ИНТЕГРИРОВАННАЯ МНОГОПЕРЕХОДНАЯ СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ В ФОРМЕ ШТАБЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК H01L31/687 

Настоящее изобретение касается области солнечной энергии, в частности штабелевидной интегрированной многопереходной солнечной батареи.

Чтобы добиться в солнечных батареях максимально высокой эффективности преобразования солнечного света в электроэнергию, на протяжении ряда лет исследуют многопереходные солнечные батареи из различных полупроводниковых материалов [W. Guter, Optimierung von III-V basierten Hochleistungssolarzellen, Dissertation, Uni Konstanz, Physik, 2011]. Многопереходные солнечные батареи распределяют падающий свет на несколько расположенных стопой друг над другом элементов солнечных батарей с различной энергией запрещенной зоны. Чтобы добиться максимальной эффективности, необходимо, чтобы полупроводниковые материалы и их значения энергии запрещенной зоны были подстроены друг к другу, так чтобы предпочтительно каждый из подключенных последовательно элементов солнечной батареи вырабатывал по возможности одинаковый ток. Кроме того, для применения в космосе, помимо высоких значений коэффициента полезного действия желательна также высокая стабильность под воздействием излучений - высокоэнергетических потоков электронов и/или протонов (например, вспышек на Солнце).

Если у полупроводниковых материалов элементов солнечной батареи из стопы константы решетки одинаковы, то элементы солнечных батарей можно изготавливать методом эпитаксии. Из публикации Meusel et al., III-V MULTIJUNCTION SOLAR CELLS - FROM CURRENT SPACE AND TERRESTRIAL PRODUCTS TO MODERN CELL ARCHITECTURES, 5th WCPEC, 2010, Valencia, 1AP.1.5 известна подогнанная по решетке 4-переходная солнечная батарея из AlInGaP, InGaAs, InGaNAs и Ge. По причинам, связанным с качеством кристаллов, достигнутые значения коэффициента полезного действия, в частности, у элемента из InGaNAs недостаточны.

Если у элементов солнечной батареи различны константы решетки, то в первом альтернативном варианте между двумя элементами солнечной батареи вставляют метаморфные буферные слои. Из публикации Guter et al., DEVELOPMENT, QUALIFICATION AND PRODUCTION OF SPACE SOLAR CELLS WITH 30% EOL EFFICIENCY, European Space Power Conference, 2014, Noordwijkerhout, The Netherlands известна последовательность элементов солнечной батареи из AlInGaP, AlInGaAs, InGaAs, метаморфного буфера и Ge. Кроме того, из публикации Cornfeld et al., Development of a four sub-cell inverted metamorphic multi-junction (IMM) highly efficient AM0 solar cell, 35th IEEE PVSC, 2010, Honolulu, USA известна еще одна последовательность элементов солнечной батареи из InGaP, GaAs с первым метаморфным буфером, первым элементом InGaAs и вторым метаморфным буфером и вторым элементом InGaAs.

Еще один альтернативный способ - комбинировать материалы с различными константами решеток - это применение способа сращивания плат (wafer bonding). При этом соединяют элементы солнечных батарей с различными константами решетки. Из диссертации Uwe Seidel, am Tunnelkontakt einer Tandemsolarzelle, HU Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftlichen I, 09.01.2007, и изложенного в публикациях J. Boisvert et al., Development of advanced space solar cells at spectrolab, в: Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE, 20-25 June 2010, Honolulu, ISSN: 0160-8371, а также R. Krause et al., Wafer Bonded 4-Junction GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs, AIP Conference Proceedings 1616, 45 (2014); doi: 10.1063/1.4897025 известны сращенные стопы солнечных батарей из четырех элементов. Кроме того, из публикации Р.Т. Chiu et al., Direct Semiconductor Bonded 5J Cell For Space And Terrestrial Applications, IEEE Journal of Photovoltaics, Volume 4(1), pp. 493, 2014 известна 5-переходная стопа (известен 5-переходный штабель) солнечных батарей с двумя сращенными частями солнечных батарей.

На этом фоне задача изобретения состоит в том, чтобы представить устройство, улучшающее нынешний уровень техники.

Задачу решают посредством имеющей форму стопы (штабеля) интегрированной многопереходной солнечной батареи, с

первым элементом батареи (SC1), причем первый элемент батареи (SC1) включает в себя слой (S1) из соединения InGaP с первой константой решетки (a1) и первой энергией запрещенной зоны (Eg1), а толщина слоя (S1) превышает 100 нм, и слой (S1) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

и вторым элементом батареи (SC2), причем второй элемент батареи (SC2) включает в себя слой (S2) из соединения In_mP_n со второй константой решетки (а2) и второй энергией запрещенной зоны (Eg2), а толщина слоя (S2) превышает 100 нм, и слой (S2) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

и третьим элементом батареи (SC3), причем третий элемент батареи (SC3) включает в себя слой (S3) из соединения In_xGa_1-xAs_1-yP_y с третьей константой решетки (а3) и третьей энергией запрещенной зоны (Eg3), а толщина слоя (S3) превышает 100 нм, и слой (S3) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

