ЧЕТЫРЕХПЕРЕХОДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2017 года по МПК H01L31/328 

Настоящее изобретение относится к области солнечной энергетики, а более конкретно к конструкции многопереходных солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений групп А3В5 и А2В6, служащих для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.

Из существующего уровня техники известно, что, в соответствии с фундаментальными принципами термодинамики, установленными в работах Шокли и Куезье (W. Shockley, H.J. Queisser, J. Appl. Phys., V. 32, p. 510, 1961) и Генри (C.H. Henry, J. Appl. Phys. V. 51, p.4494, 1980), коэффициент полезного действия (КПД) преобразования солнечной энергии в электрическую однопереходных солнечных элементов не может превышать 31% при стандартном солнечном освещении (AM 1,5 Global, “1 Солнце”) и 37% при тысячекратно сконцентрированном солнечном освещении (“1000 Солнц”). Возможности преодоления фундаментального предела эффективности преобразования солнечного излучения однопереходным элементом связаны с применением многопереходных солнечных элементов, включающих в себя два и более туннельно-связанных фотодиодных p-n перехода (субэлементов), выполненных из полупроводников с различными ширинами запрещенной зоны (Hutchby, J.A., Markunas, R.J., Bedair, S.M., Proceedings of the 18th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, USA. IEEE, New York, p. 20, 1985). Каждый фотоактивный p-n переход многопереходной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным условиям преобразования солнечного спектра и значительно повысить КПД. Для структур трехпереходного солнечного элемента, псевдоморфно выращенного на подложке Ge, в котором все материалы p-n переходов имеют близкие постоянные решетки: Ge с шириной запрещенной зоны Eg, равной 0,67 эВ, Ga(In)As с Eg~1,4 эВ и InGaP с Eg~1,85 эВ, а отдельные фотоактивные p-n переходы соединены электрически с помощью туннельных p-n переходов и оптически посредством широкозонных слоев GaInP и AlInP, была продемонстрирована эффективность, приближающаяся к 42% (М.А. Green, К. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E.D. Dunlop, Prog. Photovolt: Res. Appl., V. 21, p. 1, 2013). Основное преимущество псевдоморфных структур солнечных элементов заключается в возможности формирования слоев материалов с относительно малой плотностью дефектов. Их главный недостаток - это отсутствие возможности оптимизации ширин запрещенной зоны твердых растворов, формирующих p-n переходы, так как они жестко фиксированы условием равенства постоянной решетки. Альтернативный подход заключается в использовании метаморфной структуры (М.A. Green, К. Emery, D.L. King, Y. Hisikawa, and W. Warta, Prog. Photovoltaics Res. Appl. 14, 45, 2006). Основное отличие заключается в наличии между наиболее узкозонным переходом на основе Ge и следующим за ним переходом на основе GaInAs метаморфных буферных слоев, позволяющих вырастить GalnAs переход с существенно большим составом по In, ширина запрещенной зоны которого (1,18 эВ) ближе к оптимальной, чем у InGaAs с постоянной решетки Ge. Несмотря на заметно большую плотность дефектов, солнечные элементы такого типа показывают высокую эффективность (до 41,1%), сравнимую с эффективностью псевдоморфных структур (D.J. Friedman, J.М. Olson, and S. Kurtz, in Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2nd ed., edited by A. Luque and S. Hegedus, John Wiley and Sons, Chichester, 2011). Еще большая эффективность фотоэлектрического преобразования (~44%) (спектр AM 1,5, 942 солнца) была получена в метаморфном 3-х переходном солнечном элементе GaInP/GaAs/GaInAs [М.А. Green, К. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E.D. Dunlop, Prog. Photovolt: Res. Appl. 21, 1 (2013)]. Рекордная на сегодняшний день эффективность фотоэлектрического преобразования (~45,7%) (спектр AM1.5, 234 солнца), была получена в инверсном метаморфном четырехпереходном солнечном элементе GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs (NREL press release NR-4514, 16 December 2014). Однако дальнейшее увеличение КПД преобразования четырехпереходного солнечного элемента не может быть выполнено с использованием соединений группы А3В5 в силу отсутствия в этой группе прямозонных соединений с достаточно большой шириной запрещенной зоны.

