УСТОЙЧИВЫЙ К ИЗЛУЧЕНИЮ ИНВЕРТИРОВАННЫЙ МЕТАМОРФИЧЕСКИЙ МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2017 года по МПК H01L31/687 

ЗАЯВЛЕНИЕ О ПРАВАХ ПРАВИТЕЛЬСТВА

Настоящее изобретение осуществлено при правительственной поддержке согласно контрактам №№ FA 9453-04-09-0371 и FA 9453-04-2-0041, выделенным Военно-воздушными силами США. Правительство имеет определенные права на настоящее изобретение.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка представляет собой частичное продолжение заявки № 13/491,390, поданной 7 июня 2012 года, которая включена в настоящий документ путем ссылки в полном объеме.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к метаморфическому многопереходному солнечному элементу для космической радиационной среды, иногда упоминаемой как окружающая среда с нулевой воздушной массой (AM0). Такие солнечные элементы используют в качестве источников питания многие спутники.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Желательность более высокой эффективности преобразования движет развитие многопереходных солнечных элементов, то есть солнечных элементов, имеющих два или более солнечных субэлементов с различными запрещенными зонами, и они расположены в порядке уменьшения запрещенных зон, так что излучение высокой энергии поглощается первым солнечным субэлементом, а фотоны с меньшей энергией проходят через первый солнечный субэлемент и поглощаются следующим солнечным субэлементом. Для получения повышенного количества солнечных субэлементов в каждом солнечном элементе, известно использование различных материалов для различных солнечных субэлементов, в этом случае солнечный элемент упоминается как метаморфический многопереходный солнечный элемент, если используют материалы, имеющие различные постоянные решетки. Каждый солнечный субэлемент имеет связанный с ним ток короткого замыкания, и обычно солнечный элемент конструируют с согласованием токов короткого замыкания для каждого солнечного субэлемента для достижения максимальной эффективности преобразования.

Изготовление структур инвертированных метаморфических солнечных элементов, таких как описанные в M. W. Wanlass et al., Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-V Photovoltaic Energy Converters (Conference Proceedings of the 31^st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Jan 3-7, 2005, IEEE Press, 2005), включает в себя рост солнечных субэлементов на подложке для роста в обратном порядке, то есть от солнечного субэлемента с самой широкой запрещенной зоной до солнечного субэлемента с самой узкой запрещенной зоной, а затем удаление подложки для роста.

Заявка на патент US 2010/0122724 A1, полное содержание которой настоящим включено в настоящий документ путем ссылки, описывает инвертированный метаморфический многопереходный солнечный элемент с четырьмя переходами.

Ключевое требование для солнечных элементов, предназначенных для космических применений, состоит в способности выдерживать воздействие излучения частиц электронов и протонов. Предыдущие исследования излучения электронов, осуществляемые на солнечных субэлементах из InGaAs, продемонстрировали более низкую устойчивость к излучению по сравнению с InGaP и GaAs, см. M. Yamaguchi, “Radiation Resistance of Compound Semiconductor Solar cells”, J. Appl. Phys. 78, 1995, pp 1476-1480. Соответственно, рабочие характеристики солнечных субэлементов из InGaAs будут ухудшаться в среде AM0 быстрее, чем солнечные субэлементы из InGaP или GaAs. Таким образом, включение субэлемента из InGaAs в «устойчивый к излучению» многопереходный солнечный элемент представляет собой проблему.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на улучшение рабочих характеристик метаморфического многопереходного солнечного элемента, имеющего по меньшей мере два солнечных субэлемента из InGaAs, в среде AM0. В соответствии с настоящим изобретением, в начале срока службы, вводится рассогласование токов короткого замыкания, связанных с солнечными субэлементами солнечного элемента, чтобы сделать возможным большее ухудшение эффективности преобразования по меньшей мере двух солнечных субэлементов из InGaAs во время использования солнечного элемента в среде AM0, которая приводит к повышению эффективности преобразования многопереходного устройства в конце срока службы.