и четвертым элементом батареи (SC4), причем четвертый элемент батареи (SC4) включает в себя слой (S4) из соединения InGaAs с четвертой константой решетки (а4) и четвертой энергией запрещенной зоны (Eg4), а толщина слоя (S4) превышает 100 нм, и слой (S4) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

причем для значений энергии запрещенной зоны справедливо неравенство Eg1>Eg2>Eg3>Eg4,

и между двумя элементами батареи (SC1, SC2, SC3 и SC4) сформирована область сращения плат,

и эта область обладает толщиной максимум в 200 нм, а константа решетки в этой области совершает скачок по меньшей мере в 0,01 нм,

и/или в этой области изменяется ориентация кристаллов,

и/или в этой области сформирован аморфный промежуточный слой,

а слой (S3) третьего элемента батареи (SC3) и слой (S4) четвертого элемента батареи (SC4) подогнаны друг к другу по решетке, и/или а3=а4±Δ1, причем Δ1≤0,003 нм,

и для стехиометрии слоя (S2) второго элемента батареи (SC2) справедливы неравенства 1>m>0,9 и 1>n>0,8, а для стехиометрического соотношения слоя (S3) третьего элемента батареи (SC3) справедливы неравенства 1>х>0,2 и 1>у>0,1. Предпочтительные варианты исполнения изобретения представляют собой предмет зависимых пунктов.

В соответствии с объектом изобретения представлена штабелевидная интегрированная многопереходная солнечная батарея с первым элементом батареи, причем первый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaP с первой константой решетки и первой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и вторым элементом батареи, причем второй элемент батареи включает в себя слой из соединения In_mP_n со второй константой решетки и второй энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и третьим элементом батареи, причем третий элемент батареи включает в себя слой из соединения In_xGa_1-xAs_1-yP_y с третьей константой решетки и третьей энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и четвертым элементом батареи, причем четвертый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaAs с четвертой константой решетки и четвертой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, причем для значений энергии запрещенной зоны справедливо соотношение Eg1>Eg2>Eg3>Eg4, и между двумя элементами батареи сформирована область сращения плат, и эта область имеет толщину максимум в 200 нм, а константа решетки в этой области совершает скачок по меньшей мере в 0,01 нм, и/или в этой области изменяется ориентация кристаллов, и/или в этой области сформирован аморфный промежуточный слой, а слой третьего элемента батареи и слой четвертого элемента батареи подогнаны друг к другу по решетке, и/или а3=а4±Δ1, причем Δ1 а3=а4±Δ1, где Δ1≤0,003 нм, и для стехиометрии слоя второго элемента батареи справедливы неравенства 1>m>0,9 и 1>n>0,8, а для стехиометрии слоя третьего элемента батареи справедливы неравенства 1>х>0,2 и 1>у>0,1.

Из соображений ясности следует отметить, что соотношение Eg1>Eg2>Eg3>Eg4 означает, что у первого элемента батареи энергия запрещенной зоны больше, чем у второго элемента батареи, а у второго элемента батареи энергия запрещенной зоны больше, чем у третьего элемента батареи, а у третьего элемента батареи энергия запрещенной зоны больше, чем у четвертого элемента батареи.

Подразумевается, что элемент батареи с наибольшей энергией запрещенной зоны располагается на штабелевидной интегрированной многопереходной солнечной батарее сверху, то есть солнечный свет падает на поверхность первого элемента солнечной батареи. После прохождения первого элемента батареи не поглощенный свет попадает на второй элемент батареи, пока наконец в четвертом и самом нижнем элементе батареи не будет поглощен свет длинноволнового диапазона. Если имеется подложка-носитель для штабелевидной интегрированной многопереходной солнечной батареи, то подложка-носитель всегда соединена с самым нижним элементом батареи. Необходимо отметить, что за исключением области со сращением плат элементы батареи под сращением плат и над сращением плат в каждом случае монолитно интегрированы. Кроме того, следует отметить, что ниже термин "стопа (штабель) солнечных батарей" употребляется как синоним обозначения "штабелевидная интегрированная многопереходная солнечная батарея", и что под термином "сращение плат (wafer bond)" подразумевают соединение двух полупроводниковых пластин.

Преимущество состоит в том, что стопа солнечных батарей согласно изобретению обладает высоким коэффициентом полезного действия и включает в себя множество устойчивых к излучению элементов батареи. При этом применяют более одного элемента батареи с соединением InP. В частности, используют особо стабильные под воздействием излучения материалы, как то: AlInGaP и InP, а также InGaAsP. Исследования показали, что, в частности, у InP уже при температурах ниже 300 K наступает восстановление ("заживление") полученных от излучения повреждений, в то время как у элементов батареи на основе GaAs восстановление начинается только с температур выше 600 K. Иными словами, соединение друг с другом устойчивых к излучению элементов батареи, имеющих в то же время согласованные друг с другом запрещенные зоны, позволяет создать стопу солнечных батарей с высоким коэффициентом полезного действия, причем стопа солнечных батарей ввиду особой устойчивости к воздействию излучений также предпочтительно годится для применения в космосе.

