КАСКАДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2007 года по МПК H01L31/42 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано для создания приборов, эксплуатируемых в условиях космоса.

Известен каскадный солнечный элемент (Tatsuya Takamoto, Minoru Kaneiwa, Mitsuru Imaizumi, Masafumi Yamaguchi "InGaP/GaAs-based Multijunction Solar Cell" Prog. Photovolt.: Res. Appl., 2005, 13: p.p.495-511), содержащий подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости AlInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInP, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInP, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости AlInP, являющийся широкозонным окном; средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости GaInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInAs, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInAs, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости GaInP, являющийся широкозонным окном; нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки p-типа проводимости Ge и n-слоя Ge, выполняющих соответственно функции базы и эмиттера; между верхним и средним каскадами выполнен широкозонный туннельный диод с p-слоем AlGaAs и n-слоем InGaP, между средним и нижним каскадами последовательно выполнены на n-слое Ge, являющемся эмиттером нижнего p-n-перехода, слой GaInP, слой n-типа проводимости GaInAs, образующие буфер, и туннельный диод на основе GaAs, а между верхним контактным электродом и слоем n-типа проводимости AlInP, являющимся широкозонным окном верхнего p-n-перехода, выполнен подконтактный слой GaAs n-типа проводимости.

К недостаткам данного технического решения относятся недостаточно высокий кпд солнечного элемента, тяжеловесность конструкции в сочетании с низкой прочностью, а также высокая стоимость изготавливаемых изделий. Указанные недостатки обусловлены конструктивными особенностями выполнения солнечного элемента, а именно выполнением первого каскада на основе Ge. Необходимость точного согласования кристаллических решеток используемых материалов для слоев, выполняющих активную функцию, предопределяет использование германия в каскадных солнечных элементах, однако при использовании его в сочетании с другими традиционно применяемыми материалами ширина запрещенной зоны Ge не является оптимальной для достижения высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Тяжеловесность в сочетании с низкой прочностью известных конструкций каскадных солнечных элементов обусловлена хрупкостью германия и его большим удельным весом.

Наиболее близким техническим решением является каскадный солнечный элемент (С.М.Fetzer, R.R.King, P.C.Colter, К.М.Edmondson, D.С.Law, A.P.Stavrides, H.Yoon, J.Н.Ermer, М.J.Romero, N.Н.Karam "High-efficiency metamorphic GaInP/GaInAs/Ge solar cells grown by MOVPE", Journal of Crystal Growth 261 (2004), p.p.341-348), содержащий подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости AlGaInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInP, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInP, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости AlInP, являющийся широкозонным окном; средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости GaInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInAs, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInAs, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости GaInP, являющийся широкозонным окном; нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки p-типа проводимости Ge и n⁺ слоя Ge, выполняющих соответственно функции базы и эмиттера; между верхним и средним каскадами выполнен широкозонный туннельный диод с n⁺⁺ слоем, расположенным на слое n-типа проводимости GaInP, являющемся широкозонным окном среднего p-n-перехода, между средним и верхним каскадами последовательно выполнены из GaInAs зародышеобразующий слой, туннельный диод с n⁺⁺ слоем, расположенным на зародышеобразующем слое, и комбинированный буфер, состоящий из буферных слоев, обеспечивающих пошаговое достижение выхода на желаемое содержание In, а между верхним контактным электродом и слоем n-типа проводимости AlInP, являющемся широкозонным окном верхнего p-n-перехода, выполнен подконтактный слой GaInAs n-типа проводимости.

К недостаткам данного технического решения относятся недостаточно высокий кпд солнечного элемента, тяжеловесность конструкции в сочетании с низкой прочностью, а также высокая стоимость изготавливаемых изделий. Указанные недостатки обусловлены конструктивными особенностями выполнения солнечного элемента, а именно выполнением первого каскада на основе Ge. Необходимость точного согласования кристаллических решеток используемых материалов для слоев, выполняющих активную функцию, предопределяет использование германия в каскадных солнечных элементах, однако при использовании его в сочетании с другими традиционно применяемыми материалами ширина запрещенной зоны Ge не является оптимальной для достижения высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Тяжеловесность в сочетании с низкой прочностью известных конструкций каскадных солнечных элементов обусловлена хрупкостью германия и его большим удельным весом.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение кпд солнечного элемента;

- облегчение конструкции и повышение ее прочности.