Известен четырехпереходный солнечный элемент (заявка CN 102569475, МПК H01L-031/0725; H01L-031/0735; H01L-031/18, опубликована 11.07.2012), выращенный на подложке InP и содержащий два субэлемента на основе p-n переходов InGaAs и InGaAsP, изопериодичных к подложке InP, градиентный метаморфный буферный слой In_xGa_1-xP с плавным изменением состава и с постоянной решетки, изменяющейся от 0,58 нм до 0,566 нм, и два субэлемента на основе p-n переходов InAlGaAs и InGaAsP с постоянной решетки, согласованной с постоянной решетки у поверхности градиентного буферного слоя InGaP. При этом ширины запрещенной зоны субэлементов находятся соответственно в диапазоне 0,72-0,76 эВ, 1-1,1 эВ, 1,35-1,42 эВ и 1.85-1,92 эВ.

Недостатками известного четырехпереходного солнечного элемента являются необходимость удаления подложки при постростовых операциях и недостаточная эффективность преобразования коротковолновой части спектра солнечного излучения, так как ширина запрещенной зоны верхнего субэлемента не превышает 1,92 эВ.

Известен многопереходный солнечный элемент (заявка РСТ WO 2014078664, МПК H01L 31/04; H01L 31/18, опубликована 22.05.2014), содержащий субэлементы на основе p-n переходов элементов IV группы (Ge, SiGe) и p-n переходов на основе материалов группы А3В5, таких как (Al)InGaP, (Al)GaAs, InGa(As)P, Al(In)GaAs, Ga(In)As, GaInNAsSb и др. Многопереходный солнечный элемент содержит первую группу из одного и более субэлементов, согласованных по постоянной решетки с первой подложкой, и вторую группу из одного и более субэлементов, согласованных по постоянной решетки со второй подложкой, при этом вторая группа субэлементов связана с первой группой субэлементов посредством специальной технологии соединения пластин (wafer bonding).

Недостатками известного многопереходного солнечного элемента являются сложность постростовых операций и низкая эффективность преобразования коротковолновой части спектра солнечного излучения.

Известен четырехпереходный солнечный элемент (заявка РСТ WO 2009067347, МПК 01L 21/20, H01L 21/36, H01L 29/20, H01L 29/22, опубликована 28.05.2009), содержащий последовательно выращенные на подложке из GaSb четыре субэлемента, соединенных между собой туннельными p-n переходами, и контактный слой. Каждый субэлемент включает p-n переход, образованный двумя слоями из соединений А3В5 или А2В6, где слои легированы соответственно p- и n-типом проводимости. Первый (прилегающий к подложке) субэлемент включает p- и n-слои GaSb (ширина запрещенной зоны Eg1=0,72 эВ), второй субэлемент включает p- и n-слои Al_xGa_1-xAS_ySb_1-y (Eg2=1,32 эВ), третий субэлемент включает p- и n-слои Zn_xCd_1-xSe_yTe_1-y (Eg3=1,71 эВ), а четвертый (верхний, ближайший к поверхности структуры) субэлемент включает p- и n-слои ZnTe (Eg1=2,27 эВ). Субэлементы согласованы по постоянной решетки с подложкой или псевдоморфны к подложке.