В одной из форм исполнения сформирована подложка из соединения InP, GaAs, Ge, Si и/или металла. Предпочтительно подложки применяют как носители при изготовлении обеих частей солнечной батареи. В настоящем тексте применяют две подложки с различными друг относительно друга константами решетки. В одной из форм исполнения на каждой из подложек с помощью метода эпитаксии изготавливают один или несколько элементов батареи. После сращения элементов батареи удаляют по меньшей мере подложку на первом элементе солнечной батареи.

В усовершенствованном варианте толщина четвертого элемента батареи меньше, чем 2,2 мкм и/или ниже четвертого элемента батареи сформировано полупроводниковое зеркало. Чем меньше толщина слоя, тем выше устойчивость элемента батареи к воздействию излучения. Кроме того, под четвертым элементом батареи можно также разместить полупроводниковое зеркало, чтобы уменьшить толщину слоя элемента батареи. Подразумевается, что с установкой полупроводникового зеркала под четвертым элементом батареи определенный диапазон длин волн посредством отражения зеркально отправляется в диапазон поглощения расположенного выше элемента батареи. Благодаря этому длина оптического пути через область поглощения в первом приближении удваивается. В альтернативной форме исполнения под четвертым элементом батареи предусмотрено оптическое зеркало тыльной стороны, причем зеркало тыльной стороны включает в себя металлическое соединение или комбинацию металлического соединения и диэлектрического слоя. Это позволяет простым способом добиться того, что свет в широком диапазоне отражается обратно в ячейку (батарею).

В дальнейшем термины "зеркало тыльной стороны" и "оптическое зеркало" применяют в качестве синонимов. При наличии оптического зеркала в точной настройке полупроводникового зеркала на диапазон длин волн нет необходимости. Далее, оптическое зеркало недорого стоит и просто в изготовлении, а также характеризуется значительно более высокой степенью отражения, чем полупроводниковое зеркало, в частности, около 100%. Кроме того, благодаря отражению неиспользуемого многопереходной солнечной батареей инфракрасного света существенно снижают рабочую температуру солнечной батареи в космическом пространстве и в силу этого дополнительно повышают коэффициент полезного действия многопереходной солнечной батареи.

В предпочтительной форме исполнения полупроводниковое зеркало вставлено между третьим и четвертым элементом батареи. Полупроводниковое зеркало предпочтительно отражает свет того диапазона длин волн, который может поглощаться в третьем элементе батареи. Благодаря полупроводниковому зеркалу удлиняется оптический путь света через третий элемент батареи. Одновременно длинноволновой свет предпочтительно пропускается для поглощения в четвертом элементе батареи.

В одной предпочтительной форме исполнения в дополнение к полупроводниковому зеркалу между третьим элементом батареи и четвертым элемента батареи изготовлено оптическое зеркало ниже четвертого элемента батареи.

В другой форме исполнения область, в которой сформирован скачок, имеет толщину максимум 100 нм и/или константа решетки выполняет скачок по меньшей мере в 0,015 нм. Подразумевается, что термин "область" обозначает регион, который включает в себя границу раздела сращения плат, причем протяженность или толщина пограничной области в большинстве случаев составляет лишь несколько нм. В предпочтительной форме исполнения сращение плат и в силу этого скачок константы решетки выполнен между первым элементом батареи и вторым элементом батареи.

В предпочтительном усовершенствованном варианте слой третьего элемента батареи и слой четвертого элемента батареи подогнаны друг к другу по решетке, и/или для констант решетки справедливо а3=а4±Δ2, где Δ2≤0,0015 нм.

В одной из форм исполнения для стехиометрии слоя второго элемента батареи справедливы выражения m>0,95 и n>0,9, и/или для стехиометрии слоя третьего элемента батареи справедливы неравенства х>0,65 и у>0,3. Иными словами, в обоих элементах батареи имеются слои с очень высоким (более 90% относительно элементов V группы) содержанием фосфора и по меньшей мере с высоким (более 30% относительно элементов V группы) содержанием фосфора.

В усовершенствованном варианте слой четвертого элемента батареи состоит из соединения InGaAsP, причем содержание фосфора относительно элементов группы V больше 5% и/или ниже 30%.

В другой форме исполнения между первым элементом батареи и сращением плат сформирован пятый элемент батареи, причем пятый элемент батареи имеет слой с пятой константой решетки и пятой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и причем для значения энергии запрещенной зоны справедливо неравенство Eg1>Eg5>Eg2, и причем для константы решетки справедливо а5=a1±Δ3, где Δ3≤0,01. Благодаря этому у пятого элемента батареи энергия запрещенной зоны находится между лежащим выше первым элементом батареи и лежащим ниже вторым элементом батареи. Следовательно, в штабеле (стопе) солнечных батарей имеются пять составленных в стопу элементов батареи.

