МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H01L27/142 B82B1/00 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к устройствам преобразования световой энергии в электрическую, и может быть использовано как в концентраторных фотоэлектрических модульных установках, так и в космических солнечных батареях.

Преобразование энергии света в электроэнергию с использованием полупроводниковых фотопреобразователей с p-n-переходом основано на рождении электрон - дырочных пар при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала фотопреобразователя, и разделении разнополюсных носителей тянущим полем p-n-перехода. Вольтамперные характеристики таких преобразователей имеют экспоненциальный вид и характеризуются напряжением холостого хода, током короткого замыкания и фактором заполнения вольтамперной характеристики. Произведение этих величин дает мощность, вырабатываемую фотопреобразователем.

Значительное увеличение КПД фотопреобразователей возможно только при использовании структур многопереходных фотопреобразователей, из которых наиболее перспективными являются монолитные гетероструктурные фотопреобразователи на основе твердых растворов A³B⁵. Такие фотопреобразователи включают несколько р-n-переходов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке

Каждый p-n-переход каскадной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать оптимальные условия преобразования и значительно повысить КПД. При этом p-n-переходы, преобразующие коротковолновое излучение, характеризуются большим напряжением холостого хода, так как они выполнены из материалов с большей шириной запрещенной зоны, а возможность использования узкозонных материалов позволяет значительно расширить область фоточувствительности каскадных фотопреобразователей.

Ввиду того, что подобные структуры представляют собой последовательное включение однопереходных фотопреобразователей, их напряжение холостого хода будет равно сумме напряжений всех p-n-переходов, а ток короткого замыкания будет определяться минимальным из генерируемых каждым p-n-переходом токов. Поэтому оптимальная структура многопереходного фотопреобразователя должна включать p-n-переходы, выполненные из материалов, обеспечивающих равенство токов короткого замыкания при поглощении каждым p-n-переходом всех фотонов с энергией, большей его ширины запрещенной зоны.

Наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные солнечные элементы на основе изопериодичных полупроводниковых материалов Ga_0.51In_0.49P/Ga_0.99In_0.01As/Ge, несмотря на то, что материалы Ga_0.51In_0.49P (E_g=1,9 эВ), Ga_0.99In_0.01As (E_g=1,4 эВ) и Ge (E_g=0,66 эВ) не позволяют реализовать оптимальную с точки зрения спектральных плотностей фотонов, приходящихся на каждый p-n-переход, конструкцию трехпереходного фотопреобразователя.

Основным недостатком такой комбинации материалов является большая ширина запрещенной зоны среднего p-n-перехода на основе Ga_0.99In_0.01As. Это приводит к тому, что, как для спектра АМО, так и для спектра AM1,5D минимальный ток (в случае поглощения всех фотонов с энергией в диапазоне 1,9-1,4 эВ), будет генерировать средний переход, а ток, генерируемый нижним p-n-переходом, будет значительно превосходить токи верхнего и среднего p-n-переходов. Таким образом, для достижения максимальных значений КПД подобных структур необходимо уменьшать толщину верхнего p-n-перехода для пропускания части фотонов с энергией большей 1,9 эВ в средний p-n-переход, что позволит сравнять токи верхнего и нижнего перехода и обеспечить максимальный общий ток структуры.

Несмотря на отмеченные недостатки, равенство постоянных решеток позволяет получать структуры каскадных Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99In_0,01As/Ge фотопреобразователей, характеризующихся высоким кристаллическим совершенством, за один процесс, поэтому они являются в настоящий момент основой массового производства высокоэффективных фотопреобразователей.

Известен многопереходный фотопреобразователь (см. заявка US 20020040727, МПК H01L 31/00, опубликована 11.04.2002), включающий подложку p-Ge, нижний p-n-переход, созданный в подложке за счет диффузии примеси при выращивании нуклеационного слоя n⁺-GaAs или n⁺-GaInP толщиной 35 нм или меньше, буферный слой n⁺-GaAs, нижний р⁺⁺/n⁺⁺ туннельный диод, средний n⁺/p-переход на основе GaAs, верхний р⁺⁺/n⁺⁺ туннельный диод и верхний n⁺/p-переход на основе GaInP, при этом толщина верхнего перехода находится в диапазоне 0,3-0,7 мкм.

Недостатками известного многопереходного фотопреобразователя являются: использование GaAs в качестве эмиттерного слоя среднего p-n-перехода, что приводит к значительным рекомбинационным потерям и, следовательно, к снижению напряжения холостого хода и КПД, как среднего p-n-перехода фотопреобразователя, так и многопереходной структуры в целом.

