ge substrate during the formation of the GalnP wide-gap window layer. Ga, In, Al, As were used as sources of molecular beams when growing the second, third subelements and metamorphic gradient buffer layer; Si and Be, respectively, were used as n- and p-type dopant materials. When growing the fourth subelement, Zn, Cd, Se were used as sources of molecular beams; ZnCl 2 and plasma-activated N 2, respectively, were used as n- and p-type dopant materials. The doping levels of p- and n-type superlattices were p ~ 10 17 cm 3 and n ~ 2 × 10 18 cm -3 , respectively.

Пример 2. Был изготовлен четырехпереходный солнечный элемент, выращенный на подложке p-Ge и содержащий четыре субэлемента, соединенных между собой туннельными p-n переходами, и метаморфный градиентный буферный слой InxGa1-xAs между первым (на основе Ge) и вторым (на основе InGaAs) субэлементами, и контактный слой. При этом первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge (Eg1=0,67 эВ) толщиной ~200 нм, слой широкозонного окна из n-GaInP толщиной 100 нм и буферный слой из n-GaInAs толщиной 1000 нм, второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs (Eg2=1,0 эВ) толщиной 3400 нм и 100 нм соответственно, третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs (Eg2=1,5 эВ) толщиной 1000 нм и 50 нм соответственно, а четвертый субэлемент включает короткопериодные CP А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,09 эВ и с общей толщиной 0,45 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 4,0 мономолекулярных слоя и ZnSySe1-y толщиной в 4,0 мономолекулярных слоя, где y=0,40. Структура четырехпереходного солнечного элемента содержит метаморфный градиентный буферный слой InxGa1-xAs толщиной 1000 нм с линейным профилем изменения состава (с x изменяемым от x=0,05 до x=0,30), выращиваемый между первым субэлементом на основе Ge и вторым субэлементом на основе InGaAs. Первый субэлемент формировали методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE), второй, третий и четвертый субэлементы, а также метаморфный градиентный буферный слой InxGa1-xAs выращивали методом МПЭ. Источники молекулярных пучков и материалы легирующей примеси были те же, что и в примере 1. Уровни легирования сверхрешеток p- и n-типа составили p~1017 см-3 и n~2×1018 см-3 соответственно.Example 2. A four-junction solar cell was grown on a p-Ge substrate and containing four subcells interconnected by pn tunnel junctions and a metamorphic In x Ga 1-x As gradient buffer layer between the first (based on Ge) and the second (on based InGaAs) subcells, and contact layer. The first sub-element includes a p-Ge substrate, an n-Ge layer (Eg1 = 0.67 eV) ~ 200 nm thick, a wide-gap window layer of n-GaInP 100 nm thick and a buffer layer of n-GaInAs 1000 nm thick, the second sub-element includes a layer of p-GaInAs and a layer of n-GaInAs (Eg2 = 1.0 eV) with a thickness of 3400 nm and 100 nm, respectively, the third sub-element includes a layer of p-AlGaInAs and a layer of n-AlGaInAs (Eg2 = 1.5 eV) 1000 nm and 50 nm thick, respectively, and the fourth subelement includes p-type and n-type short-period A2B6 CPs with an effective band gap of Eg4 = 2.09 eV and with a total thickness of 0.45 μm, each of which consists of uyuschihsya CdSe layer thickness of 4.0 monomolecular layer and ZnS y Se 1-y thickness of 4.0 monomolecular layer, where y = 0,40. The structure of the four-junction solar cell contains a metamorphic In x Ga 1-x As gradient buffer layer 1000 nm thick with a linear profile of compositional variation (with x varying from x = 0.05 to x = 0.30), grown between the first sub cell based on Ge and second subcell based on InGaAs. The first subelement was formed by gas phase epitaxy from organometallic compounds (MOVPE), the second, third and fourth subelements, as well as the metamorphic In x Ga 1-x As gradient buffer layer, were grown by the MPE method. The sources of molecular beams and the materials of the dopant were the same as in Example 1. The doping levels of p- and n-type superlattices were p ~ 10 17 cm -3 and n ~ 2 × 10 18 cm -3, respectively.

