СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ЧЕТЫРЬМЯ ПЕРЕХОДАМИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ Российский патент 2021 года по МПК H01L31/687 H01L31/18 

Область техники, к которой относится изобретение

[01] Настоящее раскрытие относится, в общем, к солнечным элементам и изготовлению солнечных элементов и, в частности, к проектированию и определению состава и значений ширины запрещенной зоны каждого из этих четырех подэлементов в солнечном элементе с четырьмя переходами на основе полупроводниковых соединений элементов III-V групп для того, чтобы достичь повышенной производительности в "конце срока службы", которую можно точно определить для заданной космической программы полета и окружающей среды.

Уровень техники

[02] Используемое в настоящем раскрытии выражение "ширина запрещенной зоны" солнечного подэлемента, внутри которого имеются слои с различной шириной запрещенной зоны, следует понимать как ширину запрещенной зоны слоя солнечного подэлемента, в которой генерируется большая часть носителей заряда (причем такой подслой обычно представляет собой базовый полупроводниковый слой p-типа базового/эмиттерного фотоэлектрического перехода такого подэлемента). В том случае, если такой слой имеет, в свою очередь, подслои с различными значениями ширины запрещенной зоны (например, в случае базового слоя, имеющего изменяющийся состав и, более конкретно, изменяющуюся ширину запрещенной зоны), подслой этого солнечного подэлемента с наименьшим значением ширины запрещенной зоны следует использовать в качестве определения "ширины запрещенной зоны" такого подэлемента. Помимо солнечного подэлемента, в более общем смысле в случае специально предусмотренной полупроводниковой области (такой как метаморфический слой), в которой эта полупроводниковая область имеет подслои или подобласти с различными значениями ширины запрещенной зоны (например, в случае полупроводниковой области, имеющей изменяющийся состав и, более конкретно, изменяющуюся ширину запрещенной зоны), подслой или подобласть этой полупроводниковой области с наименьшим значением ширины запрещенной зоны следует использовать в качестве определения "ширины запрещенной зоны" этой полупроводниковой области.

[03] В течение последних лет массовое производство многопереходных солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений элементов III-V групп для космических применений ускорило развитие этой технологии. По сравнению с кремниевыми солнечными элементами многопереходные солнечные элементы на основе полупроводниковых соединений элементов III-V групп обладают более высокой эффективностью преобразования энергии и, как правило, являются более радиационно-стойкими, хотя они имеют тенденцию к усложнению правильного задания технических требований и изготовления. Типичные коммерческие многопереходные солнечные элементы на основе полупроводниковых соединений элементов III-V групп имеют КПД использования энергии, который превышает 29,5% при освещении только одним солнцем и нулевой воздушной массе (AM0). Более высокий КПД преобразования солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений элементов III-V групп по сравнению с кремниевыми солнечными элементами частично основан на способности достигать расщепление спектральных линий падающего излучения за счет использования множества последовательно соединенных фотоэлектрических областей с различными энергиями запрещенной зоны и аккумулирования электрической энергии при заданном напряжении и токе от каждой из областей.

[04] В спутниках и других космических применениях размер, масса и стоимость системы электропитания спутника напрямую связаны с эффективностью преобразования мощности и энергии используемых солнечных элементов. Другими словами, размер полезной нагрузки и доступность бортовых услуг пропорциональны количеству предоставляемой мощности. Таким образом, по мере усложнения полезной нагрузки увеличивается количество потребляемой электроэнергии, и при планировании космических полетов и применений на пять, десять, двадцать или более лет все более важными становятся параметры, связанные с отношением мощности к массе (Вт/кг), отношением мощности к площади (Вт/м²) и КПД в течение всего срока службы солнечного элемента. При этом возрастает интерес не только к количеству электроэнергии, потребляемой на грамм массы и площади, занимаемой солнечным элементом, не только при первоначальном развертывании, но и на протяжении всего срока службы спутниковой системы, или, с точки зрения технического задания на проектирование, к количеству остаточной мощности, предоставляемой в указанном "конце срока службы" (EOL), на которое влияет радиационное облучение солнечного элемента с течением времени в конкретной космической среде массива солнечных панелей, причем период EOL отличается для различных программ космического полета и применений.

[05] Типичные солнечные элементы на основе полупроводниковых соединений элементов III-V групп изготавливаются на полупроводниковой пластине в виде вертикальных многопереходных структур или ряда расположенных друг над другом солнечных подэлементов, при этом каждый подэлемент выполнен с соответствующими полупроводниковыми слоями и включает в себя светочувствительный p-n переход. Каждый подэлемент предназначен для преобразования фотонов во всех различных диапазонах спектра или длин волн в электрический ток. Далее, солнечный свет падает на переднюю сторону солнечного элемента, и фотоны проходят через подэлементы, причем каждой подэлемент предназначен для фотонов в определенном диапазоне длин волн. После прохождения через подэлемент фотоны, которые не поглощаются и не преобразуются в электрическую энергию, попадают на следующие подэлементы, где предполагается, что такие фотоны будут захватываться и преобразовываться в электрическую энергию.

[06] Подэлемент, ближайший к падающему солнечному свету, часто упоминается как "крайний верхний", или "верхний" подэлемент, или в некоторой терминологии как "первый подэлемент" и имеет самую большую ширину запрещенной зоны из всех подэлементов, при этом подэлементы, находящиеся ниже первого подэлемента, называются "вторым", "третьим" и т.д. подэлементами.

[07] Другая терминология для определения подэлементов основана на том, что ряд расположенных друг над другом солнечных подэлементов эпитаксиально выращивается последовательно один за другим на полупроводниковой подложке. В этом случае первый подэлемент, сформированный или выращенный на подложке, может упоминаться как "первый" подэлемент, и последующие подэлементы, выращенные последовательно друг за другом, могут упоминаться как "второй", "третий" и т.д. подэлементы, причем такие последние подэлементы в вертикальном расположении представляют собой "крайние верхние" или "верхние" подэлементы солнечного элемента и имеют самую большую ширину запрещенной зоны из всех подэлементов.

[08] Солнечный элемент, предназначенный для использования в космическом летательном аппарате (таком как спутник, космическая станция или космический корабль для межпланетного полета), имеет ряд подэлементов с составами и значениями ширины запрещенной зоны, оптимизированными для достижения максимальной эффективности преобразования энергии для спектра солнечного излучения AM0 в космическом пространстве.

[09] Радиационная стойкость солнечного элемента определяется тем, насколько хорошо элемент выполняет свои функции после облучения излучением частиц электронов или протонов, которые являются характеристикой космического пространства. Стандартная метрика представляет собой отношение производительности в конце срока службы (или КПД) к производительности в начале срока службы (EOL/BOL) солнечного элемента. Производительность EOL представляет собой параметр производительности элемента после облучения этого тестового солнечного элемента заданным флюенсом электронов или протонов (который может отличаться для различных программ космического полета или орбит). Производительность BOL является параметром производительности перед облучением излучением частиц.

[10] Одним из важных механических или конструктивных соображений при выборе полупроводниковых слоев для солнечного элемента является целесообразность соседних слоев полупроводниковых материалов в солнечном элементе, то есть каждый слой кристаллического полупроводникового материала, который осаждается и выращивается для формирования солнечного подэлемента, имеет аналогичные или по существу аналогичные ограничения или параметры кристаллической решетки.

[11] Существуют компромиссы между включением определенных элементов в состав слоя, которые могут привести к повышению напряжения, связанного с таким подэлементом, и, следовательно, к потенциально более высокой выходной мощности, а также к отклонению от точного согласования по параметру кристаллической решетки соседних слоев вследствие включения таких элементов в слой, что может привести к более высокой вероятности дефектов и, следовательно, к снижению выхода годной продукции.

[12] В этой связи следует отметить, что отсутствует строгое определение того, что понимается под тем, что два соседних слоя "согласованы по параметру решетки" или "рассогласованы по параметру решетки". Для целей настоящего раскрытия термин "рассогласованные по параметру решетки" относится к двум прилегающим друг к другу материалам или слоям (толщиной более 100 нм), имеющим постоянные решетки в плоскости материалов в их полностью релаксированном состоянии, которые отличаются от друг друга по постоянной решетки менее чем на 0,02%. (Заявитель отмечает, что это определение является значительно более строгим по сравнению с тем, что предложено, например, в патенте США №8,962,993, который предполагает отличие по постоянной решетки менее чем на 0,6% при определении "рассогласованных по параметру решетки" слоев).

[13] Традиционное представление на протяжении многих лет заключалось в том, что в монолитном двухкаскадном солнечном элементе "… желаемый оптический коэффициент пропускания и проводимость тока между верхними и нижними элементами … можно достичь наилучшим образом путем согласования по параметру решетки верхнего материала элемента с нижним материалом элемента. Рассогласование постоянных решеток приводит к образованию дефектов или дислокаций в кристаллической решетке, где могут возникать центры рекомбинации, вызывая при этом потери фотогенерированных неосновных носителей и тем самым значительно ухудшая фотоэлектрическое качество устройства. Более конкретно, такие эффекты приведут к уменьшению напряжения (Voc) холостого хода, тока (Jsc) короткого замыкания и коэффициента заполнения (FF), который представляет соотношение или баланс между током и напряжением для получения эффективной мощности" (Jerry M. Olson, U.S. Patent No. 4,667,059, ʺCurrent and Lattice Matched Tandem Solar Cellʺ).

[14] Так как в отношении высокоэффективных многопереходных солнечных элементов с четырьмя или более подэлементами был достигнут прогресс, тем не менее, "принято считать, что по существу согласованные по параметру решетки конструкции являются желательными, поскольку они обладают доказанной надежностью и используют меньше полупроводникового материала, чем метаморфические солнечные элементы, для которых требуются относительно толстые буферные слои для учета различий в постоянных решетки различных материалов" (Rebecca Elizabeth Jones - Albertus et al., U.S. Patent No. 8,962,993).