Известен многопереходный фотопреобразователь (см. заявка US 20040187912 (А1), МПК H01L 31/00, опубликована 30.09.2004), включающий подложку p-Ge, нижний p-n-переход, созданный за счет диффузии атомов мышьяка при выращивании нуклеационного слоя GaAs, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-GaAs толщиной 0,3 мкм, n-GaInP слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlGaAs слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-GaInP слой тыльного потенциального барьера среднего p-n-перехода толщиной 0,1 мкм, p-GaAs базовый слой среднего p-n-перехода толщиной 3 мкм, p-GaAs эмиттерный слой среднего p-n-перехода толщиной 0,1 мкм, n-AlInP слой широкозонного окна среднего p-n-перехода толщиной 0,03 мкм, n-GaInP слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlGaAs слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlInP слой тыльного потенциального барьера верхнего p-n-перехода толщиной 0,03 мкм, p-AlGaInP базовый слой верхнего p-n-перехода, n-AlGaInP эмиттерный слой верхнего p-n-перехода толщиной 0,05 мкм, n-AlnP слой широкозонного окна верхнего р-n-перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n-GaAs толщиной 0,4 мкм.

Известный многопереходный фотопреобразователь имеет низкий ток короткого замыкания и низкое напряжение холостого хода структуры из-за использования GaAs в качестве эмиттерного слоя среднего p-n-перехода.

Известен многопереходный фотопреобразователь (см. патент RU 2382439, МПК H01L 31/0304, опубликован 20.02.2010), содержащий эпитаксиальную структуру, тыльный металлический контакт и лицевую металлическую контактную сетку, а также антиотражающее покрытие, при этом эпитаксиальная структура включает последовательно выращиваемые методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке p-Ge нуклеационный слой n-Ga_0.51In_0,49P толщиной 170-180 нм, буферный слой Ga_0.99In_0.01As толщиной не менее 0,5 мкм, нижний туннельный диод, включающий слой n-Al_0.53In_0,47P или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, слой n⁺⁺-GaAs толщиной 20-30 нм, p⁺⁺-AlGaAs слой толщиной 20-30 нм и широкозонный слой р-Al_0,53In_0,47Р толщиной 20-50 нм или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, средний p-n-переход, включающий слой тыльного потенциального барьера, осаждаемые при температуре 595-605°C, базовый p-Ga_0,99In_0,01As и эмиттерный слой из n-Ga_0.99In_0.01As и слой широкозонного окна из n-AlGaAs или n-Ga_0.51In_0.49P толщиной 30-120 нм, верхний туннельный диод, включающий слой n⁺⁺-Ga_0.51In_0,01P или n⁺⁺-GaAs толщиной 10-20 нм и слой p⁺⁺-AlGaAs толщиной 10-20 нм, верхний р-n-переход, выращиваемый при температуре 720-730°C и включающий р⁺-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерный n-слой, выполненные из Ga_0.51In_0.49P, и n-слой широкозонного окна а также n⁺-контактный слой.

К недостаткам известного многопереходного фотопреобразователя следует отнести низкий ток короткого замыкания и низкое напряжение холостого хода среднего p-n-перехода структуры за счет использования n-GaInAs эмиттерного слоя, а также наличие рекомбинационных потерь в n-Ge эмиттерном слое.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и совокупности существенных признаков является многопереходный фотопреобразователь (см. патент US 7071407, МПК H01L 31/68, опубликован 04.07.2006), принятый за прототип. Многопереходный фотопреобразователь-прототип включает верхний первый p-n-переход, включающий GaInP эмиттерный слой и GaInP базовый слой, второй p-n-переход, включающий GaInP эмиттерный слой и GaInAs базовый слой и третий p-n-переход, созданный в подложке Ge, включающий Ge эмиттерный слой и Ge базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки.

Известный многопереходный фотопреобразователь-прототип имеет низкие значения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода второго p-n-перехода, приводящие к падению КПД структуры вследствие значительных рекомбинационных потерь на поверхностных состояниях границы раздела гетероперехода GaInP/GaInAs, используемого в качестве второго фотоактивного p-n-перехода, а также обладает рекомбинационными потерями в эмиттерных слоях второго и третьего p-n-переходов.

Задачей заявляемого изобретения является создание многопереходного фотопреобразователя, имеющего повышенный КПД за счет уменьшения рекомбинационных потерь в эмиттерных слоях и на границах раздела гетеропереходов.

Поставленная задача решается тем, что многопереходный фотопреобразователь содержит полупроводниковую подложку и включает, по меньшей мере, два полупроводниковых p-n-перехода, состоящих, по меньшей мере, из двух слоев: расположенного ближе в фоточувствительной поверхности эмиттерного слоя одного типа проводимости и базового слоя другого типа проводимости. По меньшей мере один p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, имеет эмиттерный слой с шириной запрещенной зоны, превосходящей ширину запрещенной зоны базового слоя расположенного выше соседнего p-n-перехода.

Верхний первый p-n-переход может включать последовательно расположенные слой широкозонного окна из AlInGaP, эмиттерный слой из GaInP одного типа проводимости, базовый слой из GaInP и слой тыльного потенциального барьера из AlInGaP другого типа проводимости.