В другом усовершенствованном варианте энергия запрещенной зоны слоя первого элемента батареи выше 1,88 эВ, а энергия запрещенной зоны слоя второго элемента солнечной батареи находится между 1,3 эВ и 1,5 эВ, и энергия запрещенной зоны слоя третьего элемента батареи находится между 0,9 эВ и 1,1 эВ, и энергия запрещенной зоны слоя четвертого элемента батареи располагается между 0,6 эВ и 0,9 эВ.

Также предпочтительно, если слой первого элемента батареи состоит из (Al)InGaP, а слой второго элемента батареи из InP, и слой третьего элемента батареи из InGaAsP, а слой четвертого элемента батареи состоит из InGaAs. Исследования показали, что такая комбинация характеризуется высоким коэффициентом полезного действия.

В другом усовершенствованном варианте энергия запрещенной зоны слоя первого элемента батареи выше 2,0 эВ, а энергия запрещенной зоны слоя второго элемента солнечной батареи находится между 1,2 эВ и 1,4 эВ, и энергия запрещенной зоны слоя третьего элемента батареи находится между 0,9 эВ и 1,1 эВ, и энергия запрещенной зоны слоя четвертого элемента батареи располагается между 0,6 эВ и 0,9 эВ, и энергия запрещенной зоны слоя пятого элемента батареи находится между 1,4 эВ и 1,7 эВ.

В предпочтительной форме исполнения слой первого элемента батареи состоит из AlInGaP, а слой второго элемента батареи из InP, и слой третьего элемента батареи из InGaAsP, и слой четвертого элемента батареи из InGaAs, а слой пятого элемента батареи из Al(In)GaAs или из InGaAsP. В альтернативной форме исполнения слой первого элемента батареи состоит из AlInGaP, а слой второго элемента батареи из InGaAsP, и слой третьего элемента батареи из InGaAsP, и слой четвертого элемента батареи из InGaAs, а слой пятого элемента батареи из Al(In)GaAs или из InGaAsP.

В предпочтительном усовершенствованном варианте сращение плат сформировано между первым элементом батареи и вторым элементом батареи, причем для разницы в обеих константах решетки обоих элементов батареи справедливо выражение a1<а2-0,01 нм. Предпочтительно, чтобы разность между двумя константами решетки составляла по меньшей мере 0,015 нм, чрезвычайно предпочтительно - по меньшей мере 0,03 нм. Предпочтительно, чтобы слой второго элемента батареи и слой третьего элемента батареи были подогнаны друг к другу по решетке, и чтобы для константы решетки выполнялось выражение а2=а3±Δ1 или чтобы выполнялось условие а2=а3±Δ2.

В предпочтительной форме исполнения с первым элементом батареи с материальным замыканием соединена надложка, и в состав надложки входит покровное стекло. Под термином "надложка" в настоящем тексте подразумевают несущую структуру на верхней стороне стопы солнечных батарей. В усовершенствованном варианте необходимость в несущей подложке под многопереходной солнечной батареей отпадает, по меньшей мере частично или полностью. Преимущество состоит в том, что благодаря этому можно изготавливать очень легкие солнечные батареи для применения в космонавтике.

Ниже дано подробное описание изобретения на основе чертежей. При этом одинаковые части обозначены одинаково. Представленные формы исполнения очень схематичны, то есть, расстояния и значения латеральной и вертикальной протяженности представлены без соблюдения масштаба и не находятся друг с другом (если не указано иное) в геометрических соотношениях, которые можно из чего-то вывести. Показаны:

Фигура 1. Вид первой формы исполнения с четырехпереходной солнечной батареей.

Фигура 2. Подробное изображение первой формы исполнения, представленной на фигуре 1.

Фигура 3. Вид второй формы исполнения с четырехпереходной солнечной батареей с оптическим зеркалом.

Фигура 4. Вид третьей формы исполнения с пятипереходной солнечной батареей.

Фигура 5. Подробное изображение третьей формы исполнения, представленной на фигуре 4.

Фигура 6. Другое подробное изображение третьей формы исполнения, представленной на фигуре 4.

На фигуре 1 показано изображение первой формы исполнения штабелевидной интегрированной многопереходной солнечной батареи 10. На расположенной рядом диаграмме D1 приведено изменение константы решетки а и запрещенных зон Eg вдоль стопы многопереходной солнечной батареи 10.

У многопереходной солнечной батареи 10 имеется первый элемент батареи SC1, причем первый элемент батареи SC1 включает в себя слой S1 с первой константой решетки a1 и первой энергией запрещенной зоны Eg1. Далее, у многопереходной солнечной батареи 10 имеется второй элемент батареи SC2, причем второй элемент батареи SC2 включает в себя слой S2 со второй константой решетки а2 и второй энергией запрещенной зоны Eg2. Также у многопереходной солнечной батареи 10 имеется третий элемент батареи SC3 со слоем S3 с третьей константой решетки а3 и третьей энергией запрещенной зоны Eg3. Кроме того, у многопереходной солнечной батареи 10 имеется четвертый элемент батареи SC4, причем четвертый элемент батареи SC4 включает в себя слой S4 с четвертой константой решетки а4 и четвертой энергией запрещенной зоны Eg4. Как показано на диаграмме D1, в каждом случае между слоями S1, S2, S3 и S4 и соответствующими элементами батареи SC1, SC2, SC3 и SC4 не создана разница в энергии запрещенной зоны Eg и не создана разница в константе решетки а. Иными словами, элементы батареи SC1, SC2, SC3 и SC4 сами по себе однородны с точки зрения обоих параметров.