Дополнительным положительным эффектом предлагаемого изобретения является снижение стоимости готового изделия.

Технический результат достигается тем, что в каскадном солнечном элементе, содержащем подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки, осуществляющей функцию базы, и слоя с противоположным типом проводимости относительно подложки, осуществляющего функцию эмиттера, в качестве материала для нижнего каскада солнечного элемента использован кремний, а комбинированный буфер в составе мульти-p-n-переходной структуры выполнен оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, или верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом.

В каскадном солнечном элементе подложка, осуществляющая функцию базы, выполнена из кремния p-типа проводимости.

В каскадном солнечном элементе мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺-слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода р⁺⁺ GaAs-n⁺⁺ GaAs или туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP, расположенного на комбинированном прозрачном буфере; верхнего каскада, представляющего верхний p-n-переход, состоящий из p-слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде, p-слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на p-слое AlInP, n⁺-слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p-слое InGaP, n⁺-слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺-слое InGaP, и n-слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n⁺-слое AlInP.

В каскадном солнечном элементе мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺-слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs, расположенного на комбинированном прозрачном буфере; среднего каскада, представляющего собой средний p-n-переход, состоящий из p-слоя InGaP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs, p-слоя GaAs, являющегося базой, расположенного на p-слое InGaP, n⁺-слоя GaAs, являющегося эмиттером, расположенного на p-слое GaAs, n⁺-слоя InGaP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺-слое GaAs, туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP, расположенного на n-слое InGaP; верхнего каскада, представляющего собой верхний p-n-переход, состоящий из р-слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP, p-слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на р-слое AlInP, n⁺-слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p-слое InGaP, n⁺-слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺-слое InGaP, и n-слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n-слое AlInP.

В каскадном солнечном элементе комбинированный прозрачный буфер выполнен в составе: слоя Ge_0,15Si_0,85, обеспечивающего точное согласование решеток Si и GaP, расположенного на n⁺-слое Si, слоя GaP, расположенного на слое Ge_0,15Si_0,85, и слоя переменного состава по толщине In_xGa_1-xP, обеспечивающего «выход» на постоянную решетки материала, из которого изготовлен средний или верхний каскад, и расположенного на слое GaP, причем с увеличением х от границы раздела данных слоев от 0 до 0,5 непрерывно или дискретно, при этом в целом комбинированный буфер прозрачен для света, пропускаемого верхними каскадами спектральной области фотопреобразования Si.

В каскадном солнечном элементе контактные электроды выполнены из Ag или Au.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 отражены пути решения задачи создания высокоэффективных солнечных элементов с приведением используемых материалов, указанием для них значений ширины запрещенной зоны, постоянной решетки и поглощаемых длин волн. На Фиг.2 схематически представлен каскадный солнечный элемент, где 1 - подложка Si, 2 - n⁺-слой Si, 3 - n⁺-слой Ge_0,15Si_0,85, 4 - слой GaP, 5 - слой In_xGa_1-xP, 6 - туннельный диод р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs, 7 - p-слой InGaP, 8 - p-слой GaAs, 9 - n⁺-слой GaAs, 10 - n-слой InGaP, 11 - туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, 12 - р-слой AlInP, 13 - р-слой InGaP, 14 - n⁺-слой InGaP, 15 - n⁺-слой AlInP, 16 - n-слой GaAs, 17 - верхний контактный электрод, 18 - нижний контактный электрод.

Создание высокоэффективных каскадных солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений А₃В₅ в сочетании с использованием дешевых, прочных и легких подложек из Si является на данном этапе развития фотовольтаики одной из наиболее приоритетных задач. Основной проблемой на пути создания таких высокоэффективных устройств является большое, порядка 4%, рассогласование постоянных решеток и значительное, до 50%, рассогласование коэффициентов термического расширения кремния и наиболее пригодных, технологически отработанных для каскадных солнечных элементов материалов, таких как GaAs, AlGaAs, InGaP, обладающих (в комбинации) значениями запрещенных зон Eg, близкими к оптимальным для эффективного преобразования солнечной энергии. Приведенное рассогласование постоянных решеток обуславливает высокую 10⁷ см^-2 и выше плотность дислокации в слоях данных материалов. Указанные обстоятельства препятствуют получению на кремнии высококачественных, характеризующихся большим временем жизни и подвижностью неосновных носителей заряда, слоев полупроводниковых соединений А₃В₅, что является необходимым условием для эффективного функционирования солнечного элемента.