Второй p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, может включать последовательно расположенные слой широкозонного окна из AlInGaP или AlGaInAs и эмиттерный слой из GaInAs одного типа проводимости, а также базовый слой из GaInAs и слой тыльного потенциального барьера другого типа проводимости, а третий p-n-переход, расположенный под вторым p-n-переходом, может включать последовательно расположенные эмиттерный слой из AlGaInP или AlGaInAs одного типа проводимости и базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки другого типа проводимости.

Второй p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, может включать последовательно расположенные: эмиттерный слой из AlInP или AlGaInAs одного типа проводимости, базовый слой из GaInAs и слой тыльного потенциального барьера другого типа проводимости. Слой широкозонного окна верхнего первого p-n-перехода может быть выполнен толщиной 20-30 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, эмиттерный слой верхнего первого p-n-перехода может быть выполнен толщиной 30-150 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, базовый слой верхнего первого p-n-перехода может быть выполнен толщиной 0,5-1,0 мкм при уровне легирования атомами цинка 10¹⁶-10¹⁸ см^-3, слой тыльного потенциального барьера верхнего первого p-n-перехода может быть выполнен толщиной 30-100 нм при уровне легирования атомами цинка 10¹⁸-10¹⁹ см^-3; эмиттерный слой второго p-n-перехода может быть выполнен толщиной 50-200 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, базовый слой второго p-n-перехода может быть выполнен толщиной 2-4 мкм при уровне легирования атомами цинка 10¹⁶-10¹⁸ см^-3.

При этом третий p-n-переход, расположенный под вторым p-n-переходом, может включать расположенные последовательно эмиттерный слой из AlGaInP или AlGaInAs одного типа проводимости и базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки другого типа проводимости. При этом эмиттерный слой третьего p-n-перехода выполнен толщиной 30-200 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, а уровень легирования фотоактивной германиевой подложки атомами p-примеси составляет 10¹⁶-10¹⁸ см^-3.

Третий p-n-переход, расположенный под вторым p-n-переходом, может включать последовательно расположенные: слой широкозонного окна из AlGaInP или AlGaInAs и эмиттерный слой из Ge одного типа проводимости, а также базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки другого типа проводимости.

Второй p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, может включать последовательно расположенные: слой широкозонного окна из AlInGaP или AlGaInAs и эмиттерный слой из GaInAs одного типа проводимости, а также базовый слой из GaInAs и слой тыльного потенциального барьера другого типа проводимости, а третий p-n-переход, расположенный под вторым p-n-переходом, может включать последовательно расположенные эмиттерный слой из AlGaInP или AlGaInAs одного типа проводимости и базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки другого типа проводимости.

Использование в фотоактивных p-n-переходах эмиттерного слоя, выполненного из материала с шириной запрещенной зоны большей, чем у базового слоя находящегося выше p-n-перехода, позволяет избежать рекомбинационных потерь в эмиттерном слое. Так для второго p-n-перехода, выполненного с сильно легированным эмиттерным слоем GaAs, GaInAs или GaInP, низкие значения времени жизни неосновных носителей заряда из-за высокой его дефектности приводят к рекомбинации большинства фотогенерированных носителей в этом слое, что выражается в падении напряжения и тока, генерируемых средним p-n-переходом. В случае использования широкозонного эмиттерного слоя из AlInP или AlGaAs рекомбинационные потери в нем значительно сокращаются. В этом случае коротковолновые фотоны главным образом поглощаются в базовом слое верхнего p-n-перехода, и поглощение фотонов в широкозонном эмиттерном слое второго p-n-перехода становится на несколько порядков меньше, и, следовательно, меньше носителей заряда генерируется в этом слое по сравнению с GaAs, GaInAs или GaInP эмиттерным слоем.

Таким образом, время жизни неосновных носителей заряда в широкозонном эмиттерном слое имеет гораздо меньшее влияние на рабочие характеристики солнечного элемента, а наиболее оптимальным является использование непоглощающего эмиттерного слоя. С этой точки зрения использования эмиттерного слоя GaInP во втором p-n-переходе не является привлекательным, так как в этом слое будет происходить поглощение значительной части фотонов, пропускаемых базовым слоем верхнего p-n-перехода. Кроме того, на границе раздела GaInP/GaInAs вследствие особенностей зонной структуры этой гетерограницы уровень рекомбинации на поверхностных состояниях значительно превосходит уровень рекомбинации на границах AlInP/GaInAs и AlGaAs/GaInAs, что приводит к уменьшению напряжения холостого хода и КПД фотопреобразователя с GaInP эмиттерным слоем.

