КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ КАСКАДНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к концентраторным каскадным солнечным фотоэлементам, которые преобразуют концентрированное солнечное излучение в электроэнергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.

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. Значительное увеличение КПД таких фотопреобразователей возможно только при использовании структур многопереходных (каскадных) фотопреобразователей, из которых наиболее перспективными как с точки зрения возможности достижения высочайших значений КПД, так и с экономической точки зрения, являются монолитные гетероструктурные фотопреобразователи на основе твердых растворов A³B⁵, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе. Такие фотопреобразователи включают несколько фотоактивных p-n переходов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Для обеспечения эффективной низкоомной развязки фотоактивных p-n переходов монолитных каскадных фотопреобразователей необходимо использование туннельных диодов, характеризующихся низким поглощением полезного излучения, низким последовательным сопротивлением и, в случае преобразования высококонцентрированного солнечного излучения, высоким пиковым током туннелирования. Каждый фотоактивный p-n переход каскадной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным 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. К примеру, использование двухпереходных солнечных элементов позволяет повысить теоретическую эффективность преобразования до 40% (AM1,5D, 1 солнце), а трех переходных до 49% (AM1,5D, 1 солнце).

Наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные солнечные элементы на основе изопериодных полупроводниковых материалов Ga_0.51In_0.49P/Ga_0.99In_0.01As/Ge. 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 концентраторный каскадный фотопреобразователь (см. патент US 7071407, МПК H01L 31/68, опубликован 04.07.2006), включающий три фотоактивных p-n перехода: нижний, созданный в подложке Ge, средний, выращенный из GaInAs, и верхний, выращенный из GaInP, при этом нижний и средний p-n переходы соединены через нижний туннельный диод, содержащий последовательные туннельные слои GaAs и AlGaAs, а средний и верхний p-n переходы соединены через верхний туннельный диод, содержащий последовательные слои GaInP и AlGaAs.

Недостатками известного концентраторного каскадного фотопреобразователя является невозможность обеспечения его работоспособности при высоком уровне концентрации падающего излучения, что связано с низким пиковым током нижнего туннельного диода, обусловленного размыванием профиля примесей из-за отсутствия широкозонных барьеров для этого туннельного диода.

Известен концентраторный каскадный фотопреобразователь (см. «Multi junction solar cells and novel structures for solar cell applications", Masafumi Yamaguchi, Physica E, 14 (2002), p.84-90), включающий три фотоактивных p-n перехода: нижний, созданный в подложке Ge, средний, выращенный из GaInAs, и верхний, выращенный из GaInP, при этом нижний и средний p-n переходы соединены через нижний туннельный диод, содержащий последовательные слои n⁺⁺-GaInP и p⁺⁺-AlGaAs, а средний и верхний p-n переходы соединены через верхний туннельный диод, содержащий последовательные слои n⁺⁺-GaInP и p⁺⁺-AlGaAs.

Известный концентраторный каскадный фотопреобразователь имеет низкое значение КПД, связанное с высоким последовательным сопротивлением нижнего туннельного диода из-за использования широкозонного слоя n⁺⁺-GaInP, и не может работать при высокой кратности падающей мощности, что связано как с использованием широкозонного слоя n⁺⁺-GaInP, так и с отсутствием широкозонных барьеров у нижнего туннельного диода.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. заявка US 2003/0136442, МПК H01L 31/00, опубликована 24.08.2003), включающий три фотоактивных p-n перехода: нижний, созданный в подложке Ge, средний, выращенный из GaAs и верхний, выращенный из GaInP, при этом нижний и средний p-n переходы соединены через нижний туннельный диод, содержащий последовательные слои n-GaInP и p-AlGaAs, а также широкозонный слой p-GaInP, а средний и верхний p-n переходы соединены через верхний туннельный диод, содержащий последовательные слои n-GaInP и p-AlGaAs.