Недостатками известного четырехпереходного солнечного элемента являются невысокие уровни легирования p-типа или n-типа четверных твердых растворов ZnCdSeTe, обогащенных соответственно CdSe или ZnTe для достижения необходимых значений ширины запрещенной зоны, и особенно невозможность достижения высоких уровней легирования n-типа ZnTe при выращивании стандартными эпитаксиальными методами. Дополнительной проблемой при технологической реализации четверных твердых растворов ZnCdSeTe является сложность получения слоев заданного состава из-за наличия в твердом растворе двух летучих компонентов Se и Te. Следует также отметить высокую стоимость подложек GaSb и InAs, на которых могут быть реализованы данные солнечные элементы-прототипы.

Известен четырехпереходный солнечный элемент (заявка ЕР2672528, МПК G01R-031/26; H01L-031/04; Н01L-031/0687, опубликована 11.12.2013), совпадающий с настоящим изобретением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный элемент-прототип содержит подложку (GaAs) и четыре субэлемента на основе p-n переходов InGaP, GaAs, InGaAs и InGaAs с ширинами запрещенной зоны соответственно 1,9 эВ, 1,4 эВ, 1,0 эВ и 0,7 эВ, соединенных между собой туннельными p-n переходами. Для согласования постоянных решетки различных субэлементов структура известного четырехпереходного солнечного элемента содержит два метаморфных градиентных буферных слоя, выращиваемых между субэлементами на основе GaAs и InGaAs и между двумя субэлементами на основе InGaAs. Выращивание структуры инвертированного солнечного элемента проводят в обратном порядке, т.е. начиная с субэлемента с максимальной шириной запрещенной зоны и заканчивая субэлементом с минимальной шириной запрещенной зоны, после чего отделяют подложку. Соответственно, первый (прилегающий к подложке) субэлемент включает p- и n-слои InGaP (ширина запрещенной зоны Eg1=1,9 эВ), второй субэлемент включает p- и n-слои GaAs (Eg2=1,4 эВ), третий субэлемент включает p- и n-слои InGaAs (Eg3=1,0 эВ), а четвертый (нижний) субэлемент включает p- и n-слои InGaAs (Eg4=0,7 эВ).

Недостатками известного четырехпереходного солнечного элемента является наличие двух областей генерации структурных дефектов из-за использования двух метаморфных градиентных буферных слоев, сложность постростовых операций, связанных с удалением подложки, и недостаточная эффективность преобразования коротковолновой части спектра солнечного излучения.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого четерехпереходного солнечного элемента, который был бы более прост в изготовлении и имел бы более высокое значение ширины запрещенной зоны (более 2 эВ) верхнего широкозонного субэлемента, что необходимо для получения высокого значения КПД преобразования коротковолновой части солнечного излучения.

Поставленная задача решается тем, что четырехпереходный солнечный элемент включает последовательно выращенные на подложке из p-Ge четыре субэлемента, соединенные между собой туннельными p-n переходами, контактный слой и метаморфный градиентный буферный слой между первым и вторым субэлементами. Первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge, слой широкозонного окна из n-GaInP и буферный слой из n-GaInAs. Метаморфный градиентный буферный слой включает в себя слой из p-Ga_1-xIn_xAs с x=0,01 в начале роста и до x=0,30-0,40 в приповерхностной области слоя. Второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs. Третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs. Четвертый субэлемент включает короткопериодные сверхрешетки (CP) А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и с общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnSe или ZnS_ySe_1-y, где y=0,05-0,40, толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя. Второй, третий и четвертый субэлементы согласованы по постоянной решетки с In_xGa_1-xAs, где x=0,25-0,30, а первый субэлемент псевдоморфен подложке из p-Ge.

Структура настоящего четырехпереходного солнечного элемента содержит метаморфный градиентный буферный слой In_xGa_1-xAs, выращиваемый между субэлементами на основе Ge и InGaAs, с целью сопряжения первого субэлемента (Ge) с остальными субэлементами четырехпереходного солнечного элемента, при этом три верхних субэлемента на основе p-n переходов InGaAs, InAlGaAs и короткопериодных сверхрешеток соединений А2В6 согласованы по постоянной решетки друг с другом. Использование метаморфного градиентного буферного слоя In_xGa_1-xAs позволяет сконструировать структуру четырехпереходного солнечного элемента с оптимально подобранными ширинами запрещенных зон, что потенциально позволяет реализовать солнечный элемент с эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую энергию более 50%.

