МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Изобретение относится к полупроводниковым солнечным элементам, которые преобразуют солнечное излучение в электроэнергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.

Значительное увеличение КПД преобразования солнечной энергии в электрическую возможно только при использовании структур многопереходных солнечных элементов, из которых наиболее перспективными, как с точки зрения возможности достижения высочайших значений КПД, так и с экономической точки зрения, являются монолитные гетероструктурные солнечные элементы на основе твердых растворов A³B⁵, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе. Такие солнечные элементы включают несколько фотоактивных p-n переходов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Каждый фотоактивный p-n переход многопереходной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным условия преобразования солнечного спектра и значительно повысить КПД. Наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные солнечные элементы на основе изопериодных полупроводниковых материалов http://Gao.51lno.49P/Gao.99lno.01As/Ge. Равенство постоянных решеток позволяет получать структуры каскадных http://Gao.51lno.49P/Gao.99lno.01As/Ge фотопреобразователей, характеризующихся высоким кристаллическим совершенством, за один процесс, поэтому они являются в настоящий момент основой массового производства высокоэффективных фотопреобразователей

Для обеспечения наибольшей эффективности преобразования необходимо, чтобы максимальное количество фотогенерированных носителей достигало области объемного заряда фотоактивных p-n переходов, где происходит их разделение. При этом увеличение толщин p- или n-слоев, составляющих фотоактивный переход, требует увеличения диффузионной длинны неосновных носителей заряда в них для обеспечения полного их собирания.

Известен многопереходный солнечный элемент (см. патент US 7071407, МПК H01L 31/68, опубликован 04.07.2006) включающий фотоактивный p-n переход, созданный в подложке Ge, и осажденные на ней нуклеационный слой InGaP, буферный слой GaAs, нижний туннельный диод, средний фотоактивный p-n переход, выращенный из GaInAs, включающий последовательно осажденные базовый слой, эмиттерный слой и слой широкозонного окна, верхний туннельный диод, верхний фотоактивный p-n переход, выращенный из GaInP и контактный подслой.

Недостатками известного многопереходного солнечного элемента является неполное собирание носителей из базового слоя среднего фотоактивного p-n перехода, связанное, как с отсутствием слоя тыльного потенциального барьера, препятствующего выходу фотогенерированных носителей за пределы фотоактивного перехода, так и отсутствием тянущего электрического поля в базовом слое. Это приводит к уменьшению тока, генерируемого, как этим переходом, так и всем элементом в целом.

Известен многопереходный солнечный элемент (см. заявка US 2003/0136442, МПК H01L 31/00, опубликована 24.08.2003), включающий три фотоактивных p-n перехода, разделенных туннельными диодами, нижний, созданный в подложке Ge, средний, на основе InGaAs, и верхний, выращенный из GaInP, при этом базовый слой среднего фотоактивного перехода включает область переменного состава InGaAs с изменением ширины запрещенной зоны.

Недостатками известного многопереходного солнечного элемента являются: наличие напряжений кристаллической решетки и, как следствие, дислокаций несоотвтествия в базовом слое среднего перехода, связанных с использованием слоя InGaAs с отличным от GaAs параметром решетки. Это приводит к падению диффузионных длин носителей в слое и, несмотря на наличие сильного тянущего поля, выражается в уменьшении собирания носителей.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является многопереходный солнечный элемент (см. патент RU 2382439, МПК H01L 31/0304, опубликован 20.02.2010), принятый за прототип и включающий подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P. буферный слой n-Ga_0,99In_0,01As, нижний туннельный диод, средний p-n переход, включающий слой тыльного потенциального барьера, базовый слой с постоянным уровнем легирования 7·10¹⁶-2·10¹⁷ см^-3, эмиттерный слой и слой широкозонного окна, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, и контактный подслой.

В структуре многопереходного солнечного элемента-прототипа важную роль играет слой тыльного потенциального барьера, препятствующий выходу носителей, фотогенерированных в базовом слое, за его пределы, где они рекомбинируют в нижнем туннельном диоде, не давая вклад в фототок. Кроме того, заявленный низкий уровень легирования позволяет повысить диффузионную длину носителей и увеличить вероятность их собирания. Недостатком известного многопереходного солнечного элемента-прототипа является малая эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию из-за неполного собирания носителей из базового слоя среднего перехода.