Заявляемое изобретение (техническое решение) поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена схема заявляемого многопереходного фотопреобразователя;

на фиг.2 представлены расчетные профили уровня генерации (кривая G) и рекомбинации (кривая R) для второго p-n-перехода трехпереходного GaInP/GaInAs/Ge фотопреобразователя в условиях освещения AM1,5D в режиме короткого замыкания в случае использования в этом p-n-переходе GaInAs эмиттерного слоя;

на фиг.3 показаны расчетные зонные диаграммы второго p-n-перехода трехпереходного GaInP/GaInAs/Ge фотопреобразователя с n-GaInP эмиттерным слоем и p-GaInAs базовым слоем для плотности поверхностных состояний D_it=0-10¹² см^-2 эВ^-1 (кривая 1, 2) и D_it=5×10¹² см^-2 эВ^-1 (кривые 4, 5), где кривые 1, 4 - энергия дна зоны проводимости, кривые 2, 5 - энергия потолка валентной зоны, линия 3 - положение уровня Ферми, область I соответствует слою 13 на фиг.1, область II соответствует слою 14 на фиг 1;

на фиг.4 изображены расчетные зонные диаграммы второго р-n-перехода трехпереходного GaInP/GaInAs/Ge фотопреобразователя с n-AlInP эмиттерным слоем и p-GaInAs базовым слоем для плотности поверхностных состояний D_it=0-10¹² см^-2 эВ^-1 (кривые 1, 2) и D_it=5×10¹² см^-2 эВ^-1 (кривые 4, 5). Кривые 1, 4 показывают энергию дна зоны проводимости, кривые 2, 5 обозначают энергию потолка валентной зоны, линия 3 - положение уровня Ферми, область I соответствует слою 13 на фиг.1, область II соответствует слою 14 на фиг 1;

на фиг.5 представлены расчетные зонные диаграммы второго p-n-перехода трехпереходного GaInP/GaInAs/Ge фотопреобразователя с n-Al_0.8Ga_0.2As эмиттерным слоем и p-GaInAs базовым слоем для плотности поверхностных состояний D_it=0-10¹² см^-2 эВ^-1 (1, 2) и D_it=5×10¹² см^-2 эВ^-1 (4, 5). Где кривые 1, 4 обозначают энергию дна зоны проводимости, кривые 2, 5 показывают энергию потолка валентной зоны, линия 3 - положение уровня Ферми, область I соответствует слою 13 на фиг.1, область II соответствует слою 14 на фиг.1;

на фиг.6 изображены расчетные профили уровня генерации (кривые G1-G3) и рекомбинации (кривые R1-R3) для второго p-n-перехода трехпереходного GaInP/GaInAs/Ge фотопреобразователя в условиях освещении AM1.5D в режиме короткого замыкания в случае использования в этом p-n-переходе p-GaInAs базового слоя и эмиттерного слоя GaInP (кривые G1, R1), AlInP (кривые G2, R2) и Al_0.8Ga_0.2As (кривые G3, R3);

на фиг.7 изображены расчетные зависимости напряжения холостого хода второго p-n-перехода многопереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge в условиях освещения AM1.5D от времени жизни носителей (τ_b) в базовом слое p-GaInAs при использовании во втором р-n-переходе эмиттерного слоя n-GaInP (кривая 6), n-AlInP (кривая 7), n-Al_0.8Ga_0.2As (кривая 8) n-GaInAs с временем жизни носителей 1 нс (кривая 9), n-GaInAs с временем жизни носителей 0,1 нс (кривая 10), n-GaInAs с временем жизни носителей 0,01 нс (кривая 11);

на фиг.8 представлены расчетные зависимости напряжения холостого хода в условиях освещении AM1.5D от произведения плотности поверхностных состояний и площади сечения захвата (D_it×σ) на границе раздела для второго p-n-перехода многопереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge с базовым слоем p-GaInAs и эмиттерным слоем n-GaInP (кривая 12), n-AlInP (кривая 13), n-Al_0.8Ga_0.2As (кривая 14).