Для изменения постоянной решетки при переходе от первого субэлемента на основе p-n перехода Ge ко второму субэлементу на основе p-n перехода GaInAs структура содержит метаморфный буферный слой p-In_xGa_1-xAs с линейным профилем изменения состава.

Новым в настоящем четырехпереходном солнечном элементе является одновременное выполнение подложки и первого субэлемента из слоев германия, а четвертого элемента в виде короткопериодных сверхрешеток соединений А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnS_ySe_1-y толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя, где y=0-0,4.

Общая толщина 0,4-0,5 мкм короткопериодных сверхрешеток p- и n-типа, определяемая в основном толщиной p-области базы (0,4-0,45 мкм), определяется глубиной проникновения в полупроводник коротковолновой части солнечного излучения (при малой суммарной толщине CP - недостаточная эффективность поглощения света, а при большой толщине - увеличение времени роста и сопротивления структуры без увеличения эффективности). Диапазон толщин образующих CP слоев CdSe и ZnS_ySe_1-y обусловлен необходимостью согласования средней постоянной решетки CP с постоянной решетки второго субэлемента на основе p-n перехода In_xGa_1-xAs (с Eg2~1,0-1,1 эВ и x=0,25-0,3) для выполнения условия псевдоморфности роста, т.е. чтобы толщина каждого слоя CP была меньше критической толщины псевдоморфного роста h_cr, зависящей от величины рассогласования постоянной решетки данного слоя с постоянной решетки второго субэлемента на основе p-n перехода In_xGa_1-xAs (x=0,25-0,3), и необходимостью обеспечения эффективного вертикального транспорта носителей в сверхрешетке, определяемого эффективной шириной мини-зоны тяжелых дырок.

Расчеты показывают, что данным условиям соответствует диапазон толщин слоев CdSe в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnS_ySe_1-y в 2,5÷10 мономолекулярных слоя при y=0-0,4. Выбор величины y=0-0,4 обусловлен тем, что при y>0,4 для формирования CP (CdSe/ZnS_ySe_1-y), изопериодичной к In_xGa_1-xAs (x=0,2-0,3), методом молекулярно-пучковой эпитаксии требуется использование низкой (менее 250°C) температуры роста, которая определяется коэффициентом встраивания серы при стехиометрических условиях на поверхности роста [S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, P.S. Kop’ev, J.R. Kim, H.D. Jung and H.S. Park, J. Crystal Growth 159, 16 (1996)], или использования далеких от оптимальных условий сильного обогащения поверхности атомами Zn при МПЭ слоев ZnS_ySe_1-y, что приводит к ухудшению морфологии и увеличению количества дефектов в СР. Выбор интервала эффективной ширины запрещенной зоны CP Eg4=2,1-2,2 эВ следует из определенного диапазона параметров CP (CdSe/ZnS_ySe_1-y).

Введение в конструкцию четырехпереходного солнечного элемента метаморфного градиентного буферного слоя In_xGa_1-xAs позволяет оптимизировать структуру четырехпереходного солнечного элемента с точки зрения подбора ширин запрещенных зон субэлементов. При этом при выращивании метафорфного буферного слоя p-InxGa1-xAs необходимо использовать линейный профиль изменения состава, что определяется возможностью расчета напряжений (деформаций) на поверхности метаморфного буферного слоя с высокой степенью точности для последующего сопряжения второго, третьего и четвертого (верхнего) субэлементов с метаморфным буферным слоем по постоянной решетки.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показано схематическое изображение в разрезе настоящего четырехпереходного солнечного элемента;