Недостатками известного концентраторного каскадного фотопреобразователя являются: использование слоя n-GaInP и широкозонного слоя p-GaInP в нижнем туннельном диоде, что приводит к высокому последовательному сопротивлению структуры фотопреобразователя и не позволяет обеспечить его работу при высоких уровнях падающей на него мощности излучения.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является концентраторный каскадный фотопреобразователь (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-Ga₀,₅₁In₀,₄₉P, буферный слой n-Ga₀,₉₉In_0,01As, нижний туннельный диод, последовательно содержащий широкозонный слой n-Al_0,53In_0,47P или n-AlGaInP, туннельный слой n⁺⁺-GaAs, туннельный слой p⁺⁺-AlGaAs и широкозонный слой p-Al_0,53In_0,47P или p-AlGaInP, средний p-n переход, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, и контактный n⁺- подслой.

В структуре концентраторного каскадного фотопреобразователя-прототипа важную роль играют широкозонные слои для нижнего туннельного диода, роль которых выполняют n-Al_0,53In_0,47P или n-AlGaInP, а также p-Al_0,53In_0,47P или p-AlGaInP. В связи с тем, что во время роста структуры каскадного фотопреобразователя происходит диффузия атомов примеси из n⁺⁺-GaAs и p⁺⁺-AlGaAs слоев нижнего туннельного диода, что приводит к деградации его характеристик, необходимо наличие широкозонных слоев, что позволяет подавить диффузию атомов примеси и обеспечивает работоспособность нижнего туннельного диода после роста структуры.

Недостатком известного концентраторного каскадного фотопреобразователя-прототипа является недостаточная эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию из-за значительного последовательного сопротивления структуры, обусловленного использованием широкозонного слоя p-Al_0,53In_0,47P или p-AlGaInP в нижнем туннельном диоде.

Задачей заявляемого технического решения является снижение последовательного сопротивления концентраторного каскадного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge для обеспечения повышения эффективности преобразования высококонцентрированного солнечного излучения.

Поставленная задача достигается тем, что концентраторный каскадный фотопреобразователь 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 базовый и эмиттерный слои, 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 концентраторном каскадном фотопреобразователе является выполнение нижнего туннельного диода из n - широкозонного слоя, n⁺⁺ - туннельного слоя и p⁺⁺ - туннельного слоя, примыкающего непосредственно к базовому слою среднего p-n перехода.

В качестве n-широкозонного слоя нижнего туннельного диода может быть использован слой n-AlInP, легированный атомами кремния в количестве (0.5-1)·10¹⁸ см^-3, в качестве n⁺⁺ -туннельного слоя может быть использован слой n⁺⁺-GaAs, легированный атомами кремния в количестве (5-7)·10¹⁸ см^-3, а в качестве p⁺⁺-туннельного слоя может быть использован слой p⁺⁺-AlGaAs, легированный атомами углерода в количестве (1-2)·10²⁰ см^-3.

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

В концентраторном каскадном фотопреобразователе в качестве широкозонного окна для среднего p-n перехода может быть использована пара слоев Ga_0,51In_0,49P/Al_0.53In_0.47P, в качестве тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода может быть использован согласованный по параметру решетки с подложкой слой AlGaInP, а слой широкозонного окна верхнего p-n перехода может быть выполнен из n-Al_0.53In_0.47P.

Толщина буферного слоя может составлять 0,7-1,2 мкм, а уровень легирования атомами кремния - 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина базового слоя среднего перехода может составлять 2,8-3,4 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 1·10¹⁶-2·10¹⁸ см^-3, толщина эмиттерного слоя среднего 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 перехода может составлять 0,2·10¹⁸-2·10¹⁸, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего перехода может составлять 0,05-0,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина базового слоя верхнего перехода может составлять 0,3-0,9 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 0,5·10¹⁷-2·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя верхнего перехода может составлять 0,1-0,2 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего 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.