[15] В настоящем раскрытии представлены конструктивные особенности многопереходных солнечных элементов, которые отступают от такого традиционного представления с целью повышения КПД многопереходного солнечного элемента при преобразовании солнечной энергии (или фотонов) в электрическую энергию и оптимизации такого КПД в "конце срока службы".

Краткое описание чертежей

Задачи раскрытия

[16] Задача настоящего раскрытия состоит в том, чтобы обеспечить повышенную эффективность фотопреобразования в многопереходном солнечном элементе для космических применений в течение эксплуатационного срока службы фотоэлектрической системы электропитания.

[17] Другая задача настоящего раскрытия состоит в том, чтобы выполнить многопереходный солнечный элемент, в котором состав подэлементов и их значения ширины запрещенной зоны выполнены с возможностью максимизации КПД солнечного элемента в рабочих условиях при заданной высокой температуре (в частности, в диапазоне 40-70 градусов по Цельсию) при развертывании в космосе при спектре солнечного излучения с учетом только одного солнца AM0 в заданное время (EOL) после первоначального развертывания, причем такой период времени может составлять по меньшей мере один год, пять, десять, пятнадцать или двадцать лет и не максимизироваться во время первоначального развертывания (BOL).

[18] Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить солнечный элемент с четырьмя переходами, в котором средняя ширина запрещенной зоны всех четырех элементов, то есть, сумма четырех значений ширины запрещенной зоны каждого подэлемента, деленная на четыре, больше 1,35 эВ.

[19] Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить солнечный элемент с четырьмя переходами, в котором нижние два подэлемента рассогласованы по параметру решетки, и в котором ток, протекающий через нижний подэлемент, преднамеренно рассчитан таким образом, чтобы быть по существу больше тока, протекающего через верхние три подэлемента, при измерении в "начале срока службы" или во время первоначального развертывания.

[20] Некоторые реализации настоящего раскрытия могут включать или реализовать меньшее количество аспектов и признаков, указанных в вышеперечисленных задачах.

Признаки изобретения

[21] Все диапазоны числовых параметров, изложенных в настоящем раскрытии, следует понимать как охватывающие любые и все поддиапазоны или "промежуточные обобщения", включенные в них. Например, установленный диапазон "1,0-2,0 эВ" для значения ширины запрещенной зоны должен рассматриваться как включающий в себя любые и все поддиапазоны, начиная с минимального значения 1,0 эВ или более и заканчивая максимальным значением 2,0 эВ или менее, например, 1,0-1,2, или 1,3-1,4 или 1,5-1,9 эВ.

[22] Вкратце и в общих чертах, настоящее раскрытие обеспечивает многопереходный солнечный элемент, содержащий: подложку для выращивания; первый солнечный подэлемент (D), сформированный поверх или в подложке для выращивания; изменяющийся промежуточный слой, осажденный поверх первого солнечного подэлемента; и ряд слоев полупроводникового материала, осажденных поверх изменяющегося промежуточного слоя, содержащего множество солнечных подэлементов, включая второй солнечный подэлемент (C), расположенный поверх и рассогласованный по параметру решетки по отношению к подложке для выращивания и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,9-1,8 эВ, и по меньшей мере верхний солнечный подэлемент (A), расположенный поверх второго подэлемента и имеющий содержание алюминия более 30% мольной доли и ширину запрещенной зоны в диапазоне 2,0-2,20 эВ; где изменяющийся промежуточный слой изменяется по своему составу для согласования по параметру решетки подложки для выращивания с одной стороны и второго солнечного подэлемента с другой стороны и состоит из любого из полупроводниковых соединений элементов III-V групп на основе As, P, N, Sb с учетом ограничений, связанных с тем, что его параметр решетки в плоскости по всей его толщине должен быть больше или равен параметру решетки в плоскости подложки для выращивания; где сочетание составов и значений ширины запрещенной зоны солнечных подэлементов предназначено для максимизации КПД солнечного элемента в заданное время после первоначального развертывания, когда солнечный элемент развертывается в космосе при AM0, при переносе электронов энергией 1 МэВ, эквивалентном флюенсу по меньшей мере 5×10¹⁴ э/см², и при рабочей температуре в диапазоне 40-70 градусов по Цельсию, при этом заданное время составляет по меньшей мере пять лет и упоминается как конец срока службы (EOL).

[23] Следует отметить, что при такой последовательности размещения солнечных подэлементов перечисление предусматривает по меньшей мере три подэлемента, предполагая, что многопереходный солнечный элемент может представлять собой многопереходный солнечный элемент с тремя переходами, четырьмя переходами, пятью переходами или более переходами.

[24] В другом аспекте (и используя альтернативную терминологию для определения и установления очередности "первого", "второго", "третьего" и "четвертого" подэлементов A, B, C и D, соответственно, чем те, которые используются в предыдущих абзацах), настоящее раскрытие обеспечивает солнечный элемент с четырьмя переходами, содержащий верхний первый солнечный подэлемент (A), состоящий из полупроводникового материала, имеющего первую ширину запрещенной зоны; второй солнечный подэлемент (B), прилегающий к упомянутому первому солнечному подэлементу и состоящий из полупроводникового материала, имеющего вторую ширину запрещенной зоны, которая меньше первой ширины запрещенной зоны и согласована по параметру решетки с верхним первым солнечным подэлементом; третий солнечный подэлемент (C), прилегающий к упомянутому второму солнечному подэлементу и состоящий из полупроводникового материала, имеющего третью ширину запрещенной зоны, которая меньше второй ширины запрещенной зоны и согласованного по параметру решетки со вторым солнечным подэлементом; и четвертый или нижний солнечный подэлемент (D), прилегающий к упомянутому третьему солнечному подэлементу и состоящий из полупроводникового материала, имеющего четвертую ширину запрещенной зоны, которая меньше третьей ширины запрещенной зоны; где средняя ширина запрещенной зоны всех четырех подэлементов (то есть сумма четырех значений ширины запрещенной зоны каждого подэлемента, деленная на четыре) больше 1,35 эВ.

[25] В другом аспекте настоящее раскрытие обеспечивает солнечный элемент с четырьмя переходами, пригодный для использования в космических условиях и предназначенный для работы при AM0 и при переносе электронов энергией 1 МэВ, эквивалентном флюенсу по меньшей мере 1×10¹⁴ э/см², причем солнечный элемент содержит подэлементы, в которых сочетание составов и значение ширины запрещенной зоны подэлементов предназначено для максимизации КПД солнечного элемента в заданное время после первоначального развертывания, когда солнечный элемент развернут в космосе, при рабочей температуре в диапазоне 40-70 градусов по Цельсию, при этом заданный период времени составляет по меньшей мере пять лет и упоминается как "конец срока службы" (EOL). Более конкретно, солнечный элемент содержит: верхний первый солнечный подэлемент (A), состоящий из фосфида алюминия-индия-галлия и имеющий первую ширину запрещенной зоны в диапазоне 2,0-2,2 эВ; второй солнечный подэлемент (B), прилегающий к упомянутому первому солнечному подэлементу и включающий в себя эмиттерный слой, состоящий из фосфида индия-галлия или арсенида алюминия-индия-галлия, и базовый слой, состоящий из арсенида алюминия-индия-галлия, имеющий вторую ширину запрещенной зоны в диапазоне приблизительно 1,55-1,8 эВ и согласованный по параметру решетки с верхним первым солнечным подэлементом, причем эмиттерный и базовый слои второго солнечного подэлемента образуют фотоэлектрический переход; третий солнечный подэлемент (C), прилегающий к упомянутому второму солнечному подэлементу, состоящий из арсенида индия-галлия, имеющий третью ширину запрещенной зоны меньше, чем у второго солнечного подэлемента, и согласованный по параметру решетки со вторым солнечным подэлементом; и четвертый или нижний солнечный подэлемент (D), прилегающий к упомянутому третьему солнечному подэлементу, состоящий из германия и имеющий четвертую ширину запрещенной зоны приблизительно 0,67 эВ; где средняя ширина запрещенной зоны солнечного элемента (то есть среднее число или числовая сумма значений ширины запрещенной зоны каждого из этих четырех подэлементов, деленная на четыре) равна или больше 1,35 эВ.

[26] В некоторых вариантах осуществления четвертым подэлементом является германий.

[27] В некоторых вариантах осуществления второй подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 1,73 эВ, и верхний первый солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 2,10 эВ.

[28] В некоторых вариантах осуществления верхний первый солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 2,05-2,10 эВ, второй солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,55-1,73 эВ; и третий солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,15-1,41 эВ.

[29] В некоторых вариантах осуществления верхний первый солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 2,10, второй солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 1,73 эВ; и третий солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,41 эВ.

[30] В некоторых вариантах осуществления верхний первый солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 2,10, второй солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 1,65 эВ; и третий солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны 1,3 эВ.

[31] В некоторых вариантах осуществления верхний первый солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 2,05, второй солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 1,55 эВ; и третий солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны 1,2 эВ.

[32] В некоторых вариантах осуществления первый солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны 2,05 эВ.

[33] В некоторых вариантах осуществления ширина запрещенной зоны третьего солнечного подэлемента меньше 1,41 эВ и больше у четвертого подэлемента.

[34] В некоторых вариантах осуществления третий солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,15-1,35 эВ.

[35] В некоторых вариантах осуществления третий солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,1-1,2 эВ.

[36] В некоторых вариантах осуществления третий солнечный подэлемент имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 1,2 эВ.

