УСТРОЙСТВО СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ Российский патент 2017 года по МПК H01L27/142 H01L31/687 

Настоящее изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, в частности к устройствам солнечных батарей.

Из ЕР 1008188 A1, US 6600100 А2, ЕР 1443566 A1 и US 7449630 А2 известны различные концепции устройства солнечных батарей с многопереходной солнечной батареей и структура защитного диода. Кроме того, из DE 102004055225 A1 и DE 102004023856 A1, а в частности, из публикации G.F.X.Strobl et al., Evolution of Fully European Triple GaAs Solar Cell, Proc. "Seventh European Space Power Conference," Stresa, Italy, 9-13 May 2005 (ESA SP-589, May 2005) известны другие устройства солнечных батарей, определяющие категорию. В частности, в ЕР 1008188 A1 на поверхности стопы солнечных батарей имеется только известный «оконный" слой» из легированного р+ AlGaAs, непосредственно лежащий на элементе ячейки из GaInP, в то время как на защитной структуре непосредственно на легированной n++ части слоя туннельного диода сформирован металл.

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

Задачу решают посредством устройства солнечных батарей, обладающего признаками, описанными в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения изобретения представляют собой предмет подчиненных пунктов.

В соответствии с объектом изобретения представлено устройство солнечных батарей с многопереходной солнечной батареей и структурой защитного диода, причем у многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода имеется общая тыльная поверхность и разделенные меза-канавкой передние стороны, и общая тыльная поверхность включает в себя электропроводящий слой, и свет проходит в многопереходную солнечную батарею через переднюю поверхность, и причем многопереходная солнечная батарея включает в себя стопу из трех или более солнечных батарей и имеет расположенную ближе всего к передней стороне верхнюю солнечную батарею и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею, и каждая солнечная батарея включает в себя np-переход, а между соседними солнечными батареями размещен туннельный диод, и количество слоев полупроводника у структуры защитного диода меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи, однако последовательность слоев полупроводника у структуры защитного диода соответствует последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи, причем в структуре защитного диода выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод, а между соседними защитными диодами размещен туннельный диод, и количество np-переходов в структуре защитного диода по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи, на передней стороне многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода выполнена структура соединительного контакта, содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта - состоящий из нескольких слоев полупроводников электропроводящий контактный слой, и контактный слой включает в себя туннельный диод.

Следует отметить, что меза-канавка полностью сформирована между стопой слоев структуры защитного диода и многопереходной солнечной батареей в форме стопы, так что на верхней своей стороне обе стопы абсолютно отделены и лишь на нижней стороне у них имеется сформированный совместно сплошной слой. Также следует отметить, что многопереходная солнечная батарея и структура защитного диода выполнены как np-переходы, то есть, если смотреть с передней стороны, n-слой располагается выше р-слоя.

Подразумевается, что хотя стопа слоев структуры защитного диода с передней стороны и имеет ту же структуру соединительных контактов, в частности, с металлическими слоями, что и многопереходная солнечная батарея, но под структурой соединительных контактов на структуре защитного диода по сравнению с многопереходной солнечной батареей удалены травлением множество слоев. Благодаря этому в структуре защитного диода меньше полупроводниковых слоев. Также предпочтительно, чтобы устройство солнечной батареи включало в себя полупроводниковую пластину, особо предпочтительно - германиевую платину. В общем случае многопереходная солнечная батарея занимает значительно большую, преобладающую часть, предпочтительно более 90% площади платы, в то время как структура защитного диода располагается в одном из углов платы. При взгляде на поверхность платы сверху обе структуры располагаются друг рядом с другом и разделены меза-канавкой.

Кроме того, подразумевается, что структура защитного диода и многопереходная солнечная батарея содержат преимущественно слои из III-V полупроводниковых материалов. При этом запрещенные зоны отдельных солнечных батарей многопереходной солнечной батареи различаются, причем верхняя солнечная батарея, расположенная ближе всего к передней стороне, характеризуется большей шириной запрещенной зоны, чем средняя солнечная батарея, а средняя солнечная батарея - большей шириной запрещенной зоны, чем размещенная ближе всего к тыльной стороне нижняя солнечная батарея. Благодаря этому свет всегда падает через верхнюю солнечную батарею. Часть спектра, не поглощенная верхней солнечной батареей, падает на дальнейшие солнечные батареи. Следует указать, что стопа солнечных батарей и защитная структура предпочтительно интегрированы с формированием монолита. В альтернативном варианте исполнения у данной конкретной стопы имеется полупроводниковая контактная площадка. В альтернативной форме исполнения стопа солнечных батарей включает в себя более трех солнечных батарей. Предпочтительно, чтобы стопа солнечных батарей включала в себя четыре, или пять, или шесть солнечных батарей.