Важной особенностью настоящего изобретения является возможность обеспечения работоспособности нижнего туннельного диода каскадного фотопреобразователя при высоких концентрациях падающего излучения при отсутствии p-широкозонного слоя в этом диоде. Как оказалось, коэффициенты диффузии атомов углерода из p⁺⁺-AlGaAs слоя нижнего туннельного диода достаточно малы, и размытие профиля легирования этого слоя не происходит даже при отсутствии p-широкозонного слоя. Это дает возможность исключить p/p изотопный гетеропереход между арсенидными и фосфидными слоями из нижнего туннельного диода и значительно понизить его последовательное сопротивление.

Настоящая конструкция нижнего туннельного диода позволяет обеспечить работоспособность и высокое значение КПД концентраторного каскадного фотопреобразователя при преобразовании высококонцентрированного солнечного излучения, что особенно важно в концентраторных фотоэнергоустановках.

Использование широкозонного барьера n-AlInP в туннельном диоде позволяет минимизировать диффузию атомов кремния, характеризующихся большими коэффициентами диффузии в A³B⁵ полупроводниковых слоях, из расположенного выше слоя n⁺⁺-GaAs во время выращивания верхней части структуры, что обеспечивает высокий уровень легирования этого слоя после окончания ростового процесса и обуславливает высокий пиковый ток и низкое последовательное сопротивление туннельного диода.

Использование слоя n⁺⁺-GaAs, характеризующегося наименьшей шириной запрещенной зоны среди полупроводниковых материалов, согласованных по параметру решетки с Ge, позволяет обеспечить максимальный пиковый ток туннелирования для нижнего туннельного диода и повысить эффективность преобразования высококонцентрированного излучения.

Использование p⁺⁺-AlGaAs слоя позволяет применять технологию автолегирования таких слоев атомами углерода, которые характеризуются малыми коэффициентами диффузии в полупроводниковых слоях A³B⁵, и получать уровни легирования более 10²⁰ см^-3, что позволяет обеспечить высокий пиковый ток туннельного диода.

Отсутствие p-широкозонного слоя в нижнем туннельном диоде позволяет значительно сократить последовательное сопротивление диода, которое возникает вследствие разрыва зон на изотипных p-p гетеропереходах и приводит к резкому снижению эффективности преобразования при высоких уровнях падающего излучения.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена схема настоящего концентраторного каскадного фотопреобразователя;

на фиг.2 в таблице приведены параметры структур концентраторных каскадных фотопреобразователей, для которых применялось численное моделирование;

на фиг.3 представлены расчетные зонные диаграммы туннельного диода структуры 1 (см. таблицу), включающего слои p⁺-GaAs/p⁺-GaInP/p⁺-AlGaInP/p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As/n⁺⁺-GaAs/n⁺-AlInP (E_c - энергия дна зоны проводимости, эВ; E_v - энергия потолка валентной зоны, эВ; E_f - положение уровня Ферми, эВ);

на фиг.4 показаны расчетные зонные диаграммы туннельного диода структуры 2 (см. таблицу), включающего слои p⁺-GaAs/p⁺-Al_0.3Ga_0.7As/p⁺-AlGaInP/p⁺⁺-Al₀.₄Ga_0.6As/n⁺⁺-GaAs/n⁺-AlInP (E_c - энергия дна зоны проводимости, эВ; E_v - энергия потолка валентной зоны, эВ; E_f - положение уровня Ферми, эВ);

на фиг.5 представлены расчетные зонные диаграммы туннельного диода структуры 3 (см. таблицу), включающего слои p⁺-GaAs/p⁺⁺-Al_0.4Ga_0.6As/n⁺⁺-GaAs/n⁺-AlInP (E_c - энергия дна зоны проводимости, эВ; E_v - энергия потолка валентной зоны, эВ; E_f - положение уровня Ферми, эВ);