CP CdSe/Zn(S)Se обоих изготовленных солнечных элементов представлены кружками на фиг. 2. Эффективное легирование p- и n-типа проводимости короткопериодных CP CdSe/ZnSySe1-y, а также возможность снижения ширины запрещенной зоны верхнего широкозонного субэлемента до уровня ниже 2,2 эВ обеспечивает получение высокого значения КПД солнечного элемента за счет эффективного преобразования коротковолновой части солнечного излучения. Дополнительно применение короткопериодных переменно-напряженных CP CdSe/ZnSySe1-y вместо слоя твердого раствора ZnCdSSe позволяет увеличить критическую толщину псевдоморфного роста.CP CdSe / Zn (S) Se of both fabricated solar cells are represented by circles in FIG. 2. Effective doping of p- and n-type conductivity of short-period CP CdSe / ZnS y Se 1-y , as well as the possibility of reducing the band gap of the upper wide-gap subelement to a level below 2.2 eV, provides a high solar cell efficiency due to efficient conversion shortwave part of solar radiation. Additionally, the use of short-period alternating-stressed CP CdSe / ZnS y Se 1-y instead of the layer of ZnCdSSe solid solution allows increasing the critical thickness of pseudomorphic growth.

Claims (1)

Четырехпереходный солнечный элемент, включающий последовательно выращенные на подложке из p-Ge четыре субэлемента, соединенные между собой туннельными p-n переходами, контактный слой и метаморфный градиентный буферный слой между первым и вторым субэлементами, при этом первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge, слой широкозонного окна из n-GaInP и буферный слой из n-GaInAs, метаморфный градиентный буферный слой включает в себя слой из p-Ga1-xInxAs с х=0,01 в начале роста и до х=0,30-0,40 в приповерхностной области слоя, второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs, третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs, а четвертый субэлемент включает короткопериодные сверхрешетки А2В6 р- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и с общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnSe или ZnSySe1-y, где у=0,05-0,40, толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя, причем второй, третий и четвертый субэлементы согласованы по постоянной решетки с InxGa1-xAs, где х=0,25-0,30, а первый субэлемент псевдоморфен подложке из p-Ge.A four-junction solar cell, including four subcells successively grown on a p-Ge substrate, interconnected by pn tunnel junctions, a contact layer and a metamorphic gradient buffer layer between the first and second subcells, the first subcell including a p-Ge substrate, a layer of n -Ge, a wide-gap window layer of n-GaInP and a buffer layer of n-GaInAs, a metamorphic gradient buffer layer includes a layer of p-Ga 1-x In x As with x = 0.01 at the beginning of growth and up to x = 0 , 30-0.40 in the near-surface region of the layer, the second sub-element includes a p-GaInAs layer and an n-GaInAs layer, the third subelement includes a p-AlGaInAs layer and an n-AlGaInAs layer, and the fourth subelement includes p-type and n-type A2B6 short-period superlattices with an effective band gap of Eg4 = 2.1 -2.2 eV and with a total thickness of 0.4-0.5 μm, each of which consists of alternating CdSe layers with a thickness of 2.5 ÷ 4.5 monomolecular layers and ZnSe or ZnS y Se 1-y , where y = 0.05-0.40, with a thickness of 2.5 ÷ 10 monomolecular layers, with the second, third and fourth subelements matched according to the lattice constant with In x Ga 1-x As, where x = 0.25-0.30, and the first subelement is pseudomorphic to the p-Ge substrate .
RU2015149601A 2015-11-18 2015-11-18 Four-junction solar cell RU2610225C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015149601A RU2610225C1 (en) 2015-11-18 2015-11-18 Four-junction solar cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015149601A RU2610225C1 (en) 2015-11-18 2015-11-18 Four-junction solar cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2610225C1 true RU2610225C1 (en) 2017-02-08