Преимущество такого расположения состоят в том, что формирование металлических контактов на туннельном диоде, в частности, в случае структуры защитного диода, повышает надежность и долгосрочная стабильность структуры защитного диода. Кроме того, для формирования структуры защитного диода не наносят какие-либо дополнительные полупроводниковые или металлические слои, а для подключения структуры защитного диода с передней стороны применяют полупроводниковые и металлические слои многопереходной солнечной батареи. Иными словами, у структуры защитного диода и многопереходной батареи одинаковая структура соединительных контактов. Можно обойтись без описания и квалифицирования двух различных систем контактов.

Исследования показали, что при формировании туннельного диода улучшается выход либо же, соответственно, получается более стабильный процесс изготовления. Кроме того, возможна гибкость в процессе производства, то есть исходя из многопереходной солнечной батареи, можно за небольшое число дополнительных этапов изготовить структуру защитного диода, применяя ту же структуру соединительных контактов.

Другие исследования показали, что введение дополнительного туннельного диода неожиданным образом лишь незначительно влияет на падение напряжения в структуре защитного диода (в том числе и при высокой плотности тока) и, в частности поведение структуры защитного диода при переключении не меняется. Также было продемонстрировано, что введение дополнительных слоев для формирования туннельного диода не уменьшает выход (эффективность), а повышает его.

В одной из форм исполнения электропроводящий слой на тыльной стороне включает в себя один или несколько металлических слоев и/или один или несколько полупроводниковых слоев, расположенных на металлических слоях. В частности, при использовании плат на германиевой подложке выгодно предусмотреть полупроводниковый слой из германия, то есть травление меза-структур для формирования меза-канавок останавливается в германиевой подложке.

В усовершенствованном варианте между структурой соединительного контакта и туннельным диодом сформирован легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой. Предпочтительно, чтобы легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой включал в себя соединение из GaInP или GaAs, а контактный слой имел на передней стороне один или несколько слоев металла.

Исследования показали, что целесообразно, если структура соединительного контакта включает в себя слой из сплава AuZn, и/или слой, состоящий из Ag (серебра), и/или слой, состоящий из соединения из Au (золота), и/или слой, состоящий из цинкового сплава. Благодаря этому на легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковом слое можно получить соединение с низким сопротивлением (низкоомное). Иными словами, целесообразно сформировать металлический слой с материальным замыканием с легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковым слоем.

В одной из форм исполнения туннельные диоды образованы по меньшей мере одним слоем с отрицательным легированием и по меньшей мере одним слоем с положительным легированием, причем отрицательное легирование реализуют с помощью элементов кремния, и/или теллура, и/или селена, и/или положительное легирование реализуют такими элементами как углерод, и/или цинк, и/или магний. Предпочтительно, чтобы концентрация легирующей добавки в слоях была выше 1×10¹⁸ см^-3, чрезвычайно предпочтительно - выше 3×10^-8 см^-3.

В другом усовершенствованном варианте между верхней солнечной батареей и структурой соединительного контакта сформирован туннельный диод. Предпочтительно, чтобы туннельный диод состоял по меньшей мере из двух лежащих друг над другом слоев, состоящих из соединения арсенида галлия (GaAs), причем по меньшей мере в одном из слоев или в обоих слоях присутствует алюминий в количестве от 1 до 40%. Крайне предпочтительно, чтобы содержание алюминия в одном из слоев или в обоих слоях составляло от 5 до 20%.

В другом усовершенствованном варианте у многопереходной солнечной батареи имеется средняя солнечная батарея. Предпочтительно, чтобы верхняя солнечная батарея включала в себя GaInP, а средняя солнечная батарея GaAs и GaInAs и нижняя солнечная батарея - германий (Ge).