Задачей настоящего технического решения является увеличение собирания носителей из базового слоя среднего p-n перехода GaInP/GaInAs/Ge многопереходного солнечного элемента, что выражается в увеличении его фототока и КПД всего элемента в целом.

Поставленная задача достигается тем, что многопереходный солнечный элемент, содержит подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P, буферный слой n-Ga_0,99In_0,01As, нижний туннельный диод, средний p-n переход, содержащий слой тыльного потенциального барьера, базовый слой с областью постоянного легирования и эмиттерный слой, а также широкозонное окно, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, содержащий слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои, а также широкозонное окно, и контактный n⁺-подслой.

Новым в многопереходном солнечном элементе является выполнение в базовом слое среднего p-n перехода последовательно выращенной области переменного легирования, примыкающей непосредственно к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода.

Область переменного легирования, примыкающая непосредственно к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода, обеспечивает появление тянущего электрического поля в области переменного легирования, которое помогает носителям, фотогенерированным только в самой глубине базового слоя, достичь области объемного заряда, где происходит их разделение. При этом главное новшество состоит в том, что область с тянущим полем занимает лишь необходимую часть базового слоя, что сохраняет высокую вероятность разделения всех фотогенерированных носителей.

В многопереходном солнечном элементе толщина области переменного легирования базового слоя среднего p-n перехода может составлять 0,9-1,1 мкм при уровне легирования в месте примыкания к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода 2-5·10¹⁸ см^-3, а в месте примыкания к области постоянного легирования базового слоя среднего p-n перехода 0,5·10¹⁷-1·10¹⁷ см^-3.

Буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего p-n перехода и контактный подслой в многопереходном солнечном элементе могут быть выполнены из Ga_0,99In_0,01As, согласованного по параметру решетки с подложкой p-Ge, а нуклеационный слой, слой тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода, базовый и эмиттерный слои верхнего p-n перехода могут быть выполнены из твердого раствора Ga_0,51In_0,49P, согласованного по параметру решетки с подложкой p-Ge.

Широкозонное окно для среднего p-n перехода в многопереходном солнечном элементе может быть выполнено из двух слоев Ga_0,51In_o,49P/Al_0.53In_0.47P, тыльный потенциальный барьер верхнего p-n перехода может быть выполнен из слоя AIGaInP, согласованного по параметру решетки с подложкой p-Ge, а слой широкозонного окна верхнего p-n перехода может быть выполнен из n-Al_0.53In_0.47P.

Толщина буферного слоя в многопереходном солнечном элементе может составлять 0,7-1,2 мкм, при уровне легирования атомами кремния 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина слоя тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода может составлять 80-110 нм при уровне легирования атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина области постоянного легирования базового слоя среднего p-n перехода может составлять 2-2,4 мкм, при уровне легирования атомами цинка 5·10¹⁶-1·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя среднего p-n перехода может составлять 0,1-0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами кремния слоев широкозонного «окна» среднего p-n перехода может составлять 0,2·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода может составлять 0,05-0,1 мкм при уровне легирования атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина базового слоя верхнего p-n перехода может составлять 0,3-0,9 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 0,5·10¹⁷-2·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя верхнего p-n перехода может составлять 0,1-0,2 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего p-n перехода может составлять 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3 при его толщине 20-40 нм, толщина контактного подслоя может составлять 0,3-0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3

Важной особенностью настоящего изобретения является возможность обеспечения полного собирания фотогенерированных носителей из базового слоя среднего перехода. Это достигается тем, что в последовательно выращенной области переменного легирования базового слоя среднего p-n перехода создается тянущее поле, которое увеличивает вероятность собирания носителей, рожденных на максимальном удалении от области p-n перехода. При этом в остальной области базового слоя среднего p-n перехода уровень легирования остается малым, что обуславливает достаточную диффузионную длину для разделения носителей, рожденных ближе к среднему p-n переходу. Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где: на фиг.1 схематически показан настоящий многопереходный солнечный элемент;

на фиг.2 изображены полученные экспериментально спектральные характеристики верхнего перехода (кривая 1) многопереходных солнечных элементов на основе GaInP/GaInAs/Ge и средних p-n переходов (2-е постоянным легированием базового слоя среднего p-n перехода толщиной 3,4 мкм, 3-е базовым слоем, включающим переменное легирование на всей толщине 3,4 мкм и 4 - с базовым слоем, включающим область переменного легирования толщиной 1 мкм и область постоянного легирования толщиной 2,4 мкм).