Заявляемый многопереходный фотопреобразователь может включать в себя (см. фиг.1) верхний первый p-n-переход 1, туннельный переход 2, второй (средний) p-n-переход 3, туннельный переход 4, третий (нижний) p-n-переход 5, металлические контакты 6 и просветляющее покрытие 7. На верхней поверхности фотопреобразователя может быть сформирована контактная сетка, состоящая из полупроводникового контактного слоя 8, например, из GaAs, и омического металлического контакта 6. Фоточувствительные области верхней поверхности фотопреобразователя могут быть покрыты просветляющим покрытием 7. Верхний первый p-n-переход 1 может включать в себя последовательно расположенные от поверхности: слой 9 широкозонного окна, например из AlInGaP толщиной, например, 20-30 нм и уровнем легирования 10¹⁸-10¹⁹ см^-3 и фотоактивный эмиттерный слой 10, например из GaInP толщиной, например, 40-150 нм и с уровнем легирования 10¹⁸-10¹⁹ см^-3 одного типа проводимости, а также фотоактивный базовый слой 11, например из GaInP толщиной, например, 0,4-1 мкм и с уровнем легирования 10¹⁶-10¹⁸ см^-3 и слой 12 тыльного потенциального барьера, например из AlInGaP толщиной, например, 15-100 нм и уровнем легирования 10¹⁸-10¹⁹ см^-3 другого типа проводимости. Второй, следующий за верхним, p-n-переход 3 может включать последовательно расположенные: непоглощающий эмиттерный слой 13, например из AlInP или AlGaAs одного типа проводимости толщиной, например 40-200 нм и с уровнем легирования 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, а также фотоактивный базовый слой 14, например из GaInAs толщиной, например, 2-4 мкм, уровнем легирования 10¹⁶-10¹⁸ см^-3, слой 15 тыльного потенциального барьера толщиной, например, 40-100 нм и уровнем легирования 10¹⁸-10¹⁹ см^-3 другого типа проводимости. Третий, следующий за вторым, переход 5 может включать в себя последовательно расположенные: непоглощающий эмиттерный слой 16, например, из AlGaInP или AlGaAs одного типа проводимости толщиной, например, 40-200 нм и с уровнем легирования 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, а также базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки 17 другого типа проводимости с уровнем легирования, например, 10¹⁶-10¹⁸ см^-3.

Увеличение КПД заявляемого многопереходного фотопреобразователя подтверждается проведенным численным расчетом.

На фиг.2 приведены расчетные уровни генераций и рекомбинации для второго p-n-перехода многопереходного GaInP/GaInAs/Ge фотопреобразователя при освещении АМ1.5D в режиме короткого замыкания, в случае, когда этот p-n-переход включает n-GaInAs эмиттерный слой и p-GaInAs базовый слой. Величины времени жизни были установлены равными 0.1 нс для эмиттерного слоя и 10 нс для базового слоя.

Наблюдаются существенные рекомбинационные потери в эмиттерном слое, что приводит к ухудшению характеристик второго p-n-перехода фотопреобразователя. Использование широкозонного эмиттерного слоя позволяет избежать рекомбинационных потерь в эмиттерном слое. В этом случае многопереходный фотопреобразователь будет включать p-n-переходы на основе гетеропереходов, поэтому нужно принять во внимание зонную структуру на гетероинтерфейсе, которая определяется разрывами зон. В случае p-n-перехода широкозонный эмиттерный слой n-типа/p-GaInAs базовый слой, потенциальный барьер в зоне проводимости не должен препятствовать транспорту электронов из базового слоя в эмиттерный. И напротив, потенциальный барьер в валентной зоне должен ограничить транспорт дырок из области пространственного заряда в эмиттерный слой.

Рассчитанные зонные диаграммы второго p-n-перехода трехпереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge, когда второй p-n-переход выполнен на основе гетеропереходов n-GaInP/p-GaAs, n-AlInP/p-GaInAs и n-Al_0.8Ga_0.2As/p-GaInAs представлены на фиг.3-фиг.5, соответственно. Потенциальные барьеры в валентной зоне достаточно высоки, чтобы избежать транспорта дырок из области пространственного заряда во всех случаях. Рассчитанные уровни генерации и рекомбинации при использовании этих фотопреобразователей представлены на фиг.6. Расчет производился для тех же самых условий и величин времен жизни в эмиттерном слое 13 и базовом слое 14 как в случае трехпереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge со вторым p-n-переходом на основе гомоперехода n-GaInAs/p-GaInAs (0.1 нс и 10 нс, соответственно). Уровень рекомбинации в широкозонном эмиттерном слое 13 для всех p-n намного ниже по сравнению с эмиттерным слоем n-GaInAs. В то время как в случае GaInP эмиттерного слоя (см. кривая 4, фиг.6) уровень рекомбинации на два порядка выше, чем для AlInP и n-Al_0.8Ga_0.2As эмиттерных слоев (см. кривые 5 и 6, фиг.6). Это происходит вследствие более высокого уровня поглощения в слое GaInP, имеющего меньшую ширину запрещенной зоны по сравнению с AlInP и Al_0.8Ga_0.2As, поскольку рекомбинация в широкозонном эмиттерном слое вызвана главным образом генерацией дырок в этом слое.

