ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с потенциальным барьером, в частности к фотовольтаическим преобразователем и может быть использовано в электронно-оптических и космических системах в качестве функциональных элементов источников электроэнергии.

Известен фотовольтаический преобразователь (солнечный элемент, описанный в пат. США N 4191593 H 01 L 31/06, 1980. Фотоэлектрический элемент такого преобразователя снабжен металлической деталью в форме параллелепипеда, на основании внутреннего объема которого в форме конуса расположена линза Френеля и отражательный элемент. В отверстии вблизи вершины параллелепипеда расположен фотоэлектрический элемент, представляющий структуру в виде двух гетеропереходов, гомоперехода и туннельного диода. Этот преобразователь солнечной энергии обладает малыми рабочими токами и сложной конструкцией.

В книге М. М. Колтуна Солнечные элементы, М. Наука, 1987 описаны фотовольтаические преобразователи, у которых для создания в базовом слое фотоэлемента тянущего электрического поля применяется вариозный слой. Однако такие элементы с указанной в книге структурой обладают невысокими рабочими напряжениями, сложной структурой и недостаточно высокой стабильностью работы.

Прототипом предлагаемого изобретения является фотовольтаический преобразователь, описанный в заявке Великобритании N 2023927 H 01 L 31/06, 1980, который содержит p-n-переход, полупроводниковый слой из фосфида индия и галия. Ширину этого слоя подбирают так, чтобы он был прозрачен для фотонов, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны фосфида индия и галия. Просветляющий слой и электрод контактирует с пассивирующим слоем p-n-перехода из GaAs, оканчивающегося электродом.

Недостатками прототипа являются:
а) невысокая рабочая температура, поскольку используется в структуре фотовольтаического преобразователя указанный p-n-переход (Eg < 1,27 эВ);
б) невысокое выходное напряжение, соответственно и его выходная мощность, т. к. сформированный на p-n-переходе и обращенный к свету компонент InP обладает Eg 1,27 эВ < 1,43 эВ (Eg GaAs);
в) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между омическими контактами и p-n-переходом, что обуславливает резкое повышение сопротивления растекания, а следовательно дополнительное снижение тока и выходной мощности.

Техническим результатом изобретения является увеличение рабочей температуры с одновременным повышением выходного напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что в фотовольтаическом преобразователе, содержащем p-n-переход, вариозной слой, просветляющий слой и омические контакты, p-n-переход размещен в более широкозонной части структуры и снабжен дополнительным вариозным слоем в более узкозонной его части, при этом обедненная область p-n-перехода заходит в вариозные слои.

Благодаря тому, что p-n-переход размещен в более ширикозонной части структуры и снабжен дополнительным вариозным слоем в более узкозонной его части, причем обедненный слой p-n-перехода заходит в вариозные слои, обеспечивается достижение поставленной цели.

Фото ЭДС холостого хода (U_am) предложенного фотовольтаического преобразователя составляет 1,47-1,52 В, а допустимая температура T_д ≥ 150^oC, в то время как для прототипа U_am≃ 0,78-0,81 B; T_д≅ 100^oC.

В известных технических решениях признаков, сходных с заявленным, не обнаружено. Поэтому предложенное техническое устройство фотовольтаический преобразователь (ФВП) обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображена конструкция ФВП, на фиг. 2 его зонная диаграмма.

Конструктивно фотовольтаический преобразователь состоит из p-n-перехода, выполненного из широкозонного полупроводника, включающего широкозонные обедненную n-область перехода 1 и обедненную p-область перехода 2, которая контактирует с P-вариозным и сильнолегированным p⁺-слоем 3 и широкозонного полупроводника. n-область фотовольтаического преобразователя состоит из широкозонной обедненной n-области 1 перехода, вариозного n₁-слоя 4, узкозонной n-n⁺ области, состоящей из n₂-слоя 5 и сильнолегированного n+2

-слоя 6. Нижний сплошной омический контакт 7 фотовольтаического преобразователя сформирован на n⁺-слое 6, а верхний решетчатый омический контакт 8, в проемах решетки которого размещен просветляющий слой 9, сформирован на сильнолегированном P⁺-слое 3. Омические контакты имеют внешние выводы 10. n₂-область фотовольтаического преобразователя изготавливается из полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем жизни носителей и возможностью методом легирования создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из Ge, Si, GaAs. Для достижения поставленной цели эта область выполняется из полупроводника узкозонного по сравнению с полупроводниковым материалом p-n-перехода. Как показали результаты эксперимента, соотношение ширины запрещенной зоны p-n-перехода Eg₁ и ширины n₂-области Eg₂ составляет интервал 1,5-3,5.