на фиг.6 приведены расчетные вольтамперные характеристики структур, представленных на фиг.2 в таблице (кривая 1 - структура 1, кривая 2 - структура 2, кривая 3 - структура 3, при плотности падающего излучения в 1000 солнц);

на фиг.7 изображены экспериментально полученные нагрузочные характеристики концентраторных каскадных фотопреобразователей на основе GaInP/GaInAs/Ge (4 - с нижним туннельным диодом, состоящим из слоев p⁺-AlGaInP/p⁺⁺-Al₀.₄Ga_0.6As/n⁺⁺-GaAs/n⁺-AlInP; 5 - с нижним туннельным диодом, состоящим из слоев p⁺⁺-Al₀.₄Ga_0.6As/n⁺⁺-GaAs/n⁺-AlInP при плотности падающего излучения 1000 солнц AM 1,5D).

Ввиду того, что концентраторный каскадный фотопреобразователь представляет собой последовательное включение фотоактивных p-n переходов и туннельных диодов, его суммарная вольтамперная характеристика будет включать в себя вклад от всех переходов, составляющих структуру фотопреобразователя. Особенно важным является вклад сопротивления гетеропереходов, входящих в полупроводниковую гетеростуктуру концентраторного каскадного фотопреобразователя, потому что оно представляет собой прямые потери эффективности преобразования.

Для обеспечения работы фотопреобразователя при высоких концентрациях падающего излучения, т.е. при больших плотностях падающего излучения, что приводит к протеканию больших плотностей тока, необходимо, чтобы пиковый ток туннелирования входящих в его состав туннельных диодов был максимальным. Туннельный диод представляет собой p-n переход между вырожденными (высоколегированными) полупроводниковыми слоями. При этом уменьшение ширины запрещенной зоны и увеличение легирования слоев туннельного диода приводит к возрастанию пикового тока туннелирования и уменьшению его последовательного сопротивления. Поэтому для туннельных диодов необходимо использовать материалы с минимально возможной шириной запрещенной зоны, а так же обеспечить максимально возможный уровень легирования их слоев. При выращивании структуры концентраторных каскадных фотопреобразователей, атомы примеси могут диффундировать из слоев туннельных диодов, что будет приводить к падению их пикового тока.

Для обеспечения работоспособности туннельных диодов при высоких плотностях тока необходимо минимизировать диффузию примеси из их высоколегированных слоев, что достигается посредством выращивания широкозонных слоев, примыкающих непосредственно к слоям туннельного диода. При этом для типичной структуры n⁺⁺-GaAs/p⁺⁺-AlGaAs туннельного диода, со слоями, легированными кремнием и углеродом соответственно, наибольшей эффективностью для подавления диффузии атомов примеси является использование широкозонных барьеров AlGaInP. Однако при этом наличие p/p изотипных гетеропереходов между фофсидными и арсенидными слоями может приводить к возрастанию последовательного сопротивления структуры.

Для оценки этого явления были проведены серии численных моделирований структур фотопреобразователей с различным дизайном нижнего туннельного диода (фиг.2).

Использование p-AlGaInP широкозонного барьера для нижнего туннельного диода GaInP/GaInAs/Ge каскадного фотопреобразователя как в случае тыльного потенциального барьера p-GaInP (фиг.3), так и в случае тыльного потенциального барьера p-AlGaAs (фиг.4) приводит к возникновению потенциального барьера для протекания дырок, что выражается в значительном вкладе неомичного сопротивления в вольтамперную характеристику концентраторного каскадного фотопреобразователя (см. фиг 6, кривые 1 и 2 соответственно), Эта неомичное сопротивление проявляется в наличии «хвостов», приводящих к падению фактора заполнения и КПД при высоких концентрациях падающего излучения.