Одним из путей решения поставленной задачи является создание на кремнии достаточно толстого порядка 10 мкм буферного слоя SiGe с «выходом» на постоянную решетку Ge, значение которой очень близко к постоянной решетки соответствующих соединений А₃В₅ (и твердых растворов между ними) (Фиг.1). Этот путь, в общем, позволяет выращивать на монокристаллических кремниевых подложках высококачественные слои соединений А₃В₅, характеризующиеся большими значениями диффузионных длин неосновных носителей заряда и, следовательно, кпд солнечного элемента.

Однако следует отметить, что указанный подход имеет один, но принципиальный недостаток, заключающийся в том, что в солнечном элементе буферный слой SiGe является непрозрачным в спектральной области эффективного фотопреобразования в кремнии. Кремниевая подложка, которая сама по себе могла бы эффективно служить в качестве конструктивного элемента, выполняющего активную функцию в фотопреобразовании, в данном случае играет роль только несущего элемента, пассивной инертной подложки.

В связи с этим фактором, обуславливающим повышение эффективности солнечного элемента, является реализация использования в каскадном солнечном элементе подложки Si в качестве активного фотопреобразующего конструктивного элемента. Для достижения этого необходимо наличие буферного слоя прозрачного в спектральной области фотопреобразования кремнием, то есть с шириной запрещенной зоны больше края Eg предыдущего каскада.

В предлагаемом изобретении в качестве буферного слоя прозрачного в спектральной области фотопреобразования кремнием используются фосфорсодержащие твердые растворы соединений А₃В₅ (GaInP, GaAsP, AlInP), позволяющие получать комбинированные буферные слои GaP-InGaP, GaP-AlInP, GaP-GaPAs (Фиг.1). В состав комбинированного буфера (Фиг.2), который выполнен оптически прозрачным в области фотопреобразования кремнием и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого создан предыдущий каскад, включен также слой GeSi, позволяющий точно согласовать решетки кремния и фосфида галлия. Ширина запрещенной зоны комбинированного буферного слоя GaP-InGaP составляет, плавно меняясь, от 1,88 до 2,26 эВ.

Постоянная решетки GaP близка к постоянной решетки Si (отличия составляют 0,13%), а использование комбинированного прозрачного буфера (см. Фиг.2), включающего, например, слои GaP-In_xGa_1-xP, где х во втором слое увеличивается от границы раздела данных слоев от 0 до 0,5, позволяет «выйти» на постоянную решетки GaAs или AlGaAs (см. Фиг.1). Это, в свою очередь, дает возможность выращивать из технологически отработанных для солнечных элементов материалов А₃В₅ слои, с достаточно низкой плотностью дислокации, что обусловливает увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда и, следовательно, кпд солнечных элементов. Комбинация совместимых в отношении постоянной решетки вышеперечисленных материалов позволяет реализовывать одни из самых эффективных архитектур двух- и трехкаскадных солнечных элементов на настоящий момент времени. Так, для двухкаскадного AlGaAs/Si или InGaP/Si с шириной запрещенной зоны соответственно 1,7 эВ/1,1 эВ или 1,8 эВ/1,1 эВ ожидаемый кпд составляет до 44%; для трехкаскадного InGaP/GaAs/Si с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ/1,4 эВ/ 1,1 эВ ожидаемый кпд составляет до 47%. Для сравнения отметим, что у реально полученных к настоящему времени солнечных элементов на дорогих и тяжелых подложках Ge или GaAs кпд составляет: для двухкаскадного InGaP/GaAs до 38%; для трехкаскадного InGaP/GaAs/Ge до 44%.

Предлагаемый каскадный солнечный элемент содержит подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента. Причем подложка в совокупности с мульти-p-n-переходной структурой солнечного элемента подразделяется на каскады солнечного элемента. Предлагаемый каскадный солнечный элемент может быть реализован как в двухкаскадном, так и в трехкаскадном выполнении. В трехкаскадном выполнении солнечный элемент представлен на Фиг.2. Он содержит подложку Si 1, n⁺-слой Si 2, n⁺-слой Ge_0,15Si_0,85 3, слой GaP 4, слой In_xGa_1-xP 5, туннельный диод р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6, р-слой InGaP 7, р-слой GaAs 8, n⁺-слой GaAs 9, n-слой InGaP 10, туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11, р-слой AlInP 12, р-слой InGaP 13, n⁺-слой InGaP 14, n⁺-слой AlInP 15, n-слой GaAs 16, верхний контактный электрод 17, нижний контактный электрод 18.