[37] В некоторых вариантах осуществления верхний первый солнечный подэлемент состоит из фосфида алюминия-индия-галлия; второй солнечный подэлемент включает в себя эмиттерный слой, состоящий из фосфида индия-галлия или арсенида алюминия-индия-галлия, и базовый слой, состоящий из арсенида алюминия-индия-галлия; третий солнечный подэлемент состоит из арсенида индия-галлия; и четвертый подэлемент состоит из германия.

[38] В некоторых вариантах осуществления дополнительно предусмотрен слой распределенного брэгговского отражателя (DBR), расположенного рядом и между третьим и четвертым или нижним солнечным подэлементом и расположенного таким образом, чтобы свет мог проникать и проходить через третий солнечный подэлемент, и по меньшей мере часть света могла бы отражаться назад в третий солнечный подэлемент от слоя DBR.

[39] В некоторых вариантах осуществления слой DBR состоит из множества чередующихся слоев из согласованных по параметру решетки материалов со скачкообразным изменением их соответствующих показателей преломления.

[40] В некоторых вариантах осуществления разность показателей преломления между чередующимися слоями слоя DBR максимизируется для того, чтобы минимизировать число периодов, требуемых для достижения заданного коэффициента отражения, и толщина и показатель преломления каждого периода определяют полосу заграждения и ее предельную длину волны.

[41] В некоторых вариантах осуществления слой DBR включает в себя первый слой DBR, состоящий из множества подслоев In_zAl_xGa_1-x-zAs p-типа, и второй слой DBR, расположенный поверх первого слоя DBR и состоящий из множества подслоев In_wAl_yGa_1-y-xAs p-типа, где 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, и y больше x, поэтому первый и второй слои DBR отличаются по своему составу, тем самым увеличивая ширину полосы пропускания при отражении слоя DBR.

[42] В некоторых вариантах осуществления выбор состава подэлементов и их значений ширины запрещенной зоны максимизирует КПД при высокой температуре (в диапазоне 40-70 градусов по Цельсию) при развертывании в космосе в заданное время после первоначального развертывания (которое упоминается как начало срока службы или (BOL)), причем такое заданное время упоминается как конец срока службы (EOL) и составляет по меньшей мере пять лет.

[43] В некоторых вариантах осуществления крайний верхний или верхний первый солнечный подэлемент состоит из базового слоя (In_xGa_1-x)_1-yAl_yP, где x равен 0,505, и y равен 0,142, что соответствует ширине запрещенной зоны 2,10 эВ, и эмиттерного слоя (In_xGa_1-x)_1-yAl_yP, где x равен 0,505, и y равен 0,107, что соответствует ширине запрещенной зоны 2,05 эВ.

[44] В некоторых вариантах осуществления дополнительно предусмотрен промежуточный слой (или "изменяющийся промежуточный слой"), расположенный между третьим подэлементом и четвертым подэлементом или нижним подэлементом, причем промежуточный слой изменяется по своему составу для согласования по параметру решетки третьего солнечного подэлемента с одной стороны и четвертого или нижнего солнечного подэлемента с другой стороны и состоит из любого из полупроводниковых соединений элементов III-V групп на основе As, P, N, Sb с учетом ограничений, связанных с тем, что параметр решетки в плоскости должен быть больше или равен параметру решетки в плоскости четвертого или нижнего солнечного подэлемента, и энергия запрещенной зоны должна быть больше, чем у четвертого солнечного подэлемента.

[45] В некоторых вариантах осуществления промежуточный слой (или "изменяющийся промежуточный слой") ступенчато изменяется по своему составу от одного до четырех скачков для согласования по параметру решетки третьего солнечного подэлемента с одной стороны и четвертого или нижнего солнечного подэлемента с другой стороны и состоит из In_xGa_1-xAs или (In_xGa_1-x)_yAl_1-yAs, где 0 < x < 1, 0 < y < 1, и x и y выбраны таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны находилась в диапазоне 1,15-1,41 эВ по всей ее толщине.

[46] В некоторых вариантах осуществления изменяющийся промежуточный слой имеет постоянную ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,15-1,41 эВ, 1,2-1,35 эВ или 1,25-1,30 эВ.

[47] В некоторых вариантах осуществления любой из 1) эмиттерного слоя или 2) базового слоя и эмиттерного слоя верхнего первого солнечного подэлемента имеет постоянную решетку, которая отличается от постоянной решетки второго солнечного подэлемента.

[48] В некоторых вариантах осуществления каждый подэлемент включает в себя область эмиттера и область базы, и один или несколько из крайних верхних или самых верхних подэлементов имеют область базы, имеющую постепенное изменение легирования, которое экспоненциально возрастает от 1×10¹⁵ атомов на кубический сантиметр в области, прилегающей к p-n переходу, до 4×10¹⁸ атомов на кубический сантиметр в области, прилегающей к смежному слою с задней стороны области базы, и область эмиттера, имеющую постепенное изменение легирования, которое уменьшается приблизительно от 5×10¹⁸ атомов на кубический сантиметр в области эмиттера, непосредственно прилегающей к смежному слою подэлемента, до 5×10¹⁷ атомов на кубический сантиметр в области эмиттера, прилегающей к p-n переходу.

[49] В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из крайних верхних подслоев изменяющегося промежуточного слоя имеет более высокое значение постоянной решетки, чем у смежных слоев тела полупроводника в верхнем подслое изменяющегося промежуточного слоя, расположенного поверх изменяющегося промежуточного слоя.

[50] В некоторых вариантах осуществления разность постоянных решетки между смежными третьим и четвертым или нижним подэлементами находится в диапазоне 0,1-0,2 Ангстрема.

[51] В некоторых вариантах осуществления дополнительно предусмотрен первый слой подавления образования прорастающих дислокаций, имеющий толщину в диапазоне 0,10-1,0 микрона и расположенный поверх упомянутого четвертого или нижнего солнечного подэлемента и под изменяющимся промежуточным слоем.

[52] В некоторых вариантах осуществления дополнительно предусмотрен второй слой подавления образования прорастающих дислокаций, имеющий толщину в диапазоне 0,10-1,0 микрона и состоящий из InGa(Al)P, причем второй слой подавления образования прорастающих дислокаций расположен поверх и непосредственно прилегает к упомянутому изменяющемуся промежуточному слою для уменьшения распространения прорастающих дислокаций, при этом упомянутый второй слой подавления образования прорастающих дислокаций имеет состав, который отличается от состава первого слоя подавления образования прорастающих дислокаций и отличается от смежного изменяющегося промежуточного слоя.

[53] В другом аспекте настоящее раскрытие обеспечивает способ изготовления солнечного элемента с четырьмя переходами, содержащий выполнение германиевой подложки, образующей первый подэлемент; выращивание на германиевой подложке ряда слоев полупроводникового материала с использованием процесса осаждения полупроводника для формирования солнечного элемента, содержащего множество подэлементов, включая второй подэлемент, расположенный поверх германиевой подложки, рассогласованный с ней по параметру решетки и имеющий ширину запрещенной зоны 1,41 эВ или менее, третий подэлемент, расположенный поверх второго подэлемента и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне приблизительно 1,55-1,8 эВ, и верхний подэлемент, расположенный поверх третьего подэлемента и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне 2,0-2,15 эВ.

[54] В некоторых вариантах осуществления один или более дополнительных слоев можно добавить или удалить в структуре элемента без отклонения от объема настоящего раскрытия.

[55] Некоторые реализации настоящего раскрытия могут включать в себя или реализовывать меньшее количество аспектов и признаков, указанных в вышеизложенной сущности изобретения.

Краткое описание чертежей

[56] Изобретение станет более понятным путем ссылки на последующее подробное описание, при совместном рассмотрении с сопроводительными чертежами, на которых:

[57] на фиг.1 показан график, представляющий собой значения BOL параметра Eg/q - Voc при температуре 28°C, нанесенные на график, в зависимости от ширины запрещенной зоны некоторых двухкомпонентных материалов, определенных вдоль оси X;

[58] на фиг.2 показан вид в поперечном разрезе солнечного элемента первого варианта осуществления солнечного элемента с четырьмя переходами после нескольких стадий изготовления, включая осаждение некоторых полупроводниковых слоев на подложке для выращивания до контактного слоя, согласно настоящему раскрытию;

[59] на фиг.3 показан график профиля легирования в базовом и эмиттерном слоях подэлемента в солнечном элементе согласно настоящему раскрытию;

[60] на фиг.4А показан вид в поперечном разрезе второго варианта осуществления солнечного элемента с четырьмя переходами после нескольких стадий изготовления, включая выращивание некоторых полупроводниковых слоев на подложке для выращивания до контактного слоя, согласно настоящему раскрытию;

[61] на фиг.4B показан вид в поперечном разрезе третьего варианта осуществления солнечного элемента с четырьмя переходами после нескольких стадий изготовления, включая выращивание некоторых полупроводниковых слоев на подложке для выращивания до контактного слоя, согласно настоящему раскрытию;

[62] на фиг.5 показан вид в поперечном разрезе четвертого варианта осуществления солнечного элемента с четырьмя переходами после нескольких стадий изготовления, включая выращивание некоторых полупроводниковых слоев на подложке для выращивания до контактного слоя, согласно настоящему раскрытию;

[63] на фиг.6 показан вид в поперечном разрезе солнечного элемента настоящего раскрытия, как реализованного в CIC и установленного на панели;

[64] на фиг.7 показан график, представляющий ширину запрещенной зоны некоторых двухкомпонентных материалов и их постоянные решеток; и

[65] на фиг.8 показан вид в увеличенном масштабе части графика (фиг.7), иллюстрирующий различные соединения GaInAs и GaInP с различными пропорциями галлия и индия и точки размещения конкретных соединений на графике.