Нивелирование этого сопротивления в настоящем концентраторном каскадном фотопреобразователе осуществляется за счет исключения слоев p-AlGaInP из структуры нижнего туннельного диода GaInP/GaInAs/Ge каскадного фотопреобразователя. При этом отсутствуют барьеры для протекания носителей (см. фиг.5), а вольтамперная характеристика имеет правильный вид (см. фиг 6, кривая 3). Важно отметить, что малые коэффициенты диффузии атомов углерода в A³B⁵ полупроводниковых слоях позволяют сохранить высокий пиковый ток туннелирования, даже при отсутствии p-широкозонного барьера.

Настоящий концентраторный каскадный фотопреобразователь (трехпереходный GaInP/GaInAs/Ge, выращенный на подложке Ge) 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_0,51In0₀,₄₉P буферного слоя 4, выполненного, например, из n-Ga_0,99In₀,₀₁As, толщиной, например, 0,7-1,2 мкм, с уровнем легирования, например, атомами кремния 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, нижнего туннельного диода 5, содержащего широкозонный слой 6 n-AlInP, легированный, например, атомами кремния на 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3, туннельный слой 7 n⁺⁺-GaAs, легированный, например, атомами кремния на 5·10¹⁸-7·10¹⁸ см^-3, и туннельный слой 8 p⁺⁺-AlGaAs, легированный, например, атомами углерода на 1·10²⁰-2·10²⁰ см^-3, среднего p-n перехода 9 на основе, например, Ga₀,₉₉In₀,₀₁As, содержащего базовый слой 10 толщиной, например, 2,8-3,4 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 1·10¹⁶-2·10¹⁸ 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_0,51In₀,₄₉P/Al_0.51In0_0.49P, легированных, например, атомами кремния на уровне 0,2·10¹⁸-2·10¹⁸, 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, широкозонное «окно» 18 толщиной, например, 20-40 нм, легированное, 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.

Экспериментально созданные образцы концентраторных каскадных фотопреобразователей продемонстрировали согласование с теоретическими расчетами. При этом нивелирование последовательного сопротивления нижнего туннельного диода GaInP/GaInAs/Ge каскадного фотопреобразователя позволило повысить его КПД при концентрациях падающего излучения более 500 солнц на величину порядка 3%, а пиковый ток тунелирования нижнего туннельного диода позволил обеспечить работоспособность каскадных концентраторных фотопреобразователей вплоть до концентраций падающего излучения порядка 4000 солнц.

Пример 1. Был создан концентраторный каскадный фотопреобразователь на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой был создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga_0,51In₀,₄₉P толщиной 100 нм, n-Ga_0,99In₀,₀₁As буферный слой толщиной 1 мкм, широкозонный слой n-Al_0,53In₀,₄₇P нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой 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⁺-GaAs тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой среднего перехода p-Ga_0,99In₀,₀₁As толщиной 3 мкм, эмиттерный слой n-Ga_0,99In₀,₀₁As среднего перехода толщиной 0,1 мкм, слои n-Ga_0,52In_0,48P/n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» среднего перехода толщиной 100 и 30 нм соответсвенно, 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-Ga_0,51In_0,49P тыльного потенциального барьера верхнего 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 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 500 нм. Такой фотопреобразователь продемонстрировал отсутствие «хвостов» на ВАХ при высоких плотностях падающего излучения (1000 солнц), что свидетельствовало об отсутствии нефотоактивного барьера в его структуре. КПД при 1000 солнцах AM1,5D составил 36,0%.

Пример 2. Для сравнения был создан концентраторный каскадный фотопреобразователь на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 100 нм, буферный слой n-Ga_0,99In_0,01As толщиной 1 мкм, широкозонный слой n-Al_0,53In_0,47P нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой n⁺⁺-GaAs нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, широкозонный слой p-(Al_0,3Ga_0,7)_0,52In_0,48P нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p-AlGaAs тыльного потенциального барьера среднего перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой p-Ga_0,99In_0,01As среднего p-n перехода толщиной 3 мкм, 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 соответсвенно, 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-Ga_0,51In_0,49P тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой n-Ga_0,51In_0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,65 мкм, эмиттерный слой n-Ga_0,51In_0,49P 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 500 нм. Такой фотопреобразователь продемонстрировал наличие «хвостов» на ВАХ при высоких концентрациях падающего излучения (1000 солнц), что свидетельствовало о наличии нефотоактивного барьера в его структуре и приводило к снижению фактора заполнения ВАХ. КПД при 1000 солнцах AM1,5D составил 32,9%.