Подложка кремния 1 толщиной 70÷200 мкм имеет p-тип проводимости с концентрацией свободных носителей заряда на уровне 10¹⁶ см^-3.

На верхней стороне подложки кремния 1 выполнена мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента. Для трехкаскадного солнечного элемента (Фиг.2) она выполнена, например, в составе n⁺-слоя Si 2, n⁺-слоя Ge_0,15Si_0,85 3, слоя GaP 4, слоя In_xGa_1-xP 5, туннельного диода р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6, р-слоя InGaP 7, р-слоя GaAs 8, n⁺-слоя GaAs 9, n-слоя InGaP 10, туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11, р-слоя AlInP 12, р-слоя InGaP 13, n⁺-слоя InGaP 14, n⁺-слоя AlInP 15. Для двухкаскадного солнечного элемента мульти-p-n-переходная структура выполнена, например, в составе n⁺-слоя Si 2, n⁺-слоя Ge_0,15Si_0,85 3, слоя GaP 4, слоя In_xGa_1-xP 5, туннельного диода р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6 или туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11, р-слоя или AlInP 12, р-слоя InGaP 13, n⁺-слоя InGaP 14, n⁺-слоя AlInP 15 (см. Фиг.2).

Подложка кремния 1 в совокупности с расположенным на ней n⁺-слоем кремния 2 толщиной порядка 0,1 мкм образуют нижний каскад солнечного элемента, являющийся нижним p-n-переходом. При этом подложка кремния 1 выполняет функцию базы, а n⁺-слой кремния 2 - функцию эмиттера.

Средний каскад солнечного элемента, являющийся средним p-n-переходом, образован р-слоем InGaP 7, р-слоем GaAs 8, n⁺-слоем GaAs 9 и n-слоем InGaP 10. При этом р-слой InGaP 7 выполняет функцию отражения неосновных носителей заряда, расположенный на р-слое InGaP 7 р-слой GaAs 8 является базой, расположенный на р-слое GaAs 8 n⁺-слой GaAs 9 является эмиттером, а расположенный на n⁺-слое GaAs 9 n-слой InGaP 10 является широкозонным окном.

Следует отметить, что предлагаемый каскадный солнечный элемент допускает выполнение второго каскада в вариантах известных технических решений, в частности, как у вышеприведенных аналогов.

Между нижним и средним каскадами солнечного элемента в составе мульти-p-n-переходной структуры выполнены комбинированный прозрачный буфер и туннельный диод (Фиг.2).

В каскадном солнечном элементе комбинированный прозрачный буфер состоит: во-первых, из пьезоморфного или релаксированного слоя Ge_0,15Si_0,85, который обеспечивает точное согласование решеток нижележащего Si и вышележащего слоя GaP, причем слой Ge_0,15Si_0,85 пропускает не менее 95% фотонов, прошедших через предыдущие каскады, поскольку его толщина не превышает 0,5 мкм, а коэффициент оптического поглощения 10³ см^-1; во-вторых, из широкозонного слоя GaP, также прозрачного, так как ширина его запрещенной зоны 2,26 эВ; в-третьих, из слоя с переменным составом In_xGa_1-xР, причем по мере удаления от границы раздела данного слоя и слоя GaP х увеличивается от 0 до 0,5 плавно или ступенчато, что обеспечивает выход на постоянную решетки материалов, из которых изготовлены средний и верхние каскады. Слой In_xGa_1-xР также прозрачен в спектральном диапазоне преобразования света кремнием, поскольку его ширина запрещенной зоны не менее 1,89 эВ.