В каждом фотоактивном p-n переходе генерация носителей заряда происходит во всех областях: эмиттере, области объемного заряда и базовом слое. При этом глубина поглощения фотонов пропорциональна их длине волны, что обуславливает поглощение наиболее длинноволновых фотонов в глубине p-n перехода. При этом разделение фотогенерированных носителей происходит только в области объемного заряда, где присутствует сильное поле p-n перехода. Это приводит к 100% вероятности разделения носителей, рожденных в области объемного заряда.

Для разделения носителей, рожденных на некотором расстоянии от области объемного заряда в эмиттерном или базовом слоях, предварительно требуется их диффузия к области объемного заряда. В этом случае вероятность разделения будет некоторое время сохраняться при увеличении расстояния от области объемного заряда. Однако, начиная с некоторого расстояния пропорционального диффузионной длине носителей заряда, вероятность разделения начнет резко уменьшаться с увеличением толщины, так как диффузионной длинны носителей не будет хватать для их диффузии до области объемного заряда, и они будут рекомбинировать до момента разделения. Одним из способов увеличения вероятности разделения носителей является создание встроенного электрического поля, которое будет дополнительно тянуть носители к области объемного заряда. Такое поле возможно создать либо уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника от слоя тыльного потенциального барьера, либо уменьшением уровня легирования. Однако создание тянущего поля во всей базовой области при помощи изменения уровня легирования может не иметь сильного влияния на вероятность разделения длинноволновых носителей частично из-за меньшей величины создаваемого поля, но в основном из-за того, что области с большим легированием будут характеризоваться меньшей диффузионной длиной. Таким образом, эффект тянущего поля будет нивелироваться уменьшением диффузионной длины. Настоящее изобретение решает эту проблему, так как тянущее поле занимает лишь часть базовой области.

Настоящий многопереходный солнечный элемент показан на фиг.1. Он состоит из подложки 1, например p-Ge, нижнего p-n перехода 2, созданного в подложке 1, нуклеационного слоя 3, выполненного, например, из n-Ga_0,51In_0,49P, буферного слоя 4, выполненного, например, из n-Ga_0,99In_0,01As, толщиной, например, 0,7-1,2 мкм, с уровнем легирования, например, атомами кремния 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, нижнего туннельного диода 5, среднего p-n перехода 6 на основе, например, Ga_0,99In_0,01As, содержащего слой тыльного потенциального барьера 7, выполненного, например, из p-Ga_0,51In_0,49P толщиной, например, 80-110 нм при уровне легирования, например, атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, область 8 переменного легирования базового слоя 9 толщиной, например, 0,9-1,1 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка в месте примыкания к слою тыльного потенциального барьера 7 среднего p-n перехода 2-5·10¹⁸ см^-3, а в месте примыкания к области постоянного легирования 0,5·10¹⁷-1·10¹⁷ см^-3, область 10 постоянного легирования базового слоя 9, толщиной например, 2-2,4 мкм, при уровне легирования, например, атомами цинка 5·10¹⁶-1·10¹⁷ см^-3, эмиттерный слой 11 толщиной, например, 0,1-0,15 мкм при уровне легирования, например, атомами кремния 1·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, и широкозонное «окно» 12, содержащее, например, пару слоев Ga_0,51In_0,49P/Al_0.53In_0.47P, легированных, например, атомами кремния на уровне 0,2·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, верхнего туннельного диода 13, верхнего p-n перехода 14 на основе, например, материала Ga_0,51In_0,49P, содержащего слой 15 тыльного потенциального барьера толщиной, например, 0,05-0,1 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, базовый слой 16 толщиной, например, 0,6-0,7 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 0,5·10¹⁷-2·10¹⁷ см^-3, эмиттерный слой 17 толщиной, например, 0,1-0,2 мкм при уровне легирования, например, атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, широкозонное «окно» 18, например из n-Al_0.53In_0.47P толщиной, например, 20-40 нм, легированного, например, атомами кремния на уровне 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3, и контактный подслой 19, например из n⁺-Ga_0,99In_0,01As, толщиной, например, 0,3-0,5 мкм, и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3.