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагает многопереходный солнечный элемент, содержащий: первый солнечный субэлемент, состоящий из InGaP, имеющий первую запрещенную зону и первый ток короткого замыкания; второй солнечный субэлемент, состоящий из GaAs, расположенный поверх первого солнечного субэлемента и имеющий вторую запрещенную зону, более узкую, чем первая запрещенная зона, и несогласованный второй ток короткого замыкания, причем первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания, на величину до 8%; третий солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх второго солнечного субэлемента и имеющий третью запрещенную зону, более узкую, чем вторая запрещенная зона, и третий ток короткого замыкания, по существу согласованный со вторым током короткого замыкания; и четвертый солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх третьего солнечного субэлемента и имеющий четвертую запрещенную зону, более узкую, чем третья запрещенная зона, и четвертый ток короткого замыкания, по существу согласованный с третьим током короткого замыкания. В контексте настоящего документа ток короткого замыкания, который «по существу согласован» с эталонным током короткого замыкания, означает, что ток короткого замыкания находится в пределах ±4% от эталонного тока короткого замыкания. Первый - четвертый токи короткого замыкания устанавливаются таким образом, чтобы состояние многопереходного солнечного элемента в конце срока службы в космической среде AM0, токи короткого замыкания каждого из субэлементов по существу согласовываются. Состояние в конце срока службы может соответствовать периоду использования в космической среде AM0 по меньшей мере 15 лет или воздействию потока частиц с интегральной плотностью 1×10¹⁵ 1-МэВ электронов на квадратный сантиметр.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 схематично показывает главные области многопереходного солнечного элемента в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 представляет собой график, показывающий, для каждого из четырех солнечных субэлементов многопереходного солнечного элемента, показанного на Фиг.1, изменение со временем отношения плотности тока короткого замыкания для этого солнечного субэлемента и тока короткого замыкания для солнечного субэлемента, имеющего самую широкую запрещенную зону;

Фиг.3 представляет собой график, показывающий изменение эффективности преобразования в течение срока службы многопереходного солнечного элемента, показанного на фиг.1, по сравнению с многопереходным солнечным элементом с согласованными токами.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь будут описаны детали настоящего изобретения, включая его иллюстративные аспекты и варианты осуществления. При обращении к чертежам и нижеследующему описанию, сходные номера ссылочных позиций используются для идентификации сходных или функционально подобных элементов, и они предназначены для иллюстрации главных признаков иллюстративных вариантов осуществления сильно упрощенным схематичным способом. Кроме того, чертежи не предназначены для отображения каждого признака реальных вариантов осуществления или относительных размеров изображаемых элементов и не выполнены в масштабе.

Фиг.1 схематично показывает инвертированный метаморфический солнечный элемент с четырьмя переходами, далее упоминаемый как солнечный элемент IMM4J. В частности, фиг.1 показывает покомпонентный вид главных слоев солнечного элемента IMM4J перед удалением подложки 1 для роста. Следует понимать, что солнечный элемент IMM4J, показанный на фиг.1, как правило, устанавливается на суррогатной подложке в обратном порядке и подложка 1 для роста удаляется перед использованием.

Солнечный субэлемент 3 из InGaP осаждают на подложке 1 для роста и солнечный субэлемент 5 из GaAs осаждают на солнечном субэлементе 3 из InGaP таким образом, что солнечный субэлемент 3 из InGaP находится между подложкой 1 для роста и солнечным субэлементом 5 из GaAs. Солнечный субэлемент 3 из InGaP и солнечный субэлемент 5 из GaAs являются согласованными по структуре решетки с подложкой 1 для роста.

Первый переходной промежуточный слой 7 располагается между солнечным субэлементом 5 из GaAs и первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs на стороне солнечного субэлемента 5 из GaAs, противоположной по отношению к солнечному субэлементу 3 из InGaP. Первый переходный промежуточный слой 7 представляет собой метаморфический слой для согласования различий между постоянными решетки солнечного субэлемента 5 из GaAs и первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs.

Второй переходной промежуточный слой 11 располагается между первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs и вторым солнечным субэлементом 13 из InGaAs на стороне первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs, противоположной по отношению к первому переходному промежуточному слою 7. Второй переходной промежуточный слой 11 представляет собой метаморфический слой для согласования различий между постоянными решетки первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs и второго солнечного субэлемента 13 из InGaAs.