Подробное описание изобретения

[66] Целый ряд различных признаков многопереходных солнечных элементов раскрыт в родственных заявках заявителя. Некоторые, многие или все такие признаки могут быть включены в структуры и процессы, связанные с "вертикальными" метаморфическими многопереходными солнечными элементами настоящего раскрытия. Однако, более конкретно, настоящее раскрытие направлено на изготовление многопереходного солнечного элемента, выращенного на одной подложке для выращивания, в том числе в одном варианте осуществления на два нижних подэлемента, то есть четвертый и третий подэлементы согласованы по параметру решетки. Однако в некоторых вариантах осуществления настоящее раскрытие относится, более конкретно, к солнечным элементам с четырьмя переходами с запрещенными зонами с прямыми переходами в диапазоне 2,0-2,15 эВ (или выше) для верхнего первого подэлемента и 1) 1,65-1,8 эВ и 2) 1,41 эВ или менее для второго и третьего подэлементов, соответственно, и запрещенных зон с непрямыми переходами 0,6-0,8 эВ для нижнего четвертого подэлемента.

[67] Настоящее раскрытие обеспечивает нетрадиционную структуру с четырьмя переходами (с тремя выращенными подэлементами, согласованными по параметру решетки, которые согласованы по параметру решетки с четвертым или нижним подэлементом Ge подложкой), что приводит к неожиданному значительному улучшению повышения производительности по сравнению с традиционным солнечным элементом с тремя переходами несмотря на то, что между верхними тремя переходами и нижним Ge переходом, то есть четвертым подэлементом, имеется существенное рассогласование по току. Это повышение производительности особенно реализуется при высокой температуре и после высокого облучения космической радиацией за счет предложения по включению полупроводников с высокими значениями ширины запрещенной зоны, которые по своей природе являются более устойчивыми к радиации и температуре, тем самым конкретно рассматривая проблему обеспечения непрерывной адекватной эффективности и выходной мощности в течение всего эксплуатационного полета и особенно в "конце срока службы".

[68] Другой способ, характеризующий настоящее раскрытие, состоит в том, что в некоторых вариантах осуществления солнечного элемента с четырьмя переходами, средняя ширина запрещенной зоны всех четырех подэлементов (то есть сумма четырех значений ширины запрещенной зоны каждого подэлемента, деленная на четыре) больше 1,35 эВ.

[69] В некоторых вариантах осуществления четвертым подэлементом является германий, тогда как в других вариантах осуществления четвертым подэлементом является InGaAs, GaAsSb, InAsP, InAlAs, или SiGeSn, InGaAsN, INGaAsNSb, INGaAsNBi, InGaAsNSbBi, InGaSbN, InGaBiN, InGaSbBiN или другой полупроводниковый материал на основе соединений элементов III-V или II-VI групп.

[70] Другой описательный аспект настоящего раскрытия состоит в том, чтобы охарактеризовать четвертый подэлемент или нижний подэлемент, как имеющий запрещенную зону с прямыми переходами больше, чем 0,75 эВ.

[71] Запрещенная зона с непрямыми переходами германия при комнатной температуре составляет приблизительно 0,66 эВ, в то время как запрещенная зона с прямыми переходами германия при комнатной температуре составляет 0,8 эВ. Специалисты в данной области техники обычно указывают "ширину запрещенной зоны" германия, равную 0,67 эВ, так как она ниже, чем значение запрещенной зоны с прямыми переходами, равное 0,8 эВ.

[72] Таким образом, ссылка на то, что "четвертый подэлемент или нижний подэлемент имеет запрещенную зону с прямыми переходами больше, чем 0,75 эВ", явно подразумевает включение германия как возможного полупроводника для четвертого или нижнего подэлемента, хотя с таким же успехом можно использовать и другой полупроводниковый материал.

[73] Более конкретно, настоящее раскрытие предусматривает относительно простую и воспроизводимую технологию, которая не использует инвертированную обработку, связанную с изготовлением инвертированных метаморфических многопереходных солнечных элементов, и подходит для использования в условиях крупносерийного производства, в которых выращиваются различные полупроводниковые слои на подложке для выращивания в реакторе MOCVD, и последующие этапы обработки определяются и выбираются для минимизации любого физического ущерба качеству осажденных слоев, тем самым обеспечивая относительно высокий выход работоспособных солнечных элементов, отвечающих техническим требованиям по завершению процессов изготовления.

[74] Как было предложено выше, дополнительные улучшения при проектировании многопереходных солнечных элементов производятся с учетом проблем, связанных с большим разнообразием требований к новым космическим программам и применениям. Более того, хотя такие улучшения могут представлять собой относительно небольшие количественные изменения в составе или ширине запрещенной зоны некоторых подэлементов, такие незначительные параметрические изменения (например, от 0,1 до 0,5 эВ в конкретных значениях ширины запрещенной зоны верхнего первого подэлемента или третьего подэлемента) обеспечивают существенные повышения КПД, которые, в частности, решают "проблемы", которые были обнаружены в связи с существующими современными коммерческими многопереходными солнечными элементами, и обеспечивают "решение", которое представляет "изобретательский уровень" в процессе проектирования.

[75] Один аспект настоящего раскрытия относится к использованию алюминия в активных слоях верхних подэлементов в многопереходном солнечном элементе. Эффекты увеличения количества алюминия как составляющего элемента в активном слое подэлемента влияют на производительность фотоэлектрического устройства. Одним из критериев "качества" или "совершенства" перехода солнечного элемента является разность между шириной запрещенной зоны полупроводникового материала в этом подэлементе или переходе и напряжением Voc или напряжением холостого хода того же самого перехода. Чем меньше разность, тем выше Voc перехода солнечного элемента относительно ширины запрещенной зоны и выше производительность устройства. Напряжение Voc очень чувствительно к качеству полупроводникового материала, поэтому, чем меньше Eg/q - Voc устройства, тем выше качество материала в этом устройстве. Для этой разности существует теоретический предел, известный как предел Шокли-Квайссера. Это очень хорошо, что переход солнечного элемента может находиться при заданной концентрации света и заданной температуре.

[76] Экспериментальные данные, полученные для солнечных элементов с одним переходом на основе (Al)GaInP, показывают, что увеличение содержания Al в этом переходе (соответствующем крайнему верхнему или самому верхнему подэлементу) приводит к большей разности Voc - Eg/q, что указывает на то, что качество материала соединения уменьшается с увеличением содержания Al. На фиг.1 показан этот эффект. Все три композиции, приведенные на фигуре, согласованы по параметру решетки с GaAs, но имеют отличающийся состав Al. Добавление Al увеличивает ширину запрещенной зоны перехода, но при этом также увеличивается Voc - Eg/q. Следовательно, можно сделать вывод, что добавление Al в полупроводниковый материал приводит к ухудшению этого материала таким образом, что устройство солнечного элемента, изготовленное из этого материала, не работает так хорошо, как переход с меньшим количеством Al.

[77] Обращаясь к устройству многопереходного солнечного элемента настоящего раскрытия, на фиг.2 показан вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления солнечного элемента с четырьмя переходами 200 после нескольких стадий изготовления, включая выращивание некоторых полупроводниковых слоев на подложке для выращивания до контактного слоя 322, согласно настоящему раскрытию.

[78] Как показано на фиг.2 в проиллюстрированном примере, четвертый или нижний подэлемент D включает в себя подложку 300 для выращивания, сформированную из германия ("Ge") p-типа, которая также служит базовым слоем. Задняя металлическая контактная площадка 350, образованная на нижней части базового слоя 300, обеспечивает электрический контакт с многопереходным солнечным элементом 200. Нижний подэлемент D дополнительно включает в себя, например, высоколегированный эмиттерный слой 301 Ge n-типа и зародышевый слой 302 на основе арсенида индия-галлия ("InGaAs") n-типа. Зародышевый слой осаждается поверх базового слоя, и эмиттерный слой образуется в подложке путем диффузии легирующих примесей в подложку Ge, формируя тем самым слой 301 Ge n-типа. Слои 304, 303 с туннельным переходом на основе сильнолегированного арсенида алюминия-галлия ("AlGaAs") p-типа и сильнолегированного арсенида галлия ("GaAs") n-типа могут быть осаждены поверх зародышевого слоя, чтобы обеспечить низкоомный путь между нижним четвертым подэлементом и третьим подэлементом.

[79] В некоторых вариантах осуществления затем выращивают слои 305 распределенного брэгговского отражателя (DBR), смежные с и расположенные между туннельным диодом 303, 304 нижнего четвертого подэлемента D и третьим солнечным подэлементом C. Слои 305 DBR размещаются таким образом, чтобы свет мог проникать и проходить через третий солнечный подэлемент C, и по меньшей мере часть его могла бы отражаться назад в третий солнечный подэлемент C от слоев 305 DBR. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, слои 305 распределенного брэгговского отражателя (DBR) специально расположены между третьим солнечным подэлементом C и слоями 304, 303 туннельных диодов; в других вариантах осуществления слои распределенного брэгговского отражателя (DBR) могут располагаться между слоями 304/303 туннельных диодов и буферным слоем 302.

[80] В некоторых вариантах осуществления слои 305 распределенного брэгговского отражателя (DBR) могут состоять из множества чередующихся слоев 305a-305z из согласованных по параметру решетки материалов со скачкообразным изменением их соответствующих показателей преломления. В некоторых вариантах осуществления разность показателей преломления между чередующимися слоями максимизируется для того, чтобы минимизировать количество периодов, требуемых для достижения заданного коэффициента отражения, и толщина и показатель преломления каждого периода определяют полосу заграждения и ее предельную длину волны.