Были рассчитаны характеристики второго p-n-перехода для фотопреобразователей на основе GaInP/GaInAs/Ge с базовым слоем p-GaInAs и эмиттерным слоем n-AlInP, n-GaInP, n-Al_0.8Ga_0.2As и n-GaInAs в условиях освещения AM 1.5D для различных величин времени жизни в эмиттерном и базовом слоях. Полученные зависимости напряжения холостого хода (V_oc) в зависимости от времени жизни GaInAs базового слоя 14 (τ_b) для различных величин времени жизни эмиттерного слоя (τ_е), находящихся в диапазоне 0,01…1 нс, представлены на фиг.7. Для малых значений времени жизни в p-GaInAs базовом слое (τ_b<1 нс) фотопреобразователи демонстрируют независимое от материала эмиттерного слоя и τ_е увеличение V_oc с ростом τ_b. В этой области значений τ_b величина V_oc ограничена временем жизни p-GaInAs базового слоя. С дальнейшим увеличением τ_b повышение V_oc для фотопреобразователя с n-GaInAs эмиттерным слоем начинает завесить от τ_е и имеет тенденцию к насыщению (см. кривые 4-6, фиг.7), т.е. величина V_oc ограничена временем жизни эмиттерного слоя. В то время как V_oc для фотопреобразователей с широкозонным эмиттерным слоем (n-AlInP, n-GaInP, n-Al_0.8Ga_0.2As) продолжает монотонно расти с повышением τ_b независимо от τ_е (см. кривые 1-3, фиг.7). Время жизни эмиттерного слоя не ограничивает V_oc в этом случае. Это означает, что p-n-переходы с широкозонным эмиттерным слоем позволяют избегать рекомбинационных потерь в эмиттерном слое. Другими словами, если эффективность фотопреобразователя с узкозонным эмиттерным слоем ограничена рекомбинацией в эмиттерном слое, она может быть повышена, используя широкозонный эмиттерный слой.

Был проведен расчет характеристик фотопреобразователей, включающих p-n-переход с базовым слоем p-GaInAs, обладающим низкой плотностью дефектов. Время жизни в этом случае определяется коэффициентами излучающей рекомбинации (В) и Оже-рекомбинации (С). В расчете использовались величины В=1.7×10^-10 см³сек^-1 и С=7×10^-30 см⁶сек^-1, которые давали величину τ_b порядка 10^-8 с. Для эмиттерного слоя 13 величина времени жизни τ_е была равна 10^-10 с. При этом была введена поверхностная плотность состояний на гетероинтерфейсе n-широкозонный эмиттерный слой/p-базовый слой. Плотность поверхностных состояний (D_it) варьировалась в диапазоне D_it=10⁸-10¹³ см^-2 эВ^-1, величина площади сечения захвата электронов и дырок (σ) принималась равной 10^-14 см². Расчетная зависимость V_oc от D_it для фотопреобразователей, содержащих p-n-переходы на основе n-AlInP/p-GaInAs, n-GaInP/p-GaInAs и n-Al_0.8Ga_0.2As/p-GalnAs гетеропереходов при освещении AM 1.5D представлена на фиг.8. КПД демонстрирует аналогичную зависимость от D_it.

Для n-AlInP/p-GaInAs и n-AlGaAs/p-GaInAs p-n-переходов вплоть до D_it=10¹¹ см^-2 эВ^-1 (σ×D_it=10^-3 эВ^-1) поверхностные состояния не влияют на значения V_oc и η (см. кривые 2, 3, фиг.8). Величину D_it=10¹¹ см^-2 эВ^-1 следует рассматривать как наиболее реальное значение для эпитаксиально выращенных гетероструктур. Увеличение D_it до 10¹² см^-2 эВ^-1 приводит к некоторому уменьшению V_oc и η, сопровождаемому резким спадом с дальнейшим повышением D_it. Этот спад V_oc и η для D_it>10¹² см^-2 эВ^-1 вызван изменением в изгибе зон на гетероинтерфейсе. Из расчетных зонных диаграмм для D_it=5×10¹² см^-2 эВ^-1, представленных на фиг.4 (кривые 4, 5) и фиг.5 (кривые 4, 5), можно видеть, что уровень Ферми смещается к центру запрещенной зоны на интерфейсе вследствие пиннинга уровня Ферми. Это приводит к уменьшению расстояния между валентной зоной и уровнем Ферми на интерфейсе и, следовательно, к увеличению концентрации дырок. В то время как уровень рекомбинации на интерфейсе пропорционален концентрации дырок.

Для n-GaInP/p-GaInAs р-n-перехода наблюдается высокая чувствительность к плотности поверхностных состояний. Значительное сокращение V_ос и η наблюдается уже при D_it=10¹¹ см^-2 эВ^-1 (см. кривая 1, фиг.8), когда никаких изменений изгибов зон не происходит. Столь сильная чувствительность к поверхностным состояниям обусловлена зонной структурой на интерфейсе n-GaInP/p-GaInAs (фиг.3). Малое значение разрыва зон проводимости на интерфейсе обуславливает более слабый изгиб зоны и, как следствие, меньшее расстояние между валентной зоной и уровнем Ферми, что приводит к более высокой концентрации дырок и высокому уровню рекомбинации на интерфейсе по сравнению с n-AlInP/p-GaInAs и n-Al_0.8Ga_0.2As/p-GaInAs интерфейсами для тех же самых значений D_it.