В n₂-области методом диффузии, либо ионной имплантации на n₂-слое 5 формируется сильнолегированный n+2

-слой 6, с низким удельным сопротивлением, что исключает потери электроэнергии на сопротивлении n-области. Толщина n+2-слоя 6 выбирается из условия минимизации сопротивления n-области, исключения влияния границы n+2-слой 6 омический контакт 7 на разделенные заряды p-n-перехода и должна быть выше диффузионной длины основных носителей. Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина n+2-слоя 6 составляет (1,1-2) Ld, причем она возрастает для полупроводников с высокой подвижностью основных носителей. На n₂-слое 5 формируется методом ионно-плазменного распыления, жидкофазной либо газофазной эпитаксии варизоный n₁-слой 4, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения . Параметр степени концентрации компонента в растворе X изменяется от нуля до единицы, причем со стороны области n он представляет материал этой области, например Am1Bⁿ, а со стороны p-n-перехода это материал, идентичный материалу p-n-перехода, т. е. соединения Am2Bⁿ. Например, если материалом p-n-перехода является AlAs с Eg₁ 2,15 эВ, а материалом узкозонной n-n⁺-области является GaAs с Eg₂ 1,43 эВ, то вариозный n₁-слой 4 реализуется из материала Ga_xAl_1-xАs, причем структура нижней границы слоя с параметром X=1 представляет GaAs, а структура верхней границы слоя представляет AlAs с параметром X=0. Толщина вариозного n-слоя 4 определяется скоростью изменения его ширины запрещенной зоны (от Eg₁ до Eg₂) при изменении X от 1 до 0 и диффузной длиной основных неравновесных носителей заряда Ld. Для достижения оптимального по максимуму разделения генерированных в n₁-вариозном слое 4 и n₂-слое узкозонного полупроводника 5 суммарная толщина этих слоев не должна превышать диффузионной длины основных избыточных носителей. Как показали результаты эксперимента, суммарная толщина этих слоев составляет (0,8-1) Ld, причем она максимальна для полупроводников с наиболее высокой подвижностью носителей. Соотношение толщин n₁-вариозного слоя 4 и n₂-слоя 5 составляет интервал от 1,5:1 до 3:1, который возрастает с ростом подвижности носителей.

Методами жидкофазной, газофазной эпитаксии либо ионно-плазменного распыления на n₁-вариозном слое 4 формируется p-n-переход из широкозонного материала, соответствующего материалу верхней границы n₁-вариозного слоя 4, например AlAs. Ширина p-n-перехода соответствует (0,8-0,9) суммарной толщины n- и p-широкозонных обедненных областей 1 и 2, что обеспечивает оптимальное разделение генерируемых под воздействием фотонов света избыточных носителей заряда в области p-n-перехода, вариозных слоях 3, 4 и n₂-слое 5. Ширина p-n-перехода d (0,8-0,9)W₀, где W₀ суммарная толщина его p- и n-областей, выбрана также из условия, чтобы обеденная область p-n-перехода проникла внутрь p-вариозного слоя 3 и n-вариозного слоя 5, исключая появление локального потенциального барьера в валентной зоне и зоне проводимости структуры P_var p-n-переход n_var.

Размещенный на обедненной p-области 2 перехода p-слой 3 включает p-вариознный слой, p⁺-слой и представляет сильнолегированный широкозонный полупроводник, ширина запрещенной зоны которого должна быть выше Eg₁, а его постоянная решетка должна быть мало отличимой от постоянной решетки материала p-n-перехода. Для p-n-перехода из AlAs с Eg₁ 2,15 еВ p-варизонный слой 3 выполнен на основе соединения Cd_xZn_1-xSe, а p⁺-слой 3 выполнен из ZnSe с Eg₃ 2,67 eB, причем несоответствие в решетках этих материалов меньше 2% Толщина p⁺-слоя 3 выбирается из условия минимизации сопротивления p-области ФВП и исключения процессов эффективной поверхностной рекомбинации генерируемых светом носителей на поверхности p-вариозного слоя 3. Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина широкозонного p⁺-слоя 3 составляет (1,5-3) Ld, возрастая с повышением подвижности носителей, а толщина p-вариозного слоя 3 составляет (0,7-0,9) Ld. Нижний омический контакт 7 к n+2

-слою 6 формируется из газовой фазы в виде сплошного слоя, его толщина известна и составляет 1-5 мкм. В качестве нижнего электрода может использоваться кристаллическая жесткая пластина (базовый электрод). Верхний омический контакт 8 к p⁺-слою 3 выполнен решетчатой структурой, свет через проемы которой воздействует на p-обедненную область перехода.