[81] В некоторых вариантах осуществления слои 305a-305z распределенного брэгговского отражателя (DBR) включают в себя первый слой DBR, состоящий из множества слоев In_zAl_xGa_1-x-zAs p-типа, и второй слой DBR, расположенный поверх первого слоя DBR и состоящий из множества слоев In_wAl_yGa_1-y-wAs p-типа, где 0 < w < 1, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, и y больше x.

[82] Хотя в настоящем раскрытии показан слой 305 DBR, расположенный между третьим и четвертым подэлементами, в других вариантах осуществления слои DBR могут быть расположены между первым и вторым подэлементами, и/или между вторым и третьим подэлементами и/или между третьим и четвертым подэлементами.

[83] В проиллюстрированном примере, показанном на фиг.2, третий подэлемент C включает в себя высоколегированный слой 306 поля на тыльной поверхности ("BSF") на основе арсенида алюминия-индия-галлия ("AlInGaAs") p-типа, базовый слой 307 InGaAs p-типа, высоколегированный эмиттерный слой 308 арсенида индия-галлия ("InGaAs") n-типа и высоколегированный слой 309 окна на основе фосфида алюминия-индия ("AlInP2") n-типа или фосфида галлия-индия ("GaInP"). Базовый слой 307 InGaAs подэлемента C может включать в себя, например, приблизительно 1,5% In. Можно также использовать другие составы. Базовый слой 307 формируется поверх слоя 306 BSF после осаждения слоя BSF поверх слоев 305 DBR.

[84] Слой 309 окна осаждается на эмиттерный слой 308 третьего подэлемента C. Слой 309 окна в третьем подэлементе C также помогает уменьшить рекомбинационные потери и улучшает пассивацию поверхности элемента расположенных ниже переходов. Слои 310, 311 туннельных переходов сильнолегированных InGaP n-типа и AlGaAs p-типа (или других подходящих композиций) могут быть осаждены поверх подэлемента C перед осаждением слоев подэлемента B.

[85] Второй подэлемент B включает в себя высоколегированный слой 312 поля на тыльной поверхности ("BSF") на основе арсенида алюминия-галлия-индия ("AlInGaAs") p-типа, базовый слой 313 AlInGaAs p-типа, высоколегированный слой 314 фосфида индия-галия ("InGaP2") или AlInGaAs n-типа и высоколегированный слой 315 окна на основе фосфида алюминия-индия-галлия ("AlGaAlP") n-типа. Эмиттерный слой 314 InGaP второго подэлемента B может включать в себя, например, приблизительно 50% In. Можно использовать также и другие составы.

[86] Сильнолегированные слои 316, 317 туннельных переходов на основе InGaP n-типа и AlGaAs p-типа могут быть осаждены на второй подэлемент B перед осаждением слоев верхнего первого подэлемента A.

[87] В иллюстрированном примере, крайний верхний или самый верхний первый подэлемент включает в себя высоколегированный слой 318 BSF фосфида алюминия-индия ("InAlP2") p-типа, базовый слой 319 InGaAlP p-типа, высоколегированный эмиттерный слой 320 InGaAlP n-типа и высоколегированный слой 321 окна InAlP2 n-типа. Базовый слой 319 первого подэлемента осаждается поверх слоя 318 BSF после формирования слоя 318 BSF.

[88] После осаждения верхнего защитного или контактного слоя 322 линии координатной сетки формируются путем испарения, нанесения рисунка литографским способом и осаждаются поверх верхнего защитного или контактного слоя 322.

[89] В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере база по меньшей мере одного из первого, второго или третьего солнечных подэлементов имеет изменяющийся профиль легирования, то есть уровень легирования изменяется от одной поверхности до другой по всей толщине базового слоя. В некоторых вариантах осуществления постепенное изменение легирования осуществляется по экспоненциальному закону. В некоторых вариантах осуществления постепенное изменение легирования является возрастающим и монотонным.

[90] В некоторых вариантах осуществления эмиттер по меньшей мере одного из второго, третьего или четвертого солнечных подэлементов (C, B или A, соответственно) также имеет изменяющийся профиль легирования, то есть уровень легирования изменяется от одной поверхности до другой по всей толщине эмиттерного слоя. В некоторых вариантах осуществления постепенное изменение легирования линейно или монотонно уменьшается.

[91] В качестве конкретного примера на фиг.3 показан профиль легирования эмиттерного и базового слоев, который изображает количество легирующей примеси в эмиттерной области и базовой области подэлемента. Легирующие примеси n-типа включают в себя кремний, селен, серу, германий или олово. Легирующие примеси p-типа включают в себя кремний, цинк, хром или германий.

[92] Как показано в примере на фиг.3, в некоторых вариантах осуществления один или более подэлементов (C, B или A) имеют базовую область, имеющую постепенное изменение легирования, которое увеличивается от значения в диапазоне 1×10^15-1×10¹⁸ свободных носителей на кубический сантиметр в области, прилегающей к p-n переходу, до значения в диапазоне 1×10^16-4×10¹⁸ свободных носителей на кубический сантиметр в области, прилегающей к смежному слою с задней части базы, и эмиттерную область, которая имеет постепенное изменение легирования, которое уменьшается от значения в диапазоне приблизительно 5×10^18-1×10¹⁷ свободных носителей на кубический сантиметр в области, непосредственно прилегающей к смежному слою, до значения в диапазоне 5×10^15-1×10¹⁸ свободных носителей на кубический сантиметр в области, прилегающей к p-n переходу.

[93] Жирные линии 612 и 613, показанные на фиг.3, иллюстрируют один вариант осуществления легирования базы, имеющего экспоненциальное изменение, и легирование эмиттера, изменяющееся по линейному закону.

[94] Таким образом, уровень легирования по всей толщине базового слоя может экспоненциально изменяться в диапазоне от 1×10¹⁶ свободных носителей на кубический сантиметр до 1×10¹⁸ свободных носителей на кубический сантиметр, как представлено кривой 613, изображенной на фигуре.

[95] Аналогичным образом, уровень легирования по всей толщине эмиттерного слоя может линейно снижаться от 5×10¹⁸ свободных носителей на кубический сантиметр до 5×10¹⁷ свободных носителей на кубический сантиметр, как представлено кривой 612, изображенной на фигуре.

[96] Абсолютное значение поля сбора, генерируемого экспоненциальным градиентом легирования exp[-x/λ], задается постоянным электрическим полем с амплитудой E=kT/q(1/λ))(exp[-xb/λ]), где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура в градусах Кельвина, q - абсолютное значение электронного изменения, и λ - характеристика параметра постепенного снижения уровня легирования.

[97] Эффективность варианта осуществления настоящего раскрытия распределения легирования была продемонстрирована в испытательном солнечном элементе, который включал экспоненциальный профиль легирования в подэлементе с базовым слоем толщиной три микрона согласно одному варианту осуществления.

[98] Экспоненциальный профиль легирования, предложенный в одном варианте осуществления настоящего раскрытия, создает постоянное поле в легированной области. В конкретных материалах многопереходных солнечных элементов и структуре настоящего раскрытия нижний подэлемент имеет наименьший ток короткого замыкания среди всех подэлементов. Так как в многопереходном солнечном элементе отдельные подэлементы расположены друг над другом и образуют последовательную цепь, общий ток, протекающий во всем солнечном элементе, ограничивается, таким образом, наименьшим током, вырабатываемым в любом из подэлементов. Таким образом, при увеличении тока короткого замыкания в нижнем элементе, ток вплотную приближается к току подэлементов, расположенных выше, а также повышается общий КПД солнечного элемента. В многопереходном солнечном элементе с повышенным КПД реализация настоящей компоновки легирования приведет при этом к повышению КПД. В дополнение к повышению КПД, поле сбора, создаваемое экспоненциальным профилем легирования, повысит радиационную стойкость солнечного элемента, что важно для приложений, связанных с космическими летательными аппаратами.

[99] Хотя экспоненциально легируемый профиль представляет собой проектное решение легирования, которое было реализовано и проверено, другие профили легирования могут привести к линейно изменяющемуся полю сбора, которое может предусматривать и другие преимущества. Например, другой профиль легирования может создавать линейное поле в легированной области, которое будет предпочтительным как для сбора неосновных носителей, так и для радиационной стойкости в конце срока службы (EOL) солнечного элемента. Такие другие профили легирования в одном или более базовых слоях находятся в пределах объема настоящего раскрытия.

[100] Профиль легирования, изображенный здесь, является просто иллюстративным, и могут использоваться другие более сложные профили, как будет очевидно специалистам в данной области техники без отклонения от объема настоящего изобретения.

[101] На фиг.4А показан вид в поперечном разрезе второго варианта осуществления солнечного элемента с четырьмя переходами 400 после нескольких стадий изготовления, включая выращивание некоторых полупроводниковых слоев на подложке для выращивания до контактного слоя 322 с различными подэлементами, аналогичными структуре, описанной и изображенной на фиг.2. С целью краткости изложения описание слоев 350, 300-304 и 306-322 не будет повторяться здесь.

[102] В варианте осуществления, показанном на фиг.4А, изменяющийся промежуточный слой 505, содержащий в одном варианте осуществления постепенно изменяющиеся подслои 505a-505z, расположен поверх слоя 304 туннельного диода. В частности, изменяющийся промежуточный слой обеспечивает переход от постоянной решетки подложки до более высокого значения постоянной решетки второго, третьего и четвертого подэлементов.