Пример 1. Был проведен расчет вольтамперных характеристик в условиях освещения AM1.5D для второго p-n-перехода многопереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs, включающий последовательно расположенные: слой широкозонного окна из n-Al_0.8Ga_0.2As толщиной 30 нм и уровнем легирования 3·10¹⁸ см^-3, эмиттерный слой из n-Ga_0.99In_0.01As толщиной 100 нм и уровнем легирования 3·10¹⁸ см^-3, базовый слой p-Ga_0.99In_0.01As толщиной 2500 нм и уровнем легирования 4·10¹⁷ см^-3 и слой p-Al_0.8Ga_0.2As тыльного потенциального барьера толщиной 30 нм и уровнем легирования 10¹⁸ см^-3. При расчете использовались величины времени жизни в базовом слое (τ_b) порядка 10^-8 сек и в эмиттерном слое (τ_е) порядка 10^-11 сек, что соответствует сильнолегированному эмиттерному слою, используемому обычно в концентраторных фотопреобразователях. Плотность поверхностных состояний на границе базовый слой/эмиттерный слой D_it=0 см^-2 эВ^-1 (σ×D_it=0 эВ^-1), что характеризует отсутствие рекомбинации в случае гомоперехода. КПД такого p-n-перехода составил 9.63%.

Пример 2. Был проведен расчет вольтамперных характеристик в условиях освещения AM1.5D для второго p-n-перехода многопереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs, включающий последовательно расположенные: эмиттерный слой из n-Ga_0.52In_0.48P толщиной 50 нм и уровнем легирования 3·10¹⁸ см^-3, базовый слой р- Ga_0.99In_0.01As толщиной 2500 нм и уровнем легирования 4·10¹⁷ см^-3 и слой p-Al_0.8Ga_0.2As тыльного потенциального барьера толщиной 30 нм и уровнем легирования 10¹⁸ см^-3. При расчете использовались величины времени жизни в базовом слое (τ_b) порядка 10^-8 сек и в эмиттерном слое (τ_е) порядка 10^-11 сек. Плотность поверхностных состояний на границе базовый слой/эмиттерный слой D_it=10¹¹ см^-2 эВ^-1 (σ×D_it=10^-3 эВ^-1). КПД такого p-n-перехода составил 10.97%.

Пример 3. Был проведен расчет вольтамперных характеристик в условиях освещения AM1.5D для второго p-n-перехода многопереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs, включающий последовательно расположенные: широкозонный непоглощающий эмиттерный слой из n-Al_0.53In_0.47Р толщиной 50 нм и уровнем легирования 3·10¹⁸ см^-3, базовый слой р-Ga_0.99In_0.01As толщиной 2500 нм и уровнем легирования 4·10¹⁷ см^-3 и слой р-Al_0.8Ga_0.2As тыльного потенциального барьера толщиной 30 нм и уровнем легирования 10¹⁸ см^-3. При расчете использовались величины времени жизни в базовом слое (τ_b) порядка 10^-8 сек и в эмиттерном слое (τ_е) порядка 10^-11 сек. Плотность поверхностных состояний на границе базовый слой/эмиттерный слой D_it=10¹¹ см^-2 эВ^-1 (σ×D_it=10^-3 эВ^-1). КПД такого р-n-перехода составил 11.92%.

Пример 4. Был проведен расчет вольтамперных характеристик в условиях освещения AM1.5D для второго p-n-перехода многопереходного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs, включающий последовательно расположенные: широкозонный непоглощающий эмиттерный слой из n-Al_0.8Ga_0.2As толщиной 50 нм и уровнем легирования 3·10¹⁸ см^-3, базовый слой р-Ga_0.99In_0.01As толщиной 2500 нм и уровнем легирования 4·10¹⁷ см^-3 и слой р-Al_0.8Ga_0.2As тыльного потенциального барьера толщиной 30 нм и уровнем легирования 10¹⁸ см^-3. При расчете использовались величины времени жизни в базовом слое (τ_b) порядка 10^-8 сек и в эмиттерном слое (τ_е) порядка 10^-11 сек. Плотность поверхностных состояний на границе базовый слой/эмиттерный слой D_it=10¹¹ см^-2 эВ^-1 (σ×D_it=10^-3 эВ^-1). КПД такого p-n-перехода составил 11.9%.

Таким образом, использование p-n-переходов с эмиттерным слоем с шириной запрещенной зоны большей, чем у базового слоя вышестоящего перехода, приводит к сокращению рекомбинационных потерь в эмиттерном слое, что позволяет увеличить КПД на величину порядка 2%. При этом многопереходный GaInP/GaInAs/Ge фотопреобразователь, содержащий p-n-переходы AlInP/GaInAs или AlGaAs/GaInAs обладают большим напряжением холостого хода по сравнению с p-n-переходом GaInP/GaInAs вследствие меньшего влияния плотности поверхностных состояний на их характеристики, а КПД таких структур превышает КПД структур с p-n-переходом GaInP/GaInAs на величину порядка 1%.