В предпочтительной форме исполнения многопереходная солнечная батарея включает в себя более трех солнечных батарей. Подразумевается, что с ростом числа солнечных батарей с различными запрещенными зонами запрещенные зоны соответствующих солнечных батарей проще согласовать друг с другом и можно повысить коэффициент полезного действия сборки.

В другом усовершенствованном варианте структура соединительного контакта защитного диода по меньшей мере частично или полностью непосредственно граничит с легированным акцепторной примесью р-типа полупроводниковым слоем, причем предпочтительно, чтобы легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой состоял из GaInP, и/или AlGaAs, и/или GaAs, и/или GaInAs. В альтернативной форме исполнения структура соединительного контакта многопереходной солнечной батареи по меньшей мере частично или полностью граничит с положительно легированным полупроводниковым слоем, причем полупроводниковый слой состоит из GaAs соединения. Иными словами, структура соединительных контактов формирует по меньшей мере частично или же полностью соединение с материальным замыканием с легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковым слоем.

В одной из форм исполнения последовательность слоев структуры соединительного контакта защитного диода и многопереходной солнечной батареи одинакова. Подразумевается, что обе стопы слоев предпочтительно выращивают методом эпитаксии в виде сплошных совместных слоев, и лишь после роста слоев обеих стоп их разделяют меза-травлением.

В предпочтительном усовершенствованном варианте в состав структуры защитного диода и многопереходной солнечной батареи входит полупроводниковое зеркало, причем легирование слоев полупроводникового зеркала превышает 1Е17/см³. Благодаря высокой степени легирования полупроводниковое зеркало характеризуется низким уровнем электрического сопротивления. Предпочтительно, чтобы полупроводниковое зеркало было сформировано между двумя соседними солнечными батареями.

В усовершенствованном варианте передняя сторона защитного диода не имеет электропроводящего соединения с тыльной стороной многопереходной солнечной батареи. Напротив, структура защитного диода соединена с многопереходной солнечной батареей другой платы, то есть защитная структура данной конкретной платы защищает структуру солнечной батареи следующей, предпочтительно - непосредственно соседней платы.

Ниже дано подробное описание изобретения с опорой на чертежи. При этом одинаковые детали обозначены одинаково. Представленные формы исполнения очень схематичны, то есть расстояния и значения латеральной (горизонтальной) 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. Показано:

Фигура 1. Вид первой формы исполнения согласно изобретению в сечении.

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

На фигуре 1 продемонстрирован вид первой формы исполнения устройства солнечной батареи SV согласно изобретению в сечении, с многопереходной солнечной батареей MS и структурой защитного диода SD, причем многопереходная солнечная батарея MS и структура защитного диода SD имеют общую тыльную поверхность RF и разделенные меза-канавкой MG передние стороны. Общая тыльная поверхность RF включает в себя электропроводящий слой MR. Многопереходная солнечная батарея MS включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей SC1, SC2, SC3 с расположенной ближе всего к передней стороне верхней солнечной батареей SC1 и средней солнечной батареей SC2 и расположенной ближе всего к тыльной стороне нижней солнечной батареей SC3. Каждая солнечная батарея SC1, SC2, SC3 включает в себя не изображенный на иллюстрации np-переход. Между соседними солнечными батареями SC1, SC2 и SC2, SC3 в каждом случае размещается туннельный диод TD.

Хотя количество слоев полупроводника у структуры защитного диода SD меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи MS, однако последовательность оставшихся слоев полупроводника у структуры защитного диода SD идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи MS. Структура защитных диодов SD включает в себя верхний защитный диод D1 и расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод D2. Между обоими защитными диодами D1 и D2 размещается туннельный диод TD.

Видно, что количество np-переходов в структуре защитного диода SD на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи MS.

На передней стороне многопереходной солнечной батареи MS и структуры защитного диода SD сформирована структура соединительного контакта M из нескольких слов металла, не изображенных на фигуре. Под структурой соединительного контакта M в случае многопереходной солнечной батареи MS выполнен состоящий из нескольких не представленных по отдельности полупроводниковых слоев электропроводящий контактный слой С. Эти несколько полупроводниковых слоев включают в себя туннельный диод TD. Между структурой соединительного контакта M и туннельным диодом TD сформирован легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой PHL как часть контактного слоя С.