Для повышения коэффициента поглощения фотонов воздействующего света, либо другого излучения на поверхность p⁺-слоя 3 в области проемов решетчатой структуры верхнего омического контакта 8 наносится просветляющий слой (прозрачный антиотражательный элемент) 9, оптическая плотность которого выше, чем у p⁺-слоя 3. В качестве материала просветляющего слоя обычно используются окислы кремния SiO и SiO₂, а оптимальная толщина просветляющего слоя 9 составляет 0,08-0,15 мкм. Толщина решетчатого слоя верхнего омического контакта 8 составляет 1-5 мкм, а занимаемая им площадь составляет 8 12% от всей площади и p-области устройства.

Фотовольтаический преобразователь работает следующим образом. При воздействии квантов света, либо фотонов других источников излучений на рабочую поверхность фотовольтаического преобразователя со стороны решетчатого омического контакта 8 фотоны с энергиями E_i= hν_i< Eg₃[p⁺], где Eg₃[p⁺] - ширина запрещенной зоны p⁺-слоя 3, проходят просветляющий слой 9, p⁺-широкозонный сильнолегированный слой 3 и достигают p-варизонный слой 3 и p-n-переход, где фотоны с энергиями Eg₃ ≥ Ei ≥ Eg₁ поглощаются в p-варизонном слое и в p- и n-обедненных областях 1 и 2 перехода, а фотоны в энергиями Eg₁ ≥ Ei ≥ Eg₂ поглощаются в n₁-варизонном слое 4 и в n₂-слое 5 узкозонного полупроводника, создавая в поглощающих фотоны слоях избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями:
Δn=βη^Iτ_n; Δp = βηIτ_p, (I)
где β квантовый выход; h коэффициент поглощения света; I - интенсивность света; t_n, τ_p время жизни избыточных электронов и дырок. Избыточные носители устремляются к p-n-переходу, разделяются его полем, причем электроны дрейфуют в n-область, а дырки в p-область перехода.

Вследствие разделения зарядов через p-n-переход течет ток

и возникает фотоЭДС, максимальное значение которой при холостом ходе

где I_ф максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности; I_s ток насыщения, U_a приложенное к p-n-переходу собственное напряжение.

В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями с концентрациями Δn и Δp, определяется выражением
I_ф= e(Δnμ_и+Δpμ_p) Ea. (4)
Поскольку структурой фотовольтаического преобразователя активно поглощается широкий спектр фотонов с энергиями от Eg₃, Eg₁ до Eg₂, то избыточные концентрации Δn и Δp в предложенном устройстве значительно выше, чем у прототипа, где активно поглощаются только лишь фотоны с энергией, равной Eg₁.

При замыкании на нагрузку внешней цепи фотовольтаический преобразователь отдает в нее мощность

а ее максимальное значение P_am U_am • I_am.

При условии равенства значений токов в предложенном устройстве и прототипе (практически I_a[3] ≥ I_a[n]) соотношение их выходных мощностей определяется соотношением напряжений, т.е.

мощности, токи и напряжения заявляемого устройства и прототипа соответственно.

Создано экспериментальное устройство фотовольтаический преобразователь с p-n-переходом на основе арсенида алюминия. n-область ФВП представляет слой n+2

из GaAs толщиной 2,8 мкм, легированный Te с концентрацией N_D≃ 3•10¹⁹ см^-3, n₂-слой выполнен также из GaAs, легированного Te с концентрацией N_D≃ 10¹⁶ см^-3, толщиной 0,3 мкм, варизонный слой n_1var выполнен из соединения Ga_xAl_1-xAs, легирован Te с концентрацией N_D≃ 10¹⁶ см^-3 и толщиной 0,5 0,6 мкм. Его ширина запрещенной зоны изменяется от 1,43 еВ до 2,15 еВ.

p-n-переход реализован на основе AlAs, его n-область легирована Te с концентрацией , а его p-область легирована Cd с концентрацией N_A≃ 10¹⁷ см^-3 Суммарная толщина p-n-перехода составляет 0,65 мкм, что составляет 0,9 W₀. P-область ВФП содержит варизонный слой P_var, выполненный на основе соединения Cd_xZn_1-xSe, причем параметр степени концентрации X изменяется от 0 до 0,3, его ширина запрещенной зоны изменяется от 2,15 еВ до 2,67 еВ. Варизонный p-слой 3 легирован Cu с концентрацией N_A≃ 10¹⁶ см^-3, обладает толщиной 0,60 мкм, p⁺-сильнолегированный слой 3 выполнен из селенида цинка, легированного Cu с концентрацией N_A≃ 10¹⁹ см^-3. Его толщина составляет 2,3 мкм.