Комбинированный буфер, выполненный оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния, с одной стороны, пропуская фотоны, обеспечивает выполнение кремниевой подложкой активной функции, а, с другой стороны, согласует постоянные решетки кремния и материалов верхних каскадов, в частности GaAs, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом. Буфер содержит n^+-слой Ge_0,15Si_0,85 3, слой GaP 4, слой In_xGa_1-xP 5, при этом слои выполнены в указанной последовательности на n⁺-слое Si 2. Толщина n⁺-слоя Ge_0,15Si_0,85 3 не более 0,5 мкм. Толщина следующего слоя GaP 4 составляет примерно 0,1 мкм. Он является начальным для слоя переменного состава In_xGa_1-xP 5 толщиной от 1 до 1,5 мкм, предназначенного для «выхода» на постоянную решетки материала, из которого выполнен средний или верхний каскад, в частности, в трехкаскадном исполнении, на GaAs, из которого изготовлен средний каскад. Причем концентрация In по слою увеличивается от границы раздела данного и лежащего под ним слоя. На данной границе раздела соответствующее значение х равно 0 и оно достигает значения 0,5 на границе раздела данного слоя и следующего вышележащего слоя мульти-p-n-переходной структуры.

При изготовлении солнечного элемента исходя из условия достижения минимальной плотности дислокации выбирается конкретный вариант изменения значения х как функции расстояния от границы раздела. Он может иметь непрерывный или дискретный (ступенчатый) характер в зависимости от используемой технологии.

Все слои комбинированного прозрачного буфера имеют n-тип проводимости и являются сильнолегированными с концентрацией свободных носителей заряда на уровне 10¹⁸÷10¹⁹ см^-3.

Туннельный диод р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6 или туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11 расположен на слое In_xGa_1-xP 5 комбинированного прозрачного буфера. Выполнение и характеристики его такие же, как, например, в известных вышеприведенных технических решениях.

Если желателен трехкаскадный вариант реализации солнечного элемента, то в составе мульти-p-n-переходной структуры предусмотрены дополнительный туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11 и средний каскад, являющийся средним p-n-переходом (Фиг.2).

Дополнительный туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11 выполнен на последнем, самом верхнем слое среднего каскада солнечного элемента, а именно на n-слое InGaP 10, который представляет собой широкозонное окно. Выполнение и характеристики данного туннельного диода могут быть такими же, как, например, в известных вышеприведенных технических решениях.

Относительно верхнего каскада солнечного элемента следует отметить, что он также может быть выполнен, как в известных вышеприведенных технических решениях. В нашем случае он выполнен на туннельном диоде n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11 (Фиг.2) в составе следующих друг за другом: p-слоя AlInP 12, p-слоя InGaP 13, n⁺-слоя InGaP 14 и n⁺-слоя AlInP 15; в котором p-слой AlInP 12 выполняет функцию слоя, отражающего неосновные носители заряда, р-слой InGaP 13 является базой, n⁺-слой InGaP 14 является эмиттером, a n⁺-слой AlInP 15 - широкозонным окном.

В составе мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента предусмотрен подконтактный слой. Как в случае реализации двухкаскадного солнечного элемента, так и в случае реализации трехкаскадного, он выполнен на слое, являющемся широкозонным окном верхнего каскада. Например (Фиг.2), данный слой, являющийся n слоем GaAs 16, выполнен на n⁺-слое AlInP 15.

Верхний и нижний контактные электроды, соответственно 17 и 18, каскадного солнечного элемента выполнены, например, из серебра или золота.

Каскадный солнечный элемент, например, в трехкаскадном выполнении (Фиг.2) работает следующим образом.

Поток световой энергии падает на каскадный солнечный элемент со стороны верхнего контактного электрода. Фотоны проходят n⁺-слой AlInP 15 - широкозонное окно, которое подавляет поверхностную рекомбинацию, тонкий n⁺-слой InGaP 14, являющийся эмиттером, и поглощаются в основном в p-слое InGaP 13 - базе верхнего каскада с шириной запрещенной зоны Eg₁.

Генерируемые при этом электронно-дырочные пары в верхнем каскаде разделяются электрическим полем p-n-перехода верхнего каскада и создают свою часть электрической мощности, выделяемой солнечным элементом. Отметим, что электроны, движущиеся в p-слое InGaP 13, являющемся базой, от p-n-перехода, возвращаются к нему потенциальным барьером p-слоя AlInP 12, выполняющего функцию отражения неосновных носителей заряда.

Фотоны с энергией прошедшие верхний каскад, проходят туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11, n-слой InGaP 10, который представляет собой широкозонное окно среднего каскада, подавляющее рекомбинацию носителей заряда на границе раздела слоев 9 и 10, тонкий n⁺-слой GaAs 9, являющийся эмиттером, и поглощаются в основном в p-слое GaAs 8, являющемся базой среднего каскада, с шириной запрещенной зоны Eg₂.