Под структурой соединительного контакта M в случае структуры защитного диода SD выполнен состоящий из не представленных по отдельности нескольких полупроводниковых слоев электропроводящий контактный слой C1. Эти несколько полупроводниковых слоев включают в себя туннельный диод TD. Между структурой соединительного контакта M и туннельным диодом TD сформирован легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой PHL1 как часть контактного слоя C1.

На фигуре 2 подробно представлена форма исполнения, показанная на фигуре 1, в сечении. Ниже поясняются только отличия от фигуры 1.

Структура соединительного контакта M состоит из лежащего сверху золотого слоя, а также расположенного под ним слоя из серебра и лежащего под серебряным слоем слоя из сплава цинка с золотом (AuZn). Под слоем AuZn в случае многопереходной солнечной батареи MS сформирован легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой PHL, состоящий из GaAs соединения, а в случае структуры защитного диода SD легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой PHL1, состоящий из соединенияр-GaInP. Под туннельным диодом TD в случае многопереходной солнечной батареи MS располагается принадлежащий к контактному слою С легированный донорной примесью n-типа слой GaAs, в то время как в случае структуры защитного диода SD расположенный под ним легированный донорной примесью n-типа слой n-GaInAs уже принадлежит к верхнему защитному диоду, то есть не входит в состав контактного слоя C1.

Под контактным слоем С у стопы солнечных батарей MS имеется верхняя солнечная батарея SC1 с легированным донорной примесью n-типа эмиттерным слоем из GaInP и легированным акцепторной примесью р-типа слоем базы из GaInP. Под TD у средней солнечой батареи SC2 имеется легированный донорной примесью n-типа эмиттерный слой InGaAs и легированный акцепторной примесью р-типа слой базы из InGaAs. Под TD у нижней солнечной батареи SC3 имеется легированным донорной примесью n-типа эмиттерный слой германия и легированный акцепторной примесью р-типа слой базы из германия.

Под контактным слоем C1 у структуры защитного диода SD под туннельным диодом TD имеется верхний защитный диод D1 с легированным донорной примесью n-типа слоем InGaAs и легированным акцепторной примесью р-типа слоем InGaAs. Под TD у нижнего защитного диода D2 имеется легированный донорной примесью n-типа слой германия и легированный акцепторной примесью р-типа слой из германия. Германиевый легированный акцепторной примесью р-типа слой базы представляет собой общий слой для стопы солнечных батарей MS и структуры защитного диода SD.

Под легированным акцепторной примесью р-типа германиевым слоем базы для соединительного контакта тыльной стороны MR сформирован германиево-золотой слой AU/GE. Под германиево-золотым слоем сформирован серебряный слой, а под серебряным слоем - золотой слой.

Следует отметить, что эту форму исполнения можно перенести на n-кратную солнечную батарею SCn (не представлена). При этом n - это натуральное число больше трех. Количество N защитных диодов D1, D2, DN по меньшей мере на один меньше, чем количество солнечных батарей n, то есть для количества диодов справедливо Ν=n-1.

Согласно изобретению предложена эффективная солнечная батарея, выполненная многопереходной с защитным диодом, причем у многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода имеется общая тыльная поверхность и разделенные меза-канавкой фронтальные стороны, общая тыльная поверхность включает в себя электропроводящий слой, многопереходная солнечная батарея включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей и имеет расположенную ближе всего к фронтальной стороне верхнюю солнечную батарею и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею, каждая солнечная батарея включает в себя np-переход, между соседними солнечными батареями размещены туннельные диоды, количество слоев полупроводника у структуры защитного диода меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи, последовательность слоев полупроводника у структуры защитного диода идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи, причем в структуре защитного диода выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод, а между соседними защитными диодами размещен туннельный диод, количество np-переходов в структуре защитного диода по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи, на передней стороне многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода выполнена структура соединительного контакта, содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта выполнен состоящий из нескольких слоев полупроводника электропроводящий контактный слой, и эти несколько слоев полупроводника включают в себя туннельный диод. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство солнечных батарей с многопереходной солнечной батареей (MS) и структурой защитного диода (SD), причем