на фиг. 2 приведена параметрическая зависимость эффективной ширины запрещенной зоны и ширины мини-зоны тяжелых дырок от толщины слоев и от содержания S для сверхрешетки CdSe/ZnSSe, изопериодичной к In_xGa_1-xAs (x=0,3), (МС - мономолекулярный слой, CP - сверхрешетка);

на фиг. 3 даны рассчитанные для спектра АМ1,5:500 Солнц зависимости КПД четырехпереходного солнечного элемента от ширины запрещенной зоны 2-го перехода при условии оптимизации по ширине запрещенной зоны 3-го перехода для нескольких значений ; на нижней части фиг. 3 приведены соответствующие зависимости от .

Настоящий четырехпереходный солнечный элемент (см. фиг. 1) выращен на подложке 1 из p-Ge и содержит четыре субэлемента 2, 3, 4, 5, соединенных между собой туннельными p-n переходами 6, 7, 8, метаморфный градиентный буферный слой 9 и контактный слой 10. Первый субэлемент 2 включает подложку 1 из p-Ge, слой 11 из n-Ge, слой 12 широкозонного окна из n-GaInP и буферный слой 13 из n-GaInAs, второй субэлемент 3 включает слой 14 из p-GaInAs и слой 15 из n-GaInAs, третий субэлемент 4 включает слой 16 из p-AlGaInAs и слой 17 из n-AlGaInAs, а четвертый субэлемент 5 включает короткопериодные CP 18, 19 А2В6 соответственно p-типа и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев (на чертеже не показаны) CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя (7,6÷13,7 ) и ZnS_ySe_1-y толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя (6,7÷28 ), при содержании серы y=0-0,4. Четырехпереходной солнечный элемент содержит метаморфный градиентный буферный слой 9 In_xGa_1-xAs (с x, изменяемым от x=0,01-0,05 до x=0,28-0,38) с линейным профилем изменения состава, выращиваемый между субэлементом 2 на основе Ge и субэлементом 3 InGaAs с целью изменения постоянной решетки. Каждый субэлемент (кроме субэлемента 2 на основе Ge) также может включать слой тыльного барьера и слой широкозонного окна (на чертеже не показаны).

Короткопериодные CP 18 и 19 соответственно p-типа и n-типа из слоев CdSe/ZnS_ySe_1-y могут быть выращены в широком диапазоне эффективных значений ширины запрещенной зоны. Использование сверхрешеток 18, 19 CdSe/ZnS_ySe_1-y по сравнению со слоями объемных твердых растворов ZnCdSSe позволяет изменять эффективное значение ширины запрещенной зоны посредством изменения толщин слоев CdSe и ZnS_ySe_1-y, образующих CP 18, 19, без изменения состава слоев ZnS_ySe_1-y. Использование CP 18, 19 CdSe/ZnS_ySe_1-y, по сравнению со слоями объемных твердых растворов ZnCdSSe, также позволяет достигать достаточных уровней p-легирования (не менее 10¹⁷ см^-3) и n-легирования (до 10¹⁹ см^-3) при использовании метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), что подтверждается измерениями уровня легирования тестовых структур со CP CdSe/ZnS_ySe_1-y. Субэлементы 3, 4, 5 многопереходного солнечного элемента псевдоморфны к In_xGa_1-xAs (x=0,2-0,3) метаморфному буферному слою 9 (согласованы с ним по постоянной решетки), субэлемент 2 псевдоморфен подложке 1 из p-Ge.

Состав и толщины слоев CP CdSe/ZnS_ySe_1-y 18, 19 при выращивании верхнего четвертого субэлемента 5 четырехпереходного солнечного элемента выбирают из условия согласования по постоянной решетки с In_xGa_1-xAs (x=0,2-0,3), т.е. таким образом, чтобы деформации растяжения в слоях ZnS_ySe_1-y точно компенсировали деформации сжатия в слоях CdSe. Соотношения толщин и составы слоев, образующих CP 18, 19, при которых CP 18, 19 согласуются по периоду решетки с In_xGa_1-xAs (x=0,2-0,3), находят из условия равенства средней постоянной решетки CP 18, 19 и постоянной решетки In_xGa_1-xAs (x=0,2-0,3) (a_InGaAs) с учетом различия упругих свойств слоев, образующих CP 18, 19.