[103] Первый слой 504 "альфа" или подавления образования прорастающих дислокаций, предпочтительно состоящий из InGaP p-типа, осаждается поверх туннельного диода 303/304 до толщины от 0,10 до приблизительно 1,0 микрона. Такой альфа-слой предназначен для подавления распространения прорастающих дислокаций в направлении, противоположном направлению роста в первом подэлементе D, или в направлении роста во втором подэлементе C, и более подробно описан в публикации заявки на патент США №2009/0078309 A1 (Cornfeld et al.). В более общем смысле, альфа-слой имеет другой состав, чем смежные слои, расположенные над и под ним. Как показано на фиг.4А, ступенчатая линия слева изображает ступенчатое изменение постоянной решетки в плоскости, которое постепенно увеличивается от подслоя 505a до подслоя 505z, причем такие подслои являются полностью нерелаксированными.

[104] Метаморфический слой (или изменяющийся промежуточный слой) 505 осаждается поверх альфа-слоя 504 с использованием поверхностно-активного вещества. Слой 505 предпочтительно представляет собой ступенчато изменяющийся по своему составу ряд слоев InGaAs или InGaAlAs p-типа, предпочтительно с монотонно изменяющейся постоянной решетки с тем, чтобы достичь постепенного перехода постоянной решетки в полупроводниковой структуре от четвертой подэлемента D до третьего подэлемента C при минимизации возникновения прорастающих дислокаций. В одном варианте осуществления ширина запрещенной зоны слоя 505 является постоянной по всей его толщине, предпочтительно приблизительно равна 1,22-1,34 эВ или иным образом согласована со значением, немного превышающим ширину запрещенной зоны третьего подэлемента C. В другом варианте осуществления ширина запрещенной зоны подслоев слоя 505 варьируется в диапазоне 1,22-1,34 эВ, причем первый слой имеет относительно высокое значение ширины запрещенной зоны, и последующие слои имеют постепенно уменьшающиеся значения ширины запрещенной зоны. В одном варианте осуществления изменяющийся промежуточный слой можно также представить как состоящий из In_xGa_1-xAs, где 0 < x < 1, 0 < y < 1, и x и y выбираются таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны промежуточного слоя оставалась постоянной в диапазоне приблизительно 1,22-1,34 эВ или была равна другому подходящему значению ширины запрещенной зоны.

[105] В одном варианте осуществления алюминий добавляется в один подслой, чтобы сделать один конкретный подслой более твердым, чем другой, тем самым вызывая дислокации в более мягком материале.

[106] При выращивании метаморфического промежуточного изменяющегося слоя 505 с помощью поверхностно-активного вещества подходящий химический элемент вводится в реактор во время выращивания слоя 505 для улучшения характеристик поверхности слоя. В предпочтительном варианте осуществления такой элемент может быть атомом легирующей или донорной примеси, таким как селен (Se) или теллур (Те). Поэтому небольшие количества Se или Te включены в метаморфический слой 406 и остаются в готовом солнечном элементе. Хотя Se или Te являются предпочтительными атомами легирующей примеси n-типа, можно также использовать и другие неизоэлектронные поверхностно-активные вещества.

[107] Рост, вызванный поверхностно-активным веществом, приводит к значительно более гладкой или планаризованной поверхности. Так как геометрия поверхности влияет на объемные свойства полупроводникового материала по мере его роста, и слой становится толще, использование поверхностно-активных веществ сводит к минимуму прорастающие дислокации в активных областях, тем самым повышая общий КПД солнечного элемента.

[108] В качестве альтернативы использованию неизоэлектронного поверхностно-активного вещества можно использовать изоэлектронное поверхностно-активное вещество. Термин "изоэлектронный" относится к поверхностно-активным веществам, таким как сурьма (Sb) или висмут (Bi), так как такие элементы имеют одинаковое число валентных электронов как атом P InGaP или атом As в InGaAlAs в метаморфическом буферном слое. Такие поверхностно-активные вещества Sb или Bi обычно не будут входить в состав метаморфического слоя 505.

[109] В одном варианте осуществления настоящего раскрытия метаморфический слой 505 состоит из множества слоев InGaAs с монотонно изменяющейся постоянной решетки, при этом каждый слой имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,22-1,34 эВ. В некоторых вариантах осуществления ширина запрещенной зоны является постоянной в диапазоне 1,27-1,31 эВ на протяжении всей толщины слоя 505. В некоторых вариантах осуществления постоянная ширина запрещенной зоны находится в диапазоне 1,28-1,29 эВ.

[110] Преимущество использования постоянного материала запрещенной зоны, такого как InGaAs, состоит в том, что полупроводниковый материал на основе арсенида намного легче обрабатывать в стандартных коммерческих реакторах MOCVD.

[111] Хотя в описанном варианте осуществления настоящего раскрытия используется множество слоев InGaAs для метаморфического слоя 505 по причинам технологичности и прозрачности для излучения, в других вариантах осуществления настоящего раскрытия могут использоваться различные материальные системы, для достижения изменения постоянной решетки от второго подэлемента C до первого подэлемента D. В других вариантах осуществления настоящего раскрытия можно использовать непрерывно изменяющиеся материалы, в отличие от ступенчато изменяющихся материалов. В более общем, смысле изменяющийся промежуточный слой может состоять из любого из полупроводниковых соединений элементов III-V групп на основе As, P, N, Sb с учетом ограничений, связанных с тем, что параметр решетки в плоскости должен быть меньше или равен параметру решетки в плоскости третьего подэлемента C и больше или равен параметру решетки в плоскости четвертого подэлемента D. В некоторых вариантах осуществления слой 505 имеет энергию запрещенной зоны, больше у третьего подэлемента C и в других вариантах осуществления имеет энергию запрещенной зоны меньше, чем у третьего подэлемента C.

[112] В некоторых вариантах осуществления второй "альфа" или слой 507 подавления образования прорастающих дислокаций, предпочтительно состоящий из GaInP p-типа, осаждается поверх метаморфического буферного слоя 505 с толщиной от 0,10 до приблизительно 1,0 микрона. Такой альфа-слой предназначен для предотвращения распространения прорастающих дислокаций либо в направлении, противоположном направлению роста в первом подэлементе D, либо в направлении роста во втором подэлементе C и более подробно описан в заявке на патент США №2009/0078309 A1 (Cornfeld et al.).

[113] В варианте осуществления, показанном на фиг.4B, изменяющийся промежуточный слой 506, содержащий в одном варианте осуществления ступенчато изменяющиеся подслои 505a-505zz, расположен поверх слоя 304 туннельного диода. В частности, изменяющийся промежуточный слой обеспечивает изменение постоянной решетки от постоянной решетки подложки и первого солнечного подэлемента до более высокого значения постоянной решетки второго, третьего и четвертого подэлементов C, B и A и отличается от варианта осуществления, показанного на фиг.4А, только тем, что крайний верхний или самый верхний подслой 505zz изменяющегося промежуточного слоя 506 является релаксированным или только частично нерелаксированным (в отличие от полностью нерелаксированных слоев, расположенных под ним), так как имеет постоянную решетки больше, чем постоянная решетки слоя, расположенного над ним, то есть альфа-слоя 507 (должен быть второй альфа-слой) или слоя 306 BSF. Короче говоря, в данном варианте осуществления существует "проскакивание" изменяющихся слоев, как изображено с левой стороны фиг.4B, что показывает, что ступенчатое изменение постоянной решетки возрастает от слоя 505a к слою 505zz.

[114] На фиг.5 показан вид в поперечном разрезе четвертого варианта осуществления солнечного элемента 500 с четырьмя переходами после нескольких этапов изготовления, включая выращивание некоторых полупроводниковых слоев на подложке для выращивания до контактного слоя 322, причем различные подэлементы, аналогичны структуре, описанной и изображенной на фиг.2, 4А и 4B.

[115] В данном варианте осуществления как промежуточный изменяющийся слой, так и слой DBR расположены между третьим подэлементом C и четвертым подэлементом D. Слои 450, 400-404, 504-507 и 305-322 по существу аналогичны тем, которые показаны на фиг.2 и фиг.4А или 4B, и их описание не нужно повторять здесь.

[116] В данном варианте осуществления слои 305 распределенного брэгговского отражателя (DBR) выращиваются рядом с и поверх альфа-слоя 507 (или метаморфического буферного слоя 506, если отсутствует слой 507). Слои 305 DBR размещаются таким образом, чтобы свет мог проникать и проходить через третий солнечный подэлемент C, и по меньшей мере часть его могла бы отражаться назад в третий подэлемент C от слоев 305 DBR. В варианте осуществления, изображенном на фиг.5, слои 305 распределенного брэгговского отражателя (DBR) специально расположены между третьим подэлементом C и метаморфическим слоем 506.

[117] В некоторых вариантах осуществления слои 305 распределенного брэгговского отражателя (DBR) могут состоять из множества чередующихся слоев 305a-305z из материалов с согласованными по параметру решетки и со скачкообразным изменением их соответствующих показателей преломления. В некоторых вариантах осуществления разность показателей преломления между чередующимися слоями максимизируется для того, чтобы минимизировать количество периодов, требуемых для достижения заданного коэффициента отражения, и толщина и показатель преломления каждого периода определяют полосу заграждения и его предельную длину волны.

[118] В некоторых вариантах осуществления слои 305 распределенного брэгговского отражателя (DBR)a-305z включают в себя первый слой DBR, состоящий из множества слоев In_zAl_xGa_1-x-zAs p-типа, и второй слой DBR, расположенный поверх первого слоя DBR и состоящий из множества слоев In_wAl_yGa_1-y-wAs p-типа, где 0 < w < 1, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, и y больше x.

[119] На фиг.6 показан вид в поперечном разрезе части сборки солнечных элементов согласно настоящему раскрытию, которая установлена на панели или опорной подложке, при этом на фигуре изображены два соседних солнечных элемента 601 и 701 и соответствующие CIC 600 и 700, соответственно.