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к концентраторным каскадным солнечным фотоэлементам, которые преобразуют концентрированное солнечное излучение в электроэнергию. Концентраторный каскадный фотопреобразователь содержит подложку (1) p-Ge, в которой создан нижний p-n переход (2), и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой (3) n-Ga_0,51In_0,49P, буферный слой (4) n-Ga_0,99In_0,01As, нижний туннельный диод (5), средний p-n переход (9), содержащий базовый слой (10) и эмиттерный слой (11), а также широкозонное окно (12), верхний туннельный диод (13), верхний p-n переход (14), содержащий слой (15) тыльного потенциального барьера, базовый слой (16) и эмиттерный слой (17), а также широкозонное окно (18), и контактный n⁺-подслой (19). При этом нижний туннельный диод содержит n - широкозонный слой (6), n⁺⁺-туннельный слой (7) и p⁺⁺-туннельный слой (8), примыкающий непосредственно к базовому слою (10) среднего p-n перехода (9). Изобретение обеспечивает снижение последовательного сопротивления концентрационного каскадного фотопреобразователя для обеспечения повышения эффективности преобразования высококонцентрированного солнечного излучения. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Концентраторный каскадный фотопреобразователь, содержащий 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 базовый и эмиттерный слои, 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, при этом нижний туннельный диод содержит n-широкозонный слой, n⁺⁺-туннельный слой и р⁺⁺ -туннельный слой, примыкающий непосредственно к базовому слою среднего p-n перехода.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве n-широкозонного слоя нижнего туннельного диода использован слой n-AlInP, легированный атомами кремния в количестве 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3, в качестве n⁺⁺-туннельного слоя использован слой n⁺⁺-GaAs, легированный атомами кремния в количестве 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3, а в качестве p⁺⁺ - туннельного слоя использован слой p⁺⁺-AlGaAs, легированный атомами углерода в количестве 1·10²⁰-2·10²⁰ см^-3.

3. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего p-n перехода и контактный подслой выполнены из Ga_0,99In_0,01As, согласованного по параметру решетки с подложкой Ge, а нуклеационный слой, базовый и эмиттерный слои верхнего p-n перехода выполнены из твердого раствора Ga_0,51In_0,49P, также согласованного по параметру решетки с подложкой Ge.

4. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве широкозонного окна для среднего p-n перехода использована пара слоев Ga_0,51In_0,49P/Al_0,53In_0,47P, в качестве тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода использован согласованный по параметру решетки с подложкой слой AlGaInP, а слой широкозонного окна верхнего p-n перехода выполнен из n-Al_0,53In_0,47P.

5. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что толщина буферного слоя составляет 0,7-1,2 мкм, а уровень легирования атомами кремния составляет 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина базового слоя среднего перехода составляет 2,8-3,4 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 1·10¹⁶-2·10¹⁸ см^-3, толщина эмиттерного слоя среднего перехода составляет 0,1-0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами кремния слоев широкозонного «окна» среднего перехода составляет 0,2·10¹⁸-2·10¹⁸, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего перехода составляет 0,05-0,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина базового слоя верхнего перехода составляет 0,3-0,9 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 0,5·10¹⁷-2·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя верхнего перехода составляет 0,1-0,2 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего перехода составляет 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3 при его толщине 20-40 нм, толщина контактного подслоя составляет 0,3-0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния составляет 2·10¹⁸-5·10¹⁸.