Для CP 18, 19 CdSe :

где a_ZnSSe, a_CdSe - постоянные решеток объемных (ненапряженных) слоев ZnS_xSe_1-x и CdSe, соответственно,CP 18, 19, м;

a _SL - средний период решетки CP, м;

a _InGaAs - период решетки слоя In_xGa_1-xAs (x=0,2-0,3), м;

и - толщины соответствующих ненапряженных слоев ZnS_xSe_1-x и CdSe CP 18, 19, м;

G_ZnSSe и G_CdSe - модули сдвига составляющих слоев ZnS_xSe_1-x и CdSe CP 18, 19, Па.

При эпитаксиальном росте на подложке 1 с ориентацией (001) модули сдвига могут быть выражены через упругие константы c₁₁ и c₁₂:

где i означает ZnS_xSe_1-x или CdSe, и - модули упругости соответствующих слоев, Па.

При выборе толщины слоев CdSe и ZnS_ySe_1-y, образующих CP 18, 19, помимо условия (1) и требуемого значения эффективной ширины запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ необходимо также, чтобы толщина каждого слоя CdSe и ZnS_ySe_1-y была меньше критической толщины h_cr псевдоморфного роста, зависящей от величины рассогласования постоянной решетки данного слоя с постоянной решетки In_xGa_1-xAs (x=0,2-0,3) (a_InGaAs). Для рассматриваемого диапазона составов эти толщины составляют не более 10-12 мономолекулярных слоев. Кроме того, необходимо обеспечить эффективный вертикальный транспорт носителей в CP 18, 19, поэтому эффективная ширина мини-зоны тяжелых дырок в CP 18, 19 должна составлять не менее 10-15 мэВ. Зависимость эффективной ширины запрещенной зоны от ширины мини-зоны тяжелых дырок для CP 18, 19 CdSe/ZnS_ySe_1-y, изопериодичных к постоянной решетки In_xGa_1-xAs (x=0,3) при T=300 К, представлена на фиг. 2. Суммируя указанные выше требования и, учитывая, что технологически реализуемыми при выращивании методом МПЭ являются твердые растворы ZnS_xSe_1-x с содержанием серы y~0,4, получаем параметры слоев CP 18, 19 CdSe/ZnS_ySe_1-y: содержание серы в слоях CP 18, 19 варьируется в диапазоне y~0-0,4; толщина слоев CdSe лежит в диапазоне 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя (7,6÷13,7 ); толщина слоев ZnS_ySe_1-y варьируется в диапазоне 2,5÷10 мономолекулярных слоя (6,7÷28 ); период CP 18, 19 CdSe/ZnS_ySe_1-y составляет 1,5÷4 нм; оптимальная суммарная толщина слоев CP 18, 19 верхнего (четвертого) субэлемента 5 четырехпереходного солнечного элемента составляет ~400-500 нм, что соответствует 100÷330 периодам CP 18, 19.

На фиг. 3 приведены теоретически рассчитанные зависимости КПД четырехпереходного солнечного элемента от ширины запрещенной зоны Eg2 второго субэлемента 3 для спектра AM1.5:500 солнц, соответствующего стандартному спектру солнечного излучения на земле в условиях большой концентрации излучения, для нескольких значений ширины запрещенной зоны 4-го перехода - субэлемента 5(Eg4).