Солнечный субэлемент 3 из InGaP имеет запрещенную зону 1,91 ± 0,05 эВ; солнечный субэлемент 5 из GaAs имеет запрещенную зону 1,41 ± 0,05 эВ; первый солнечный субэлемент 9 из InGaAs имеет запрещенную зону 1,02 ± 0,05 эВ и второй солнечный субэлемент 13 из InGaAs имеет запрещенную зону 0,65 ± 0,05 эВ. Соответственно, множество солнечных субэлементов располагаются в порядке уменьшения ширины запрещенной зоны от подложки для роста. Таким образом, когда солнечное излучение соударяется со стороной подложки для роста (после удаления подложки 1 для роста), фотоны, имеющие энергию, превышающую 1,91 эВ, как правило, поглощаются солнечным субэлементом 3 из InGaP, фотоны, имеющие энергию в пределах между 1,41 эВ и 1,91 эВ, как правило, поглощаются солнечным субэлементом 5 из GaAs, фотоны, имеющие энергию в пределах между 1,02 эВ и 1,41 эВ, как правило, поглощаются первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs и фотоны, имеющие энергию в пределах между 0,65 эВ и 1,02 эВ, как правило, поглощаются вторым солнечным субэлементом 13 из InGaAs. Это дает в результате теоретическую эффективность преобразования 40,8%.

Ключевое требование для солнечных элементов, предназначенных для космических применений, представляет собой способность выдерживать воздействие излучения частиц электронов и протонов. Как рассмотрено ранее, солнечные элементы из InGaAs, как известно, имеют более низкую устойчивость к излучению, чем солнечные элементы из InGaP и солнечные элементы из GaAs. Соответственно, ток короткого замыкания, связанный с солнечными элементами из InGaAs, будет падать с более высокой скоростью, чем ток короткого замыкания, связанный с солнечными элементами из InGaP и солнечными элементами из GaAs.

Обычно многопереходные солнечные элементы конструируют таким образом, что в начале срока службы солнечного элемента, токи короткого замыкания для всех солнечных субэлементов являются по существу идентичными. В этом варианте осуществления, чтобы учесть тот факт, что ток короткого замыкания для первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs и второго солнечного субэлемента 13 из InGaAs будет падать быстрее, чем для солнечного субэлемента 3 из InGaP и солнечного субэлемента 5 из GaAs, токи короткого замыкания для солнечных субэлементов в начале срока службы солнечного элемента имеют некоторое рассогласование, так что в конце срока службы солнечного элемента токи короткого замыкания являются по существу согласованными. Таким путем улучшается общее преобразование энергии в течение срока службы солнечного элемента.

Фиг.2 иллюстрирует преобразование токов короткого замыкания для четырех солнечных субэлементов в течение срока службы солнечного элемента. В частности, ось y показывает значение тока короткого замыкания для каждого солнечного элемента по отношению к току короткого замыкания солнечного субэлемента 3 из InGaP. Изменение токов короткого замыкания индивидуальных солнечных субэлементов в течение срока службы исследуют с использованием элементов с одним переходом, которые изготавливают, чтобы они представляли соответствующие индивидуальные субэлементы, с изотипными окружающими материалами субэлемента, для получения таких же тепловых нагрузок устройства в течение роста, а также характеристик поглощения для облучения. На элементы с одним переходом затем воздействуют излучением 1-МэВ электронов при интегральной плотности потока частиц 5E14 и 1E15 э/см².

Как ожидается, первый солнечный субэлемент 9 из InGaAs и второй солнечный субэлемент 13 из InGaAs демонстрируют более низкую устойчивость к излучению, чем солнечный субэлемент 3 из InGaP и солнечный субэлемент 5 из GaAs. Неожиданно, однако, второй солнечный субэлемент 13 из InGaAs демонстрирует более высокую устойчивость к излучению, чем первый солнечный субэлемент 9 из InGaAs. Это является неожиданным, поскольку ожидалось, что более высокое содержание InAs во втором солнечном субэлементе 13 из InGaAs должно давать в результате более высокий уровень деградации в этом субэлементе по сравнению с первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs.