Между двумя соседними элементами батареи SC1 и SC2, а также SC2 и SC3, а также SC3 и SC4 в каждом случае созданы области соединения В. В областях соединения B в каждом случае созданы туннельный диод и прочие слои (не представлены во всех случаях). В соответствии с диаграммой D1 значения энергии запрещенной зоны Eg1, Eg2, Eg3 и Eg4 отдельных элементов батареи SC1, SC2, SC3 и SC4, а в силу этого также и слои S1, S2, S3 и S4 в отдельных элементах батареи SC1, SC2, SC3 и SC4 удовлетворяют условию Eg1>Eg2>Eg3>Eg4.

Как показано на диаграмме D1, между первым элементом батареи SC1 и вторым элементом батареи SC2 выполнено сращение плат со скачком в константе решетки а. Необходимо отметить, что скачок в константе решетки а включает в себя величину по меньшей мере 0,01 нм, предпочтительно - по меньшей мере 0,015 нм и чрезвычайно предпочтительно по меньшей мере 0,03 нм. Иными словами, константа решетки а2 второго элемента батареи SC2 по меньшей мере на 0,01 нм больше, чем константа решетки al первого элемента батареи SC1, то есть справедливо выражение a1<а2-0,01 нм. Предпочтительно, чтобы разность между двумя константами решетки al и а2 составляла по меньшей мере 0,015 нм, чрезвычайно предпочтительно - по меньшей мере 0,03 нм. Подразумевается, что в пределах области соединения В область, в которой формируется скачок, характеризуется толщиной максимум в 200 нм, предпочтительно максимум в 100 нм, а чрезвычайно предпочтительно максимум в 50 нм.

Кроме того, слой S2 второго элемента батареи SC2, и слой S3 третьего элемента батареи SC3, и слой S4 четвертого элемента батареи SC4 в каждом случае подогнаны друг к другу по решетке. Для констант решетки а2, а3 и а4 слоев S2, S3 и S4 отдельных элементов батареи SC2, SC3 и SC4 справедливо, что а2=а3±Δ1 и а2=а4±Δ1, где Δ1≤0,003 нм, предпочтительно для констант решетки справедливо а2=а3±Δ2 и а2=а4±Δ2, где Δ2=0,0015 нм.

Кроме того, для стехиометрии слоя S2 второго элемента батареи SC2 справедливы выражения 1>m>0,9 и 1>n>0,8, и/или для стехиометрии слоя S3 третьего элемента батареи SC3 справедливы неравенства 1>х>0,2 и 1>у>0,1. Предпочтительно, чтобы для стехиометрического соотношения слоя S2 второго элемента батареи SC2 были справедливы выражения m>0,95 и n>0,9, и/или для стехиометрии слоя S3 третьего элемента батареи SC3 были справедливы неравенства х>0,65 и у>0,3. В силу этого элементы батареи SC2 и SC3 характеризуются высоким содержанием фосфора.

Еще один не изображенный признак сращения плат состоит в том, что в области сращения плат изменяется ориентация кристаллов. Кроме того, в этой области также формируется в общем аморфный промежуточный слой (не изображен).

Далее, толщина слоя S1 первого элемента батареи SC1 больше чем 100 нм, причем слой S1 выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда. Предпочтительно, чтобы в состав первого элемента батареи SC1 входило соединение InGaP.

Кроме того, толщина слоя S2 второго элемента батареи SC2 больше чем 100 нм, причем слой S2 выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой областью объемного заряда. Предпочтительно, чтобы в состав второго элемента батареи SC2 входило соединение In_mP_n.

Толщина слоя S3 третьего элемента батареи SC3 также превышает 100 нм, причем слой S3 выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда. Предпочтительно, чтобы третий элемент батареи SC3 включал в себя соединение In_xGa_1-xAs_1-yP_y.

Далее, толщина S4 четвертого элемента батареи SC4 также выше 100 нм, причем слой S4 выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда. Предпочтительно, чтобы в состав четвертого элемента батареи SC4 входило соединение InGaAs.

На фигуре 2 раскрыто подробное изображение первой формы исполнения, представленной на фигуре 1. Ниже приведены только отличия от пояснений, касающихся изображения на фигуре 1.

Слой S1 первого элемента батареи SC1 характеризуется константой решетки a1 в 0,56 нм и включает в себя соединение из (Al)GaInP с энергией запрещенной зоны Eg1 в 1,9 эВ. Далее, слой S2 второго элемента батареи SC2 характеризуется константой решетки а2 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InP с энергией запрещенной зоны Eg2 в 1,35 эВ. Также слой S3 третьего элемента батареи SC3 характеризуется константой решетки а3 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InGaAsP с энергией запрещенной зоны Eg3 в 1,0 эВ. Наконец, слой S4 четвертого элемента батареи SC4 характеризуется константой решетки а4 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InGaAs с энергией запрещенной зоны Eg4 в 0,7 эВ.