у многопереходной солнечной батареи (MS) и структуры защитного диода (SD) имеется общая тыльная поверхность (RF) и разделенные меза-канавкой (MG) передние стороны, и

общая тыльная поверхность (RF) включает в себя электропроводящий слой, и свет проходит в многопереходную солнечную батарею (MS) через переднюю поверхность, и причем

многопереходная солнечная батарея (MS) включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей (SC1, SC2, SC3) и имеет расположенную ближе всего к передней стороне верхнюю солнечную батарею (SC1) и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею (SC3), при этом каждая солнечная батарея (SC1, SC2, SC3) включает в себя np-переход, а между соседними солнечными батареями размещен туннельный диод (TD), и

количество слоев полупроводника у структуры защитного диода (SD) меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи (MS), но последовательность оставшихся слоев полупроводника у структуры защитного диода (SD) идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи (MS), причем

в структуре защитного диода (SD) выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод (D1) и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод (D2), а между соседними защитными диодами (D1, D2) размещен туннельный диод (TD), и

количество np-переходов в структуре защитного диода (SD) по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи (MS),

отличающееся тем, что

на передней стороне многопереходной солнечной батареи (MS) и структуры защитного диода (SD) выполнена структура соединительного контакта (М), содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта (М) состоящий из нескольких слоев полупроводников электропроводящий контактный слой (С, С1), и эти несколько слоев полупроводника включают в себя туннельный диод (TD).

2. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что между структурой соединительного контакта (М) и туннельным диодом (TD) сформирован легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой (PHL, PHL1) как часть контактного слоя (С, С1).

3. Устройство солнечных батарей по п. 2, отличающееся тем, что легированный акцепторной примесью р-типа полупроводниковый слой включает в себя соединение GalnP и/или GaAs.

4. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что структура соединительного контакта (М) включает в себя слой из сплава AuZn, и/или слой, состоящий из Ag (серебра), и/или слой, состоящий из соединения из Au (золота), и/или слой, состоящий из цинкового сплава.

5. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что туннельные диоды (TD) образованы по меньшей мере одним слоем с отрицательным легированием и одним слоем с положительным легированием, причем отрицательное легирование реализуют с помощью элементов кремния, и/или теллура, и/или селена, и/или положительное легирование реализуют такими элементами как углерод, и/или цинк, и/или магний, а концентрация легирующей добавки в слоях превышает 1×10¹⁸ см^-3.

6. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что между верхней солнечной батареей (SC1) и структурой соединительного контакта (М) сформирован туннельный диод (TD), и туннельный диод (TD) выполнен по меньшей мере из двух лежащих друг над другом слоев, состоящих из GaAs соединения, и/или по меньшей мере один из обоих слоев содержит алюминий в количестве от 1 до 40%.

7. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что у многопереходной солнечной батареи (MS) имеется средняя солнечная батарея (SC2) и верхняя солнечная батарея (SC1) включает в себя GalnP, а средняя солнечная батарея (SC2) включает в себя GaAs или GalnAs и нижняя солнечная батарея (SC3) включает в себя Ge.

8. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что многопереходная солнечная батарея (MS) включает в себя более трех солнечных батарей (SC1, SC2; SC3, SCn).

9. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что структура соединительного контакта (М) защитного диода по меньшей мере частично непосредственно граничит с положительно легированным полупроводниковым слоем, причем полупроводниковый слой состоит из GalnP и/или AlGaAs, и/или структура соединительного контакта (М) многопереходной солнечной батареи (MS) по меньшей мере частично граничит с положительно легированным полупроводниковым слоем, причем полупроводниковый слой состоит из соединения GaAs.

10. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что последовательность слоев в структуре соединительного контакта (М) защитного диода и многопереходной солнечной батарее (MS) идентична.

11. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что структуры защитного диода (SD) и многопереходной солнечной батареи (MS) включают полупроводниковое зеркало и легирование слоев полупроводникового зеркала превышает 1Е17/см³.

12. Устройство солнечных батарей по п. 1, отличающееся тем, что передняя сторона защитного диода не имеет электропроводящего соединения с тыльной стороной многопереходной солнечной батареи (MS).