[120] Как было отмечено выше, солнечный элемент 601, 701 для космических применений включает в себя покровное стекло 603, 703, соответственно, поверх полупроводникового устройства для обеспечения радиационно-стойкой защиты у частиц в космическом пространстве, которые могут повредить полупроводниковый материал. Покровное стекло 603, 703 представляет собой, как правило, боросиликатное стекло, легированное диоксидом церия, которое типично имеет толщину от 76 до 152 мкм и приклеивается прозрачными клеем 602, 702, соответственно, к соответствующему солнечному элементу 601, 701.

[121] Контактные площадки первого и второго типа полярности предусмотрены на каждом солнечном элементе. В одном варианте осуществления металл 604 и 704 задней стороны, соответственно, образует контакты первого типа полярности. На верхней поверхности каждого солнечного элемента металлический контакт 705 предусмотрен вдоль одного края солнечного элемента, образуя контакт второй полярности.

[122] Предусмотрено множество электрических межсоединений 607, каждое из которых состоит из полоски из материала на основе железного сплава из никеля-кобальта, гальванизированного серебром, причем каждое межсоединение приварено к соответствующей контактной площадке 612 и 705 на каждой сборке солнечных элементов для электрического соединения соседних сборок солнечных элементов массива в виде последовательной электрической цепи.

[123] Алюминиевая сотовая панель 606, имеющая углеродную композитную лицевую обшивку 605 с коэффициентом теплового расширения (CTE), который по существу является таким же, как у германия четвертого солнечного подэлемента в каждом солнечном элементе, выполнена с каждым CIC 600, 700 или сборкой солнечных элементов, установленных на ней.

[124] Другая особенность сборки солнечных элементов в варианте осуществления, показанном на фиг.6, состоит в том, что каждое покровное стекло 603, 703 имеет металлический охватывающий зажим 608, изображенный на CIC 600, который обеспечивает контакт с поверхностью покровного стекла 603 и продолжается вниз в зазоре или промежутке вдоль стороны сборки 600 солнечных элементов между CIC 600 и 700 для обеспечения электрического контакта с металлической контактной площадкой 612 на задней поверхности CIC 600, которая, в свою очередь, обеспечивает контакт с электрической землей. Таким образом, зажим 608 заземляет электрический заряд, накапливаемый на поверхности покровного стекла 603 для заземления панели или космического летательного аппарата. Другие конфигурации технологий заземления для поверхности(ей) покровных стекол 603, 703 в пределах объема настоящего раскрытия.

[125] На фиг.7 показан график, иллюстрирующий ширину запрещенной зоны некоторых двухкомпонентных материалов и их постоянных решетки. Ширина запрещенной зоны и постоянные решетки трехкомпонентных материалов расположены на линиях, проведенных между типичными связанными с ними двухкомпонентными материалами (таких как трехкомпонентный материал AlGaAs, расположенный на графике между точками GaAs и AlAs с шириной запрещенной зоны трехкомпонентного материала, находящейся между 1,42 эВ для GaAs и 2,16 эВ для AlAs в зависимости от относительного количества отдельных составляющих элементов). Таким образом, в зависимости от желательной ширины запрещенной зоны материалы, входящие в состав трехкомпонентных материалов, могут быть соответствующим образом подобраны для выращивания.

[126] На фиг.8 показан вид в увеличенном масштабе части графика, показанного на фиг.7, иллюстрирующий различные соединения GaInAs и GaInP с различными долями галлия и индия и местоположения конкретных соединений на графике.

[127] Настоящее раскрытие предусматривает многопереходный солнечный элемент, который придерживается правила проектирования, согласно которому для достижения цели повышения КПД при высоких температурах EOL следует включать как можно больше подэлементов с высокими значениями ширины запрещенной зоны. Например, подэлементы с высокими значениями ширины запрещенной зоны позволяют сохранять более высокий процент напряжения элемента при повышении температуры, тем самым обеспечивая уменьшение потерь мощности при повышении температуры. В результате, можно ожидать, что как производительность и HT-BOL, так и производительность HT-EOL примерного многопереходного солнечного элемента согласно настоящему раскрытию будет больше, чем у традиционных элементов.

[128] Для примерного солнечного элемента, описанного в данном документе, может потребоваться использование алюминия в полупроводникой композиции каждого из крайних верхних двух подэлементов. Включение алюминия широко известно в полупроводниковой промышленности для соединений элементов III-V групп для снижения производительности подэлемента BOL из-за дефектов доноров глубокого уровня более высокой компенсации легирования, более короткого времени жизни неосновных носителей, более низкого напряжения элемента и увеличенной метрики Eg/q - Voc BOL. Короче говоря, увеличение Eg/q - Voc BOL может быть самым проблемным недостатком подэлементов, содержащих алюминий; другие ограничения могут быть смягчены путем модификации графика легирования или уменьшения толщины базы.

[129] Принимая во внимание различные требования к спутникам и космическим кораблям с точки зрения эксплутационной рабочей температуры, радиационного облучения и срока эксплуатации, можно обеспечить ряд проектов подэлементов с использованием принципов проектирования настоящего раскрытия, удовлетворяя конкретные определенные требования заказчика и программы полета, и несколько иллюстративных вариантов осуществления изложены ниже наряду с вычислением их КПД в конце срока службы для целей сравнения. Как описано более подробно ниже, производительность солнечных элементов после облучения излучением были экспериментально измерены с использованием флюенса электронов 1 МэВ на квадратный сантиметр (в тексте сокращенно упоминается как э/см²) с тем, чтобы можно было провести сравнение между современными коммерческими устройствами и вариантами осуществления солнечных элементов, обсужденных в настоящем раскрытии.

[130] В качестве примера различных требований к программе полета, спутник на низкой околоземной орбите (LEO) будет, как правило, испытывать радиацию, эквивалентную флюенсу электронов 5×10¹⁴ на квадратный сантиметр (в дальнейшем используется запись "5E14 э/см²") в течение пятилетнего срока службы. Спутник на геосинхронной околоземной орбите (GEO) будет, как правило, испытывать радиацию в диапазоне 5×10¹⁴ э/см^2-1×10¹⁵ э/см² в течение пятнадцатилетнего срока службы.

[131] Например, КПД (%) элемента, измеренный при комнатной температуре (RT) 28°C и высокой температуре (HT) 70°C в начале срока службы (BOL) и в конце срока службы (EOL), для стандартного коммерческого солнечного элемента с тремя переходами (ZTJ) представлен в таблице 1:

Таблица 1

УСЛОВИЕ КПД BOL 28°C 29,1% BOL 70°C 26,4% EOL 70°C 23,4% после облучения при флюенсе 5E14 э/см² EOL 70°C 22,0% после облучения при флюенсе 1E15 э/см²

[132] Для солнечного элемента, первоначально описанного в родственной заявке на патент США серийный номер 14/828,206, поданной 17 августа 2015 г. (и в соответствующей опубликованной европейской заявке на патент EP 3133650 A1), соответствующие данные представлены в таблице 2:

Таблица 2

УСЛОВИЕ КПД BOL 28°C 29,1% BOL 70°C 26,5% EOL 70°C 24,5% после облучения при флюенсе 5E14 э/см² EOL 70°C 23,5% после облучения при флюенсе 1E15 э/см²

[133] Солнечный элемент, описанный в более ранних заявлениях заявителя, имеет несколько более высокий КПД элемента, чем стандартный коммерческий солнечный элемент (ZTJ) при BOL при температуре 70°C. Однако солнечный элемент, описанный в одном варианте осуществления раскрытия, демонстрирует значительно повышенный КПД (%) элемента по сравнению со стандартным коммерческим солнечным элементом (ZTJ) при переносе электронов энергией 1 МэВ, эквивалентном флюенсу 5×10¹⁴ э/см², и значительно повышенный КПД (%) элемента по сравнению со стандартным коммерческим солнечным элементом (ZTJ) при переносе электронов энергией 1 МэВ, эквивалентном флюенсу 1×10¹⁵ э/см².

[134] Самый простой способ представить различные варианты осуществления настоящего раскрытия и их КПД по сравнению с КПД стандартного солнечного элемента, описанного выше, состоит в том, чтобы перечислить варианты осуществления с описанием состава каждого последующего подэлемента и их соответствующей ширины запрещенной зоны и затем расчетного КПД.

[135] Таким образом, для солнечного элемента с четырьмя переходами, который выполнен и описан в настоящем раскрытии, четыре варианта осуществления и их соответствующие данные по КПД в конце срока службы (EOL) представлены следующим образом:

Вариант 1 осуществления Ширина запрещенной зоны Состав Подэлемент A 2,1 AlInGaP Подэлемент B 1,73 InGaP/AlInGaAs или AlInGaAs/AlInGaAs Подэлемент C 1,41 (В) GaAs Подэлемент D 0,67 Ge

КПД при температуре 70°C после облучения при флюенсе 5E14 э/см²: 24,5%

КПД при температуре 70°C после облучения при флюенсе 1E15 э/см²: 23,5%

Вариант 2 осуществления Ширина запрещенной зоны Состав Подэлемент A 2,1 AlInGaP Подэлемент B 1,67 InGaP/AlInGaAs или AlInGaAs/AlInGaAs Подэлемент C 1,34 InGaAs Подэлемент D 0,67 Ge

КПД при температуре 70°C после облучения при флюенсе 1E15 э/см²: 24,9%

Вариант 3 осуществления Ширина запрещенной зоны Состав Подэлемент A 2,1 AlInGaP Подэлемент B 1,65 InGaP/AlInGaAs или AlInGaAs/AlInGaAs Подэлемент C 1,30 (В) GaAs Подэлемент D 0,67 Ge

КПД при температуре 70°C после облучения при флюенсе 1E15 э/см²: 25,3%

Вариант 4 осуществления Ширина запрещенной зоны Состав Подэлемент A 2,03 AlInGaP Подэлемент B 1,55 InGaP/AlInGaAs или AlInGaAs/AlInGaAs Подэлемент C 1,2 (В) GaAs Подэлемент D 0,67 Ge

КПД при температуре 70°C после облучения при флюенсе 1E15 э/см²: 25,7%

[136] Хотя различия в значениях ширины запрещенной зоны среди различных вариантов осуществления, описанных выше, то есть порядка 0,1-0,2 эВ, могут показаться относительно небольшими, такие корректировки приводят к удивительному и неожиданному увеличению КПД солнечного элемента EOL от 24,4%, о котором сообщалось в родственной заявке на патент США серийный номер 14/828,206, поданной 17 августа 2015 г. (и в соответствующей опубликованной европейской заявке на патент EP 3133650 A1) до 25,7% для солнечного элемента варианта 4 осуществления, описанного выше. Такое удивительное и неожиданное улучшение, вызванное относительно небольшим изменением ширины запрещенной зоны, подразумевает осознанный понятный изобретательский уровень по сравнению с родственной конфигурацией, описанной в родственной заявке и в публикации европейской патентной заявки, поскольку в области устройств солнечных элементов для космических применений даже небольшое повышение КПД обычно считается очень важными.