Нижний сплошной омический контакт реализован структурой Te-Al-Ni общей толщиной 1 мкм. Верхний решетчатый, омический контакт изготовлен структурой Cu-Al-Ni общей толщиной 2 мкм. Занимаемая верхним контактом площадь на p⁺-слое составляет 12% рабочая площадь p⁺-слоя S 1x1 см².

Экспериментальный фотовольтаический преобразователь при интенсивности солнечного излучения с энергией P_вх 65 мВт/см² обладает следующими параметрами: U_am≃ 1,48 В; I_am≃ 21 мА/см², выходная мощность P_am≃ 20-30 мВт/см²; T_доп ≥ 150^oC.

Для прототипа эти параметры составляют: U_am 0,78 В; I_am 12 мА/см²; P_am≃ 6 мВт/см²; T_доп ≅ 100 В.

На базе предлагаемого устройства может быть создана экономичная солнечная батарея требуемых размеров и мощностей.

Таким образом, благодаря тому, что в предложенном фотовольтаическом преобразователе p-n-переход размещен в более широкозонной части структуры, p-область фотовольтаического преобразователя содержит последовательно контактирующие p⁺-сильнолегированный широкозонный слой, p-варизонный слой, широкозонную обедненную p-область перехода, а n-область фотовольтаического преобразователя включает последовательно контактирующие широкозонную обедненную n-область перехода, варизонный n-слой и n-n⁺ узкозонную область, т.е. p-n-переход снабжен дополнительным варизонным слоем в более узкозонной его части, причем обедненный слой p-n-перехода заходит в варизонные слои, достигается поставленная цель более, чем в 3 раза возрастает выходная мощность с 6 мВт/см² у прототипа до 20 мВт/см² у предлагаемого устройства, более чем в 1,5 раза возрастает фотоЭДС с 0,78 В у прототипа до 1,46 В у предлагаемого устройства, и более чем в 1,5 раза возрастает допустимая рабочая температура.

Технико-экономические преимущества предлагаемого фотовольтаического преобразователя в сравнении с базовым устройством-прототипом и другими аналогами:
1. Более, чем в три раза возрастает выходная мощность.

2. Более, чем в 1,5 раза возрастает фотоЭДС (при одинаковой степени освещенности).

3. Более, чем в 1,5 раза возрастает предельная рабочая температура.

Использование: в электронно-оптических и космических системах в качестве функциональных элементов источников электроэнергии. Сущность: n-область фотовольтаического преобразователя представляет собой слой: сильнолегированный слой n-типа, слой n-типа, варизонный слой n-типа. p-область преобразователя содержит варизонный слой p-типа и сильнолегированный слой p-типа. p-переход реализован на основе слоев n и p типа проводимости с концентрацией примесей около 10¹⁷ см^-3. Прибор содержит нижний сплошной омический контакт и верхний решетчатый омический контакт. Особенность конструкции прибора состоит в том, что p-n переход и оба варизонных слоя выполнены так, что обедненная область заходит в варизонные слои на глубину 0,1 - 0,2 от суммарной толщины слоев образующих p-n переход. 2 ил.

Фотовольтаический преобразователь, содержащий p-n-переход, образованный широкозонными полупроводниками p- и n-типа проводимости, и омические контакты, отличающийся тем, что на поверхности широкозонного полупроводника p-типа последовательно выполнены варизонный слой p-типа и сильно легированный слой p-типа, на поверхности широкозонного полупроводника n-типа последовательно выполнены варизонный слой n-типа, слой полупроводника n-типа, более узкозонный, чем используемый для формирования p-n-перехода полупроводника n-типа и слой сильнолегированного полупроводника n-типа, при этом p-n-переход и оба варизонных слоя выполнены так, что обедненная область заходит в варизонные слои на глубину 0,1 0,2 от суммарной толщины слоев, образующих p-n-переход.