RU2610225C1 - Four-junction solar cell - Google Patents
Four-junction solar cell Download PDFInfo
- 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
Links
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);selenium(2-) Chemical compound [Se-2].[Cd+2] UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 description 37
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 10
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 4
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910007709 ZnTe Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 241000819038 Chichester Species 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 240000002329 Inga feuillei Species 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021480 group 4 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0328—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
- H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
- H01L31/06875—Multiple junction or tandem solar cells inverted grown metamorphic [IMM] multiple junction solar cells, e.g. III-V compounds inverted metamorphic multi-junction cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- 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
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 (
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 при условии оптимизации по ширине запрещенной зоны 3-го перехода для нескольких значений ; на нижней части фиг. 3 приведены соответствующие зависимости от .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 subject to optimization over the band gap of the 3rd transition for multiple values ; on the bottom of FIG. 3 shows the corresponding dependencies from .
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 ) и ZnSySe1-y толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя (6,7÷28 ), 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-
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-
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
Для CP 18, 19 CdSe :For
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,
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;
и - толщины соответствующих ненапряженных слоев ZnSxSe1-x и CdSe CP 18, 19, м; and - thicknesses of the corresponding unstressed layers ZnS x Se 1-x and
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
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
где i означает ZnSxSe1-x или CdSe, и - модули упругости соответствующих слоев, Па.where i means ZnS x Se 1-x or CdSe, and 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 ); толщина слоев ZnSySe1-y варьируется в диапазоне 2,5÷10 мономолекулярных слоя (6,7÷28 ); 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
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
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
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-
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-
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)
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)
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)
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 |
-
2015
- 2015-11-18 RU RU2015149601A patent/RU2610225C1/en active
Patent Citations (5)
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)
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 |