Одна из теорий, которая может объяснить более высокую устойчивость к излучению второго солнечного субэлемента 13 из InGaAs по сравнению с первым солнечным субэлементом 9 из InGaAs, заключается в том, что диффузионная длина в начале срока службы второго солнечного субэлемента из InGaAs 13 гораздо больше, чем для первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs, что может быть вызвано более высокой концентрацией неосновных носителей в InAs по сравнению с GaAs. Соответственно, хотя изменение диффузионной длины после воздействия излучения электронов на второй солнечный субэлемента 13 из InGaAs может быть больше, чем для первого солнечного субэлемента 9 из InGaAs, общая диффузионная длина в конце срока службы по-прежнему больше во втором солнечном субэлементе из InGaAs.

Желаемое рассогласование токов между солнечными субэлементами в начале срока службы может осуществляться посредством изменения толщины субэлемента и ширины запрещенной зоны субэлемента. В этом варианте осуществления, дополнительный ток, необходимый для солнечного субэлемента 5 из GaAs, получают посредством уменьшения толщины солнечного субэлемента 3 из InGaP по сравнению с толщиной, необходимой для согласования токов, в то время как дополнительный ток, необходимый для первого и второго солнечного субэлемента из InGaAs, формируется посредством небольшого уменьшения ширины запрещенной зоны, что дает в результате увеличение ширины зоны поглощения по сравнению с запрещенными зонами для согласования токов.

После оптимизации процедуры изготовления солнечный элемент IMM4J демонстрирует в начале срока службы эффективность AM0 преобразования примерно 34%. Это является небольшим уменьшением по сравнению с эквивалентным солнечным элементом IMM4J, который является согласованным по токам в начале срока службы, но, как показано на фиг.3, коэффициент, остающийся в конце срока службы для солнечного элемента IMM4J в соответствии с настоящим изобретением, значительно лучше, чем для эквивалентного солнечного элемента IMM4J, который является согласованным по токам в начале срока службы. Структура солнечного элемента IMM4J в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает эффективность AM0 преобразования, которая изменяется в течение срока службы многопереходного солнечного элемента таким образом, что к концу срока службы многопереходного солнечного элемента формируемая электрическая энергия больше, чем для многопереходного солнечного элемента, имеющего структуру, которая обеспечивает оптимальную эффективность AM0 преобразования в начале срока службы.

Хотя солнечный элемент, описанный выше, представляет собой солнечный элемент с четырьмя переходами, предполагается, что настоящее изобретение может также применяться к другим многопереходным солнечным элементам, например к метаморфическим солнечным элементам с пятью переходами или шестью переходами (солнечные элементы IMM5J или IMM6J).

Многопереходный солнечный элемент для космической радиационной среды, причем многопереходный солнечный элемент имеет множество солнечных субэлементов, расположенных в порядке убывания запрещенной зоны, включающее в себя: первый солнечный субэлемент, состоящий из InGaP и имеющий первую запрещенную зону, причем первый солнечный субэлемент имеет первый ток короткого замыкания, связанный с ним; второй солнечный субэлемент, состоящий из GaAs и имеющий вторую запрещенную зону, которая имеет ширину, меньшую, чем первая запрещенная зона, причем второй солнечный субэлемент имеет второй ток короткого замыкания, связанный с ним; при этом в начале срока службы первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания, так что эффективность AM0 преобразования является субоптимальной. Третий солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх второго солнечного субэлемента и имеющий третью запрещенную зону, более узкую, чем вторая запрещенная зона, и третий ток короткого замыкания, по существу согласованный со вторым током короткого замыкания; и четвертый солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх третьего солнечного субэлемента и имеющий четвертую запрещенную зону, более узкую, чем третья запрещенная зона, и четвертый ток короткого замыкания, по существу согласованный с третьим током короткого замыкания. Однако в конце срока службы токи короткого замыкания становятся по существу согласованными, что обеспечивает повышенную эффективность AM0 преобразования. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многопереходный солнечный элемент, содержащий:

первый солнечный субэлемент, состоящий из InGaP, имеющий первую запрещенную зону и первый ток короткого замыкания;

второй солнечный субэлемент, состоящий из GaAs, расположенный поверх первого солнечного субэлемента и имеющий вторую запрещенную зону, более узкую, чем первая запрещенная зона, и несогласованный второй ток короткого замыкания, причем первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания на величину до 8%;