Family

ID=58457820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015149601A RU2610225C1 (en) 2015-11-18 2015-11-18 Four-junction solar cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2610225C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110491965A (en) * 2019-07-25 2019-11-22 中山德华芯片技术有限公司 A kind of five-junction solar cell of lattice mismatch and preparation method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0270055A2 (en) * 1986-12-01 1988-06-08 Northwestern University Synthetic peptide compounds producing antibodies binding to human LDH-C4
CN101976690A (en) * 2010-08-23 2011-02-16 北京工业大学 Four-junction semiconductor solar photovoltaic cell chip
RU2011131924A (en) * 2011-07-29 2013-02-10 Евгений Инвиевич Гиваргизов SUBSTRATE FOR CASCADE SOLAR ELEMENTS
EP2672528A1 (en) * 2012-06-07 2013-12-11 Emcore Solar Power, Inc. Radiation resistant inverted metamorphic multijunction solar cell
RU2539102C1 (en) * 2013-08-22 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Multijunction solar cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0270055A2 (en) * 1986-12-01 1988-06-08 Northwestern University Synthetic peptide compounds producing antibodies binding to human LDH-C4
CN101976690A (en) * 2010-08-23 2011-02-16 北京工业大学 Four-junction semiconductor solar photovoltaic cell chip
RU2011131924A (en) * 2011-07-29 2013-02-10 Евгений Инвиевич Гиваргизов SUBSTRATE FOR CASCADE SOLAR ELEMENTS
EP2672528A1 (en) * 2012-06-07 2013-12-11 Emcore Solar Power, Inc. Radiation resistant inverted metamorphic multijunction solar cell
RU2539102C1 (en) * 2013-08-22 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Multijunction solar cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110491965A (en) * 2019-07-25 2019-11-22 中山德华芯片技术有限公司 A kind of five-junction solar cell of lattice mismatch and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Geisz et al. Building a six-junction inverted metamorphic concentrator solar cell
US7626116B2 (en) Isoelectronic surfactant suppression of threading dislocations in metamorphic epitaxial layers
US10355159B2 (en) Multi-junction solar cell with dilute nitride sub-cell having graded doping
Sayed et al. Quantum well solar cells: principles, recent progress, and potential
US9745668B2 (en) Isoelectronic surfactant induced sublattice disordering in optoelectronic devices
EP2553731B1 (en) Subcell for use in a multijunction solar cell
US10263129B2 (en) Multijunction photovoltaic device having SiGe(Sn) and (In)GaAsNBi cells
US20110005570A1 (en) High efficiency tandem solar cells and a method for fabricating same
WO2014018125A2 (en) Reverse heterojunctions for solar cells
US20140090700A1 (en) High-concentration multi-junction solar cell and method for fabricating same
US20140116494A1 (en) High-Efficiency Four-Junction Solar Cells and Fabrication Methods Thereof
Sayed et al. Strain-balanced InGaAsP/GaInP multiple quantum well solar cells with a tunable bandgap (1.65–1.82 eV)
CN109560166A (en) Manufacturing method of superlattice space GaInP/InGaAs/Ge battery epitaxial wafer
RU2610225C1 (en) Four-junction solar cell
KR102180986B1 (en) Varying bandgap solar cell
Sayed et al. Tunable GaInP solar cell lattice matched to GaAs
JP2013172072A (en) Two-junction solar cell
RU2599064C1 (en) Four-transit solar cell
Sağol et al. Lifetime and performance of ingaasp and ingaas absorbers for low bandgap tandem solar cells
RU138028U1 (en) PHOTOELECTRIC INFRARED CASCADE BASED ON InAs / GaAsN NANOGETEROSTRUCTURE ON THE GALLIUM ARSENIDE SUBSTRATE
CN111276560B (en) Gallium arsenide solar cell and manufacturing method thereof
Shoji et al. Temperature Dependence of Carrier Extraction Processes in GaSb/AlGaAs Quantum Nanostructure Intermediate-Band Solar Cells. Nanomaterials 2021, 11, 344
Yamaguchi et al. Super-high-efficiency III-V tandem and multi-junction cells
Sayed et al. Absorption enhancement in InGaAsP/InGaP quantum well solar cells
US20150040972A1 (en) Inverted metamorphic multijunction solar cell with surface passivation of the contact layer