Изобретение относится к устройствам преобразования световой энергии в электрическую и может быть использовано как в концентраторных фотоэлектрических модульных установках, так и в космических солнечных батареях. Сущность изобретения: многопереходный фотопреобразователь содержит полупроводниковую подложку и включает, по меньшей мере, два полупроводниковых p-n-перехода, состоящих, по меньшей мере, из расположенного ближе в фоточувствительной поверхности эмиттерного слоя одного типа проводимости и базового слоя другого типа проводимости, при этом по меньшей мере один p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, имеет эмиттерный слой с шириной запрещенной зоны, превосходящей ширину запрещенной зоны базового слоя расположенного выше соседнего p-n-перехода. Техническим результатом изобретения является создание многопереходного фотопреобразователя, имеющего повышенный КПД за счет уменьшения рекомбинационных потерь в эмиттерных слоях и на границах раздела гетеропереходов. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Многопереходный фотопреобразователь, содержащий полупроводниковую подложку и включающий, по меньшей мере, два полупроводниковых p-n-перехода, состоящих, по меньшей мере, из расположенного ближе в фоточувствительной поверхности эмиттерного слоя одного типа проводимости и базового слоя другого типа проводимости, при этом по меньшей мере один p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, имеет эмиттерный слой с шириной запрещенной зоны, превосходящей ширину запрещенной зоны базового слоя, расположенного выше соседнего p-n-перехода.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что верхний первый p-n-переход включает последовательно расположенные слой широкозонного окна из AlInGaP, эмиттерный слой из GaInP одного типа проводимости, базовый слой из GaInP и слой тыльного потенциального барьера из AlInGaP другого типа проводимости.

3. Фотопреобразователь по п.2, отличающийся тем, что второй p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, включает последовательно расположенные слой широкозонного окна из AlInGaP или AlGaInAs и эмиттерный слой из GaInAs одного типа проводимости, а также базовый слой из GaInAs и слой тыльного потенциального барьера другого типа проводимости, а третий p-n-переход, расположенный под вторым p-n-переходом, включает последовательно расположенные эмиттерный слой из AlGaInP или AlGaInAs одного типа проводимости и базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки другого типа проводимости.

4. Фотопреобразователь по п.2, отличающийся тем, что второй p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, включает последовательно расположенные: эмиттерный слой из AlInP или AlGaInAs одного типа проводимости, базовый слой из GaInAs и слой тыльного потенциального барьера другого типа проводимости.

5. Фотопреобразователь по п.4, отличающийся тем, что слой широкозонного окна верхнего первого p-n-перехода выполнен толщиной 20-30 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, эмиттерный слой верхнего первого p-n-перехода выполнен толщиной 30-150 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, базовый слой верхнего первого p-n-перехода выполнен толщиной 0,5-1,0 мкм при уровне легирования атомами цинка 10¹⁶-10¹⁸ см^-3, слой тыльного потенциального барьера верхнего первого p-n-перехода выполнен толщиной 30-100 нм при уровне легирования атомами цинка 10¹⁸-10¹⁹ см^-3; эмиттерный слой второго p-n-перехода выполнен толщиной 50-200 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, базовый слой второго p-n-перехода выполнен толщиной 2-4 мкм при уровне легирования атомами цинка 10¹⁶-10¹⁸ см^-3.

6. Фотопреобразователь по п.4, отличающийся тем, что третий p-n-переход, расположенный под вторым p-n-переходом, включает расположенные последовательно эмиттерный слой из AlGaInP или AlGaInAs одного типа проводимости и базовый слой в виде фотоактивной германиевой подложки другого типа проводимости.

7. Фотопреобразователь по п.6, отличающийся тем, эмиттерный слой третьего p-n-перехода выполнен толщиной 30-200 нм при уровне легирования атомами кремния 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, а уровень легирования фотоактивной германиевой подложки атомами p-примеси составляет 10¹⁶-10¹⁸ см^-3.

8. Фотопреобразователь по п.4, отличающийся тем, что третий p-n переход, расположенный под вторым p-n-переходом, включает последовательно расположенные: слой широкозонного окна из AlGaInP или AlGaInAs и эмиттерный слой из Ge одного типа проводимости, а также фотоактивную Ge подложку другого типа проводимости.

9. Фотопреобразователь по п.3, отличающийся тем, что второй p-n-переход, расположенный под верхним первым p-n-переходом, включает последовательно расположенные: слой широкозонного окна из AlInGaP или AlGaInAs и эмиттерный слой из GaInAs одного типа проводимости, а также базовый слой из GaInAs и слой тыльного потенциального барьера другого типа проводимости, а третий p-n-переход, расположенный под вторым p-n переходом, включает последовательно расположенные эмиттерный слой из AlGaInP или AlGaInAs одного типа проводимости и фотоактивную Ge подложку другого типа проводимости.