третий солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх второго солнечного субэлемента и имеющий третью запрещенную зону, более узкую, чем вторая запрещенная зона, и третий ток короткого замыкания, по существу согласованный со вторым током короткого замыкания; и

четвертый солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх третьего солнечного субэлемента и имеющий четвертую запрещенную зону, более узкую, чем третья запрещенная зона, и четвертый ток короткого замыкания, по существу согласованный с третьим током короткого замыкания;

причем в состоянии в «конце срока службы» для многопереходного солнечного элемента в космической среде AM0 токи короткого замыкания всех субэлементов являются по существу согласованными; и

при этом ток короткого замыкания, который является «по существу согласованным» с эталонным током короткого замыкания, означает, что ток короткого замыкания находится в пределах ±4% от эталонного тока короткого замыкания.

2. Многопереходный солнечный элемент по п.1, в котором состояние в конце срока службы соответствует периоду использования в космической среде AM0 по меньшей мере 15 лет.

3. Многопереходный солнечный элемент по п.1, в котором состояние в конце срока службы соответствует воздействию интегральной плотности потока частиц 1×10¹⁵ 1-МэВ электронов на квадратный сантиметр.

4. Многопереходный солнечный элемент по п.1, в котором первый солнечный субэлемент согласован по параметру решетки со вторым солнечным субэлементом.

5. Многопереходный солнечный элемент по п.4, в котором предусмотрен первый переходный промежуточный слой между вторым и третьим солнечными субэлементами.

6. Многопереходный солнечный элемент по п.5, в котором предусмотрен второй переходный промежуточный слой между третьим и четвертым солнечными субэлементами.

7. Многопереходный солнечный элемент для космической радиационной среды, причем солнечный многопереходный элемент имеет множество солнечных субэлементов, расположенных в порядке убывания запрещенной зоны, включающее в себя:

первый солнечный субэлемент, состоящий из InGaP и имеющий первую запрещенную зону, причем первый солнечный субэлемент имеет первый ток короткого замыкания, связанный с ним;

второй солнечный субэлемент, состоящий из GaAs и имеющий вторую запрещенную зону, которая имеет ширину, меньшую, чем первая запрещенная зона, причем второй солнечный субэлемент имеет второй ток короткого замыкания, связанный с ним;

причем в начале срока службы первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания, так что эффективность AM0 преобразования является субоптимальной.

8. Многопереходный солнечный элемент по п.7, в котором первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания на величину до 8%.

9. Многопереходный солнечный элемент по п.7, в котором упомянутая структура обеспечивает эффективность AM0 преобразования, которая изменяется в течение срока службы многопереходного солнечного элемента таким образом, что в конце срока службы многопереходного солнечного элемента формируемая электрическая энергия больше, чем для многопереходного солнечного элемента, имеющего структуру, которая обеспечивает оптимальную эффективность AM0 преобразования в начале срока службы.

10. Многопереходный солнечный элемент по п.9, в котором эффективность AM0 преобразования в конце срока службы составляет более 82% от эффективности AM0 в начале срока службы.

11. Многопереходный солнечный элемент по п.10, в котором упомянутое состояние в конце срока службы соответствует воздействию интегральной плотности потока частиц 1×10¹⁵ 1-МэВ электронов на квадратный сантиметр.

12. Многопереходный солнечный элемент по п.8, в котором множество солнечных субэлементов дополнительно включает в себя:

третий солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх второго солнечного субэлемента и имеющий третью запрещенную зону, которая имеет ширину, меньшую, чем вторая запрещенная зона, причем третий солнечный субэлемент имеет третий ток короткого замыкания, связанный с ним, который по существу согласован со вторым током короткого замыкания; и

четвертый солнечный субэлемент, состоящий из InGaAs, расположенный поверх третьего солнечного субэлемента и имеющий четвертую запрещенную зону, которая имеет ширину, меньшую, чем третья запрещенная зона, причем четвертый солнечный субэлемент имеет четвертый ток короткого замыкания, связанный с ним, который по существу согласован с третьим током короткого замыкания.