Генерируемые при этом электронно-дырочные пары в среднем каскаде разделяются электрическим полем p-n-перехода среднего каскада и создают свою часть электрической мощности, выделяемой солнечным элементом. Отметим, что электроны, движущиеся в p-слое GaAs 8, являющемся базой, от p-n-перехода возвращаются к нему потенциальным барьером p-слоя InGaP 7, выполняющего функцию отражения неосновных носителей заряда.

Фотоны с энергией прошедшие верхние каскады, проходят широкозонный p-слой InGaP 7, туннельный диод р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6, комбинированный прозрачный буфер, тонкий n⁺-слой Si 2, являющийся эмиттером, и поглощаются в основном в подложке Si 1 - базе нижнего каскада с шириной запрещенной зоны Eg₃. Роль широкозонного окна нижнего каскада, подавляющего рекомбинацию носителей заряда на границе раздела слоев 3 и 4, играет слой GaP 4.

Генерируемые при этом электронно-дырочные пары в нижнем каскаде разделяются электрическим полем p-n-перехода (слои 1 и 2) нижнего каскада и создают свою часть электрической мощности, выделяемой солнечным элементом.

Туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11 служит для электрической связи верхнего и среднего каскадов, а туннельный диод р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6 - для электрической связи между средним и нижним каскадами.

Солнечный элемент в двухкаскадном выполнении работает аналогичным образом.

Каскадный солнечный элемент содержит подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента. Мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента. Нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки, осуществляющей функцию базы, и слоя с противоположным типом проводимости относительно подложки, осуществляющего функцию эмиттера, в качестве материала для нижнего каскада солнечного элемента использован кремний, а комбинированный буфер в составе мульти-p-n-переходной структуры выполнен оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, или верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом. Подложка, осуществляющая функцию базы, выполнена из кремния p-типа проводимости. Изобретение направлено на повышение кпд солнечного элемента, облегчение конструкции и повышение ее прочности, а также снижение стоимости готового изделия. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Каскадный солнечный элемент, содержащий подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные, соответственно, на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки, осуществляющей функцию базы, и слоя с противоположным типом проводимости относительно подложки, осуществляющего функцию эмиттера, отличающийся тем, что в качестве материала для нижнего каскада солнечного элемента использован кремний, а комбинированный буфер в составе мульти-p-n-переходной структуры выполнен оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, или верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом.2. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка, осуществляющая функцию базы, выполнена из кремния p-типа проводимости.3. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺ _{слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода p⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs или туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, расположенного на комбинированном прозрачном буфере, верхнего каскада, представляющего верхний p-n-переход, состоящий из p слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде, p слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на p слое AlInP, n⁺ слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p слое InGaP, n⁺ слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ слое InGaP, и n слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n⁺ слое AlInP.}4. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺ слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода p⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs, расположенного на комбинированном прозрачном буфере, среднего каскада, представляющего собой средний p-n-переход, состоящий из p слоя InGaP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде p⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs, p слоя GaAs, являющегося базой, расположенного на p слое InGaP, n⁺ слоя GaAs, являющегося эмиттером, расположенного на p слое GaAs, n слоя InGaP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ слое GaAs, туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, расположенного на n слое InGaP, верхнего каскада, представляющего собой верхний p-n-переход, состоящий из p слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде n⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, p слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на p слое AlInP, n⁺ слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p слое InGaP, n⁺ слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ слое InGaP, и n слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n слое AlInP.5. Каскадный солнечный элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что комбинированный прозрачный буфер выполнен в составе: слоя Ge_0,15Si_0,85, обеспечивающего точное согласование решеток Si и GaP, расположенного на n⁺ слое Si, слоя GaP, расположенного на слое Ge_0,15Si_0,85, и слоя переменного состава по толщине In_xGa_1-xP, обеспечивающего «выход» на постоянную решетки материала из которого изготовлен средний или верхний каскад, и расположенного на слое GaP, причем с увеличением x от границы раздела данных слоев от 0 до 0,5 непрерывно или дискретно, при этом в целом комбинированный буфер прозрачен для света, пропускаемого верхними каскадами спектральной области фотопреобразования Si.6. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что контактные электроды выполнены из Ag или Au.