Важной особенностью многопроходных солнечных элементов на основе GaInP/GaInAs/Ge является тот факт, что для всех слоев, составляющих фотоактивные p-n переходы, за исключением базового слоя среднего p-n перехода, обеспечивается максимально собирание фотогенерированных носителей. Для эмиттерных слоев всех p-n переходов это обуславливается их малой толщиной, что позволяет обеспечить максимальное разделение носителей даже при очень малой их диффузионной длине. Для базового слоя нижнего p-n перехода это обусловлено очень высокими диффузионными длинами носителей (вплоть до 100-200 мкм) в германии, а для базового слоя верхнего p-n перехода - относительно малой его толщиной. Однако для полного поглощения фотонов, преобразуемых средним p-n переходом, необходимо чтобы его толщина его базового слоя составляла 3-3.4 мкм, что делает этот слой наиболее критичным при обеспечении полного разделения носителей, генерирующихся в нем. Как правило, диффузионные длины в базовом слое среднего p-n перехода достаточны для обеспечения полного разделения носителей с глубины 2.0-2,4 мкм в зависимости от уровня легирования этого слоя. Вероятность разделение носителей, рожденных на большем удалении от области объемного заряда, начинает уменьшаться, что выражается в падении внешней квантовой эффективности в длинноволновой области (фиг.2, кривая 2).

Введение тянущего поля за счет переменного легирования во всем базовом слое среднего p-n перехода не приводит к увеличению собирания носителей из глубины этого слоя, так как эффект тянущего поля нивелируется уменьшением диффузионной длины носителей в областях с большим легированием (фиг.2, кривая 3). Однако введение тянущего поля только в область, где вероятность разделения падает, а именно в область толщиной 0,9-1,1 мкм, позволяет обеспечить повышенное собирание из этой области (фиг.2, кривая 4), что выражается в увеличении длинноволновой фоточувствительности в области более 800 нм и обуславливает заметный прирост фототока.

Пример. Был создан многопереходный солнечный элемент на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой был создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 100 нм, n-Ga_0,99In_0,01As буферный слой толщиной 1 мкм, n⁺⁺-GaAs нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p-Ga_0,52In_0,48P тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой среднего p-n перехода p-Ga_0,99In_0,01As, включающий область переменного легирования толщиной 1 мкм и уровнем легирования атомами цинка в месте примыкания к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода 3·10¹⁸ см^-3, а в месте примыкания к области постоянного легирования 6·10¹⁶ см^-3 и область постоянного легирования толщиной 2,4 мкм с уровнем легирования атомами цинка 6·10¹⁶ см^-3, эмиттерный слой n-Ga_0,99In_0,01As среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, слои n-Ga_0,52In_0,48P/n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» среднего p-n перехода толщиной 100 и 30 нм соответственно, слой n⁺⁺-GaAs верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p-AlGaInP тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой p-Ga_0,51In_0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,65 мкм, n-Ga_0,51In_0,49P эмиттерный слой верхнего p-n перехода толщиной 0,05 мкм, слой n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» верхнего p-n перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n⁺-GaAs толщиной 300 нм. Такой многопереходный солнечный элемент продемонстрировал повышенную фоточувствительность среднего p-n перехода в области длин волн более 800 нм. При этом фототок среднего p-n перехода составил 17,13 мА/см².

Сопоставительный пример. Для сравнения был создан многопереходный солнечный элемент на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой был создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 100 нм, n-Ga_0,99In_0,01As буферный слой толщиной 1 мкм, n⁺⁺-GaAs нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p-Ga_0,52In_0,48P тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой среднего p-n перехода p-Ga_0,99In_0,01As толщиной 3,4 мкм с уровнем легирования атомами цинка 6·10¹⁶ см^-3, эмиттерный слой n-Ga_0,99In_0,01As среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, слои n-Ga_0,52In_0,48/n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» среднего p-n перехода толщиной 100 и 30 нм соответственно, слой n⁺⁺-GaAs верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p-AlGaInP тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой p-Ga_0,51In_0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,65 мкм, n-Ga_0,51In_0,49P эмиттерный слой верхнего p-n перехода толщиной 0,05 мкм, слой n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» верхнего p-n перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n⁺-GaAs толщиной 300 нм. Такой многопереходный солнечный элемент продемонстрировал уменьшение фоточувствительности среднего p-n перехода в области длин волн более 800 нм. При этом фототок среднего перехода составил 16,4 мА/см².