Каждая точка этой зависимости оптимизировалась по величине ширины запрещенной зоны 3-го перехода - субэлемента 4 (Eg3), так что максимум каждой зависимости соответствует максимально достижимому КПД четырехпереходного солнечного элемента при выбранном значении Eg4 и при условии Eg1=0,67эВ. Соответствующие зависимости Eg3 (Eg2) приведены на нижней части фиг. 3. Значения остальных параметров отвечают наилучшему возможному качеству материалов субэлементов 2, 3, 4, 5 с минимальным количеством дефектов.

Пример 1. Был изготовлен четырехпереходный солнечный элемент, выращенный на подложке p-Ge и содержащий четыре субэлемента, соединенных между собой туннельными p-n переходами и метаморфный градиентный буферный слой In_xGa_1-xAs между первым (на основе Ge) и вторым (на основе InGaAs) субэлементами, и контактный слой. При этом первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge (Eg1=0,67 эВ) толщиной ~200 нм, слой широкозонного окна из n-GaInP толщиной 100 нм и буферный слой из n-GaInAs толщиной 1000 нм, второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs (Eg2=1,04 эВ) толщиной 3400 нм и 100 нм соответственно, третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs (Eg2=1,5 эВ) толщиной 1000 нм и 50 нм соответственно, а четвертый субэлемент включает короткопериодные CP А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,17 эВ и с общей толщиной 0,45 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 3,8 мономолекулярных слоя и ZnSe толщиной в 8 мономолекулярных слоя. Структура четырехпереходного солнечного элемента содержит метаморфный градиентный буферный слой In_xGa_1-xAs с линейным профилем изменения состава толщиной 1000 нм (с x, изменяемым от x=0,07 до x=0,37) с линейным профилем изменения состава, выращиваемый между первым субэлементом на основе Ge и вторым субэлементом на основе InGaAs. Первый субэлемент формировали методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE), второй, третий и четвертый субэлементы, а также метаморфный градиентный буферный слой In_xGa_1-xAs выращивали методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). P-n переход Ge реализовали за счет диффузии фосфора в p-Ge подложку при формировании слоя широкозонного окна GalnP. В качестве источников молекулярных пучков при выращивании второго, третьего субэлементов и метаморфного градиентного буферного слоя использовали Ga, In, Al, As; в качестве материалов легирующей примеси n- и p-типа использовали Si и Be соответственно. При выращивании четвертого субэлемента в качестве источников молекулярных пучков использовали Zn, Cd, Se; в качестве материалов легирующей примеси n- и p-типа использовали ZnCl₂ и плазменно-активированный N₂ соответственно. Уровни легирования сверхрешеток p- и n-типа составили p~10¹⁷ см³ и n~2×10¹⁸ см^-3, соответственно.

Пример 2. Был изготовлен четырехпереходный солнечный элемент, выращенный на подложке p-Ge и содержащий четыре субэлемента, соединенных между собой туннельными p-n переходами, и метаморфный градиентный буферный слой In_xGa_1-xAs между первым (на основе Ge) и вторым (на основе InGaAs) субэлементами, и контактный слой. При этом первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge (Eg1=0,67 эВ) толщиной ~200 нм, слой широкозонного окна из n-GaInP толщиной 100 нм и буферный слой из n-GaInAs толщиной 1000 нм, второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs (Eg2=1,0 эВ) толщиной 3400 нм и 100 нм соответственно, третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs (Eg2=1,5 эВ) толщиной 1000 нм и 50 нм соответственно, а четвертый субэлемент включает короткопериодные CP А2В6 p- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,09 эВ и с общей толщиной 0,45 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 4,0 мономолекулярных слоя и ZnS_ySe_1-y толщиной в 4,0 мономолекулярных слоя, где y=0,40. Структура четырехпереходного солнечного элемента содержит метаморфный градиентный буферный слой In_xGa_1-xAs толщиной 1000 нм с линейным профилем изменения состава (с x изменяемым от x=0,05 до x=0,30), выращиваемый между первым субэлементом на основе Ge и вторым субэлементом на основе InGaAs. Первый субэлемент формировали методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE), второй, третий и четвертый субэлементы, а также метаморфный градиентный буферный слой In_xGa_1-xAs выращивали методом МПЭ. Источники молекулярных пучков и материалы легирующей примеси были те же, что и в примере 1. Уровни легирования сверхрешеток p- и n-типа составили p~10¹⁷ см^-3 и n~2×10¹⁸ см^-3 соответственно.