На фигуре 3 представлено изображение второй формы исполнения с четырехпереходной солнечной батареей. Ниже приведены пояснения только отличий от вышеприведенных форм исполнения.

На диаграмме D2 показано прохождение (изменение) константы решетки а и изменение энергии запрещенной зоны Eg для элементов батареи SC1-SC4.

Слои от S1 до S4, начиная с первого элемента батареи SC1 и до четвертого элемента батареи SC4 сплавлены с соответствующими элементами батареи SC1-SC4. Ниже четвертого элемента батареи SC4 сформировано оптическое зеркало либо же, соответственно, зеркало тыльной стороны ОРТ.

У первого элемента батареи SC1 общая толщина составляет от 500 нм до 2800 нм, с соединением (Al)InGaP. Предпочтительно, чтобы эмиттер, область объемного заряда и база первого элемента батареи SC1 целиком состояли из соединения (Al)InGaP. Общая толщина подразделяется на первую, легированную примесью n-типа (донорной) область толщиной от 100 нм до 300 нм и область, легированную примесью р-типа (акцепторной) толщиной от 400 нм до 2500 нм. Область, легированная донорной примесью, включает в себя легирование кремнием, а область, легированная акцепторной примесью, легирование цинком.

Второй элемент батареи SC2 имеет общую толщину от 150 нм до 2800 нм и включает в себя соединение InP. Предпочтительно, чтобы эмиттер, область объемного заряда и база второго элемента батареи SC2 целиком состояли из соединения InP. Общая толщина подразделяется на первую, легированную примесью n-типа (донорной) область толщиной от 50 нм до 300 нм и область, легированную примесью р-типа (акцепторной) толщиной от 100 нм до 2500 нм. Область, легированная донорной примесью, включает в себя легирование кремнием, а область, легированная акцепторной примесью, легирование цинком.

Третий элемент батареи SC3 имеет общую толщину от 1100 нм до 2800 нм и включает в себя соединение InGaAsP. Предпочтительно, чтобы эмиттер, область объемного заряда и база третьего элемента батареи SC3 целиком состояли из соединения InGaAsP. Общая толщина подразделяется на первую, легированную примесью n-типа (донорной) область толщиной от 100 нм до 300 нм и область, легированную примесью р-типа (акцепторной) толщиной от 1000 нм до 2500 нм. Область, легированная донорной примесью, включает в себя легирование кремнием, а область, легированная акцепторной примесью, легирование цинком.

Четвертый элемент батареи SC4 имеет общую толщину от 1100 нм до 2800 нм и включает в себя соединение InGaAs(P). Предпочтительно, чтобы эмиттер, область объемного заряда и база четвертого элемента батареи SC4 целиком состояли из соединения InGaAs(P). Общая толщина подразделяется на первую, легированную примесью n-типа (донорной) область толщиной от 100 нм до 300 нм и область, легированную примесью р-типа (акцепторной) толщиной от 1000 нм до 2500 нм. Область, легированная донорной примесью, включает в себя легирование кремнием, а область, легированная акцепторной примесью, легирование цинком.

На фигуре 4 представлено изображение третьей формы исполнения с пятипереходной солнечной батареей. Ниже приведены пояснения только отличий от вышеприведенных форм исполнения.

Между первым элементом батареи SC1 и вторым элементом батареи SC2 сформирован пятый элемент батареи SC5 со слоем S5 с пятой константой решетки а5 и пятой энергией запрещенной зоны Eg5. Толщина слоя S5 пятого элемента батареи SC5 составляет более 100 нм, причем слой S5 выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда.

На диаграмме D3 показано прохождение (изменение) константы решетки а и изменение энергии запрещенной зоны Eg для элементов батареи SC1-SC5.

Соответственно, в настоящей форме исполнения сращение плат сформировано между пятым элементом батареи SC5 и вторым элементом батареи SC2. Кроме того, первый элемент батареи SC1 и пятый элемент батареи SC5 выполнены с подгонкой по решетке друг к другу и характеризуются одинаковой константой решетки а. Далее, элементы батареи от второго SC2 и до четвертого элемента батареи SC4 включительно также выполнены в каждом случае с подгонкой по решетке друг к другу и характеризуются одинаковой константой решетки а. Энергия запрещенной зоны Eg5 слоя S5 пятого элемента батареи SC5 больше, чем энергия запрещенной зоны Eg2 слоя S2 второго элемента батареи SC2 и меньше, чем энергия запрещенной зоны Eg1 слоя S1 первого элемента батареи SC1.

На изображении фигуры 5 представлен подробный вид третьей формы исполнения с пятипереходной солнечной батареей, изображенный в связи с данными чертежа фигуры 4. Ниже приведены пояснения только отличий от вышеприведенных форм исполнения.

Слой S1 первого элемента батареи SC1 характеризуется константой решетки a1 в 0,56 нм и включает в себя соединение из AlGaInP с энергией запрещенной зоны Eg1 в 2,2 эВ. Далее, слой S5 пятого элемента батареи SC5 характеризуется константой решетки а5 в 0,56 нм и включает в себя соединение из AlGaAs с энергией запрещенной зоны Eg5 в 1,6 эВ. Далее, слой S2 второго элемента батареи SC2 характеризуется константой решетки а2 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InP с энергией запрещенной зоны Eg2 в 1,35 эВ. Также слой S3 третьего элемента батареи SC3 характеризуется константой решетки а3 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InGaAsP с энергией запрещенной зоны Eg3 в 1,05 эВ. Наконец, слой S4 четвертого элемента батареи SC4 характеризуется константой решетки а4 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InGaAs с энергией запрещенной зоны Eg4 в 0,74 эВ.

На изображении фигуры 6 представлен другой подробный вид третьей формы исполнения с пятипереходной солнечной батареей, изображенный в связи с данными чертежа фигуры 4. Ниже приведены пояснения только отличий от вышеприведенных форм исполнения.

Слой S1 первого элемента батареи SC1 характеризуется константой решетки a1 в 0,56 нм и включает в себя соединение из AlGaInP с энергией запрещенной зоны Eg1 в 2,16 эВ. Далее, слой S5 пятого элемента батареи SC5 характеризуется константой решетки а5 в 0,56 нм и включает в себя соединение из AlGaAs с энергией запрещенной зоны Eg5 в 1,53 эВ. Кроме того, слой S2 второго элемента батареи SC2 характеризуется константой решетки а2 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InGaAsP с энергией запрещенной зоны Eg2 в 1,26 эВ. Также слой S3 третьего элемента батареи SC3 характеризуется константой решетки а3 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InGaAsP с энергией запрещенной зоны Eg3 в 0,98 эВ. Наконец, слой S4 четвертого элемента батареи SC4 характеризуется константой решетки а4 в 0,59 нм и включает в себя соединение из InGaAs с энергией запрещенной зоны Eg4 в 0,74 эВ.

Изобретение касается также произвольных сочетаний предпочтительных форм исполнения, постольку, поскольку они взаимно не исключают друг друга.

Штабелевидная интегрированная многопереходная солнечная батарея с первым элементом батареи, причем первый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaP с первой константой решетки и первой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и вторым элементом батареи, причем второй элемент батареи включает в себя слой из соединения In_mР_n со второй константой решетки и второй энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и третьим элементом батареи, причем третий элемент батареи включает в себя слой из соединения In_xGa_1-xAs_1-yP_y с третьей константой решетки и третьей энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и четвертым элементом батареи, причем четвертый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaAs с четвертой константой решетки и четвертой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, причем для значений энергии запрещенной зоны справедливо соотношение Eg1>Eg2>Eg3>Eg4, и между двумя элементами батареи сформирована область сращения плат. Изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности преобразования солнечного света. 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Интегрированная многопереходная солнечная батарея в форме штабеля, с

первым элементом батареи (SC1), причем первый элемент батареи (SC1) включает в себя слой (S1) из соединения InGaP с первой константой решетки (a1) и первой энергией запрещенной зоны (Eg1), а толщина слоя (S1) превышает 100 нм, и слой (S1) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

и вторым элементом батареи (SC2), причем второй элемент батареи (SC2) включает в себя слой (S2) из соединения In_mP_n со второй константой решетки (a2) и второй энергией запрещенной зоны (Eg2), а толщина слоя (S2) превышает 100 нм, и слой (S2) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

и третьим элементом батареи (SC3), причем третий элемент батареи (SC3) включает в себя слой (S3) из соединения In_xGa_1-xAs_1-yP_y с третьей константой решетки (a3) и третьей энергией запрещенной зоны (Eg3), а толщина слоя (S3) превышает 100 нм, и слой (S3) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

и четвертым элементом батареи (SC4), причем четвертый элемент батареи (SC4) включает в себя слой (S4) из соединения InGaAs с четвертой константой решетки (а4) и четвертой энергией запрещенной зоны (Eg4), а толщина слоя (S4) превышает 100 нм, и слой (S4) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда,

отличающаяся тем, что

для значений энергии запрещенной зоны справедливо неравенство Eg1>Eg2>Eg3>Eg4,

и между двумя элементами батареи (SC1, SC2, SC3 и SC4) сформирована область сращения плат,

и эта область обладает толщиной максимум в 200 нм, а константа решетки в этой области совершает скачок по меньшей мере в 0,01 нм,

и/или в этой области изменяется ориентация кристаллов,

и/или в этой области сформирован аморфный промежуточный слой,

а слой (S3) третьего элемента батареи (SC3) и слой (S4) четвертого элемента батареи (SC4) подогнаны друг к другу по решетке, и/или a3=a4±Δ1, причем Δ1≤0,003 нм,

и для стехиометрии слоя (S2) второго элемента батареи (SC2) справедливы неравенства 1>m>0,9 и 1>n>0,8, а для стехиометрии слоя (S3) третьего элемента батареи (SC3) справедливы неравенства 1>x>0,2 и 1>y>0,1.

2. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что из соединения InP, GaAs, Ge, Si и/или металла сформирована подложка.

3. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что толщина слоя (S4) четвертого элемента батареи (SC4) меньше 2,2 мкм и/или сформировано полупроводниковое зеркало (DBR).

4. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что предусмотрено оптическое зеркало тыльной стороны (ОРТ), и зеркало тыльной стороны (ОРТ) включает в себя металлическое соединение или комбинацию металлического соединения и диэлектрического слоя.

5. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что область, в которой сформирован скачок, имеет толщину максимум 100 нм и/или константа решетки в этой области выполняет скачок по меньшей мере в 0,015 нм.

6. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что слой (S3) третьего элемента батареи (SC3) и слой (S4) четвертого элемента батареи (SC4) подогнаны друг к другу по решетке и/или для констант решетки справедливо выражение a3=a4±Δ2, где Δ2<0,0015 нм.

7. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что для стехиометрии слоя (S2) второго элемента батареи (SC2) справедливы неравенства m>0,95 и n>0,9, и/или для стехиометрии слоя (S3) третьего элемента батареи (SC3) справедливы неравенства x>0,65 и y>0,3.

8. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что слой (S4) четвертого элемента батареи (SC4) состоит из соединения InGaAsP и содержание фосфора относительно элементов группы V больше 5% и/или ниже 30%.

9. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что между первым элементом батареи (SC1) и сращением плат сформирован пятый элемент батареи (SC5), причем пятый элемент батареи (SC5) имеет слой (S5) с пятой константой решетки (a5) и пятой энергией запрещенной зоны (Eg5), а толщина слоя (S5) превышает 100 нм, и слой (S5) выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и причем справедливо неравенство Eg1>Eg5>Eg2, и причем для константы решетки справедливо a5=a1±Δ3, где Δ3≤0,01.

10. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что энергия запрещенной зоны (Eg1) слоя (S1) первого элемента батареи (SC1) выше 1,88 эВ, и энергия запрещенной зоны (Eg2) слоя (S2) второго элемента батареи (SC2) находится между 1,3 эВ и 1,5 эВ, а энергия запрещенной зоны (Eg3) слоя (S3) третьего элемента батареи (SC3) находится между 0,9 эВ и 1,1 эВ, и энергия запрещенной зоны (Eg4) слоя (S4) четвертого элемента батареи (SC4) находится между 0,6 эВ и 0,9 эВ.

11. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что слой (S1) первого элемента батареи (SC1) состоит из (Al)InGaP, а слой (S2) второго элемента батареи (SC2) состоит из InP, и слой (S3) третьего элемента батареи (SC3) состоит из InGaAsP, и слой (S4) четвертого элемента батареи (SC4) состоит из InGaAs.

12. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что энергия запрещенной зоны (Eg1) слоя (S1) первого элемента батареи (SC1) выше 2,0 эВ, и энергия запрещенной зоны (Eg2) слоя (S2) второго элемента солнечной батареи (SC2) находится между 1,2 эВ и 1,4 эВ, а энергия запрещенной зоны (Eg3) слоя (S3) третьего элемента батареи (SC3) находится между 0,9 эВ и 1,1 эВ, и энергия запрещенной зоны (Eg4) слоя (S4) четвертого элемента батареи (SC4) находится между 0,6 эВ и 0,9 эВ, а энергия запрещенной зоны (Eg5) слоя (S5) пятого элемента батареи (SC5) находится между 1,4 эВ и 1,7 эВ.

13. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что слой (S1) первого элемента батареи (SC1) состоит из AlInGaP, а слой (S2) второго элемента батареи (SC2) состоит из InP, и слой (S3) третьего элемента батареи (SC3) состоит из InGaAsP, и слой (S4) четвертого элемента батареи (SC4) состоит из InGaAs, а слой (S5) пятого элемента батареи (SC5) состоит из Al(In)GaAs или из InGaAsP.

14. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что слой (S1) первого элемента батареи (SC1) состоит из AlInGaP, а слой (S2) второго элемента батареи (SC2) состоит из InGaAsP, и слой (S3) третьего элемента батареи (SC3) состоит из InGaAsP, и слой (S4) четвертого элемента батареи (SC4) состоит из InGaAs, а слой (S5) пятого элемента батареи (SC5) состоит из Al(In)GaAs или из InGaAsP.

15. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что сращение плат выполнено между первым элементом батареи (SC1) и вторым элементом батареи (SC2), а слой (S2) второго элемента батареи (SC2) и слой (S3) третьего элемента батареи (SC3) подогнаны друг к другу по решетке, и что справедливо выражение a2=a3±Δ1 или что справедливо выражение a2=a3±Δ2.

16. Многопереходная солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что с первым элементом батареи (SC1) с материальным замыканием соединена надложка и надложка включает в себя покровное стекло.

17. Многопереходная солнечная батарея по одному из пп. от 3 до 16, отличающаяся тем, что между третьим элементом батареи и четвертым элементом батареи выполнено полупроводниковое зеркало и/или ниже четвертого элемента батареи сформировано оптическое зеркало (ОРТ).