CP CdSe/Zn(S)Se обоих изготовленных солнечных элементов представлены кружками на фиг. 2. Эффективное легирование p- и n-типа проводимости короткопериодных CP CdSe/ZnS_ySe_1-y, а также возможность снижения ширины запрещенной зоны верхнего широкозонного субэлемента до уровня ниже 2,2 эВ обеспечивает получение высокого значения КПД солнечного элемента за счет эффективного преобразования коротковолновой части солнечного излучения. Дополнительно применение короткопериодных переменно-напряженных CP CdSe/ZnS_ySe_1-y вместо слоя твердого раствора ZnCdSSe позволяет увеличить критическую толщину псевдоморфного роста.

Четырехпереходный солнечный элемент включает последовательно выращенные на подложке (1) из p-Ge четыре субэлемента (2), (3), (4), (5), соединенные между собой туннельными p-n переходами (6, 7, 8), метаморфный градиентный буферный слой (9) между первым (2) и вторым (3) субэлементами и контактный слой (10). Первый субэлемент (2) включает подложку (1) из p-Ge, слой (11) из n-Ge, слой (12) широкозонного окна из n-GalnP и буферный слой (13) из n-GaInAs, второй субэлемент (3) включает слой (14) из p-GalnAs и слой (15) из n-GaInAs, третий субэлемент (4) включает слой (16) из p-AIGalnAs и слой (17) из n-AlGaInAs, а четвертый субэлемент (5) включает короткопериодные сверхрешетки А2В6 p- и n-типа (18, 19). Второй, третий и четвертый субэлементы многопереходного солнечного элемента согласованы по постоянной решетки с In_xGa_1-xAs (x=0,25-0,3), а первый (Ge) субэлемент многопереходного солнечного элемента псевдоморфен подложке (1) из p-Ge. Четырехпереходный солнечный элемент более прост в изготовлении и имеет более высокое значение ширины запрещенной зоны (более 2 эВ) верхнего широкозонного субэлемента (5), что позволяет получить высокое значение КПД преобразования коротковолновой части солнечного излучения. 2 пр., 3 ил.

Четырехпереходный солнечный элемент, включающий последовательно выращенные на подложке из p-Ge четыре субэлемента, соединенные между собой туннельными p-n переходами, контактный слой и метаморфный градиентный буферный слой между первым и вторым субэлементами, при этом первый субэлемент включает подложку из p-Ge, слой из n-Ge, слой широкозонного окна из n-GaInP и буферный слой из n-GaInAs, метаморфный градиентный буферный слой включает в себя слой из p-Ga_1-xIn_xAs с х=0,01 в начале роста и до х=0,30-0,40 в приповерхностной области слоя, второй субэлемент включает слой из p-GaInAs и слой из n-GaInAs, третий субэлемент включает слой из p-AlGaInAs и слой из n-AlGaInAs, а четвертый субэлемент включает короткопериодные сверхрешетки А2В6 р- и n-типа с эффективной шириной запрещенной зоны Eg4=2,1-2,2 эВ и с общей толщиной 0,4-0,5 мкм, каждая из которых состоит из чередующихся слоев CdSe толщиной в 2,5÷4,5 мономолекулярных слоя и ZnSe или ZnS_ySe_1-y, где у=0,05-0,40, толщиной в 2,5÷10 мономолекулярных слоя, причем второй, третий и четвертый субэлементы согласованы по постоянной решетки с In_xGa_1-xAs, где х=0,25-0,30, а первый субэлемент псевдоморфен подложке из p-Ge.