[137] Хотя в описанных вариантах осуществления настоящего раскрытия используется вертикальная стопа из четырех подэлементов, различные аспекты и признаки настоящего раскрытия могут применяться к стопам с меньшим или большим количеством подэлементов, то есть к элементам с двумя переходами, элементам с тремя переходами, элементам с пятью, шестью, семью и т.д. переходами.

Многопереходный солнечный элемент, содержащий: подложку для выращивания; первый солнечный подэлемент, сформированный поверх или в подложке для выращивания; изменяющийся промежуточный слой, осажденный на первый солнечный подэлемент; и ряд слоев полупроводникового материала, осажденных поверх изменяющегося промежуточного слоя, содержащего множество солнечных подэлементов, включая второй солнечный подэлемент, расположенный поверх и рассогласованный по параметру решетки по отношению к подложке для выращивания и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,9-1,8 эВ, и по меньшей мере верхний солнечный подэлемент, расположенный поверх второго подэлемента и имеющий содержание алюминия более 30% мольной доли и ширину запрещенной зоны в диапазоне 2,0-2,20 эВ. Изобретение обеспечивает повышенную эффективность фотопреобразования в течение эксплуатационного срока службы фотоэлектрической системы электропитания, максимизацию КПД солнечного элемента в рабочих условиях. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления солнечного элемента (200, 400, 450, 500) с четырьмя переходами, содержащий:

обеспечение подложки (300) для выращивания;

формирование четвертого солнечного подэлемента (D), расположенного поверх или в подложке (300) для выращивания;

эпитаксиальное выращивание изменяющегося промежуточного слоя (505), расположенного поверх четвертого солнечного подэлемента (D) и подложки (300) для выращивания, за которым следует эпитаксиальное выращивание последовательности слоев полупроводникового материала, содержащих множество солнечных подэлементов, включая третий солнечный подэлемент (C), расположенный поверх и рассогласованный по параметру решетки по отношению к подложке (300) для выращивания и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,9-1,6 эВ, по меньшей мере второй солнечный подэлемент (B), расположенный поверх третьего солнечного подэлемента (C) и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне приблизительно 1,55-1,8 эВ, и верхний первый солнечный подэлемент (A), расположенный поверх второго солнечного подэлемента (B) и имеющий содержание алюминия более 30% мольной доли и ширину запрещенной зоны в диапазоне 2,0-2,20 эВ;

при этом изменяющийся промежуточный слой (505) изменяется по своему составу для согласования по параметру решетки подложки (300) для выращивания с одной стороны и третьего солнечного подэлемента (C) с другой стороны и состоит из любого из полупроводниковых соединений элементов III-V групп на основе As, P, N, Sb с учетом ограничений, связанных с тем, что параметр решетки в плоскости по всей ее толщине должен быть больше или равен параметру решетки в плоскости подложки (300) для выращивания.

2. Способ по п.1, в котором второй солнечный подэлемент (B) имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 1,73 эВ и согласован по параметру решетки с третьим солнечным подэлементом (C), и верхний первый солнечный подэлемент (A) имеет ширину запрещенной зоны 2,05 эВ и согласован по параметру решетки со вторым солнечным подэлементом (B), и средняя ширина запрещенной зоны всех четырех солнечных подэлементов равна или больше 1,35 эВ.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором верхний первый солнечный подэлемент (A) состоит из базового слоя (In_xGa_1-x)_1-yAl_yP, где x равен 0,505 и y равен 0,142, что соответствует ширине запрещенной зоны 2,10 эВ, и эмиттерного слоя (In_xGa_1-x)_1-yAl_yP, где x равен 0,505 и y равен 0,107, что соответствует ширине запрещенной зоны 2,05 эВ.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий выполнение туннельного диода (303, 304), расположенного поверх четвертого солнечного подэлемента (D) и под изменяющимся промежуточным слоем (505), причем изменяющийся промежуточный слой (505) изменяется по своему составу для согласования по параметру решетки третьего солнечного подэлемента (C) с одной стороны и туннельного диода (303, 304) с другой стороны и состоит из любого из полупроводниковых соединений элементов III-V групп на основе As, P, N, Sb с учетом ограничений, связанных с тем, что параметр решетки в плоскости должен быть больше или равен параметру решетки в плоскости третьего солнечного подэлемента (C) и отличаться от параметра решетки в плоскости туннельного диода (303, 304), и энергия запрещенной зоны должна быть больше, чем у четвертого солнечного подэлемента (D).

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором изменяющийся промежуточный слой (505) ступенчато изменяется по своему составу от одного до четырех скачков для согласования по параметру решетки третьего солнечного подэлемента (C) с одной стороны и состоит из InGaAs или (In_xGa_1-x)_yAl_1-yAs, где 0 < x < 1, 0 < y < 1 и x и y выбираются таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны также изменялась в диапазоне 1,15-1,41 эВ по всей его толщине.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором изменяющийся промежуточный слой (505) имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 1,15-1,41 эВ, или 1,2-1,35 эВ, или 1,25-1,30 эВ.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором любой из 1) эмиттерного слоя (320) или 2) базового слоя (319) и эмиттерного слоя (320) верхнего первого солнечного подэлемента (A) имеет постоянные решетки, которые отличаются от постоянной решетки непосредственно прилегающего второго солнечного подэлемента (B).

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий:

выполнение слоя (305) распределенного брэгговского отражателя (DBR), смежного с и расположенного под третьим солнечным подэлементом (C) и размещенного таким образом, чтобы свет мог проникать и проходить через третий солнечный подэлемент (C) и по меньшей мере часть его могла отражаться назад в третий солнечный подэлемент (C) от слоя DBR (305), причем слой (305) распределенного брэгговского отражателя состоит из множества чередующихся слоев из согласованных по параметру решетки материалов со скачкообразным изменением их соответствующих показателей преломления, при этом разность показателей преломления между чередующимися слоями максимизируется для того, чтобы минимизировать число периодов, требуемых для достижения заданного коэффициента отражения, и толщина и показатель преломления каждого периода определяют полосу заграждения и ее предельную длину волны, и при этом слой DBR (305) включает в себя первый слой DBR, состоящий из множества слоев In_zAl_xGa_1-x-zAs p-типа, и второй слой DBR, расположенный поверх первого слоя DBR и состоящий из множества слоев In_wAl_yGa_1-y-wAs p-типа, где 0 < w < 1, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1 и y больше x; и

при этом изменяющийся промежуточный слой (505) ступенчато изменяется по своему составу для согласования по параметру решетки слоя DBR (305) с одной стороны и четвертого солнечного подэлемента (D) с другой стороны и состоит из любого из полупроводниковых соединений элементов III-V групп на основе As, P, N, Sb с учетом ограничений, связанных с тем, что параметр решетки в плоскости должен быть больше или равен параметру решетки в плоскости слоя DBR (305) и меньше или равен параметру решетки в плоскости четвертого солнечного подэлемента (D), и энергия ширины запрещенной зоны должна быть больше, чем у четвертого солнечного подэлемента (D).

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий выполнение первого слоя подавления образования прорастающих дислокаций, имеющего толщину в диапазоне 0,10-1,0 микрона, расположенного поверх подложки для выращивания и имеющего состав, который отличается от изменяющегося промежуточного слоя; и

второй слой подавления образования прорастающих дислокаций, имеющий толщину в диапазоне 0,10-1,0 микрона и состоящий из InGa(Al)P, причем второй слой подавления образования прорастающих дислокаций расположен поверх и непосредственно прилегает к упомянутому изменяющемуся промежуточному слою для уменьшения распространения прорастающих дислокаций, при этом упомянутый второй слой подавления образования прорастающих дислокаций имеет состав, который отличается от состава первого слоя подавления образования прорастающих дислокаций и изменяющегося промежуточного слоя, и при этом по меньшей мере один из верхних подслоев изменяющегося промежуточного слоя (505) имеет постоянную решетки больше, чем у смежных слоев (506, 306) с верхним подслоем, расположенным поверх изменяющегося промежуточного слоя (505).

10. Солнечный элемент (200, 400, 450, 500) с четырьмя переходами, содержащий:

подложку (300) для выращивания;

четвертый солнечный подэлемент (D), расположенный поверх или в подложке (300) для выращивания;

изменяющийся промежуточный слой (505), расположенный поверх подложки (300) для выращивания, за которой следует последовательность слоев полупроводникового материала, содержащих множество солнечных подэлементов, включая третий солнечный подэлемент (C), расположенный поверх и рассогласованный по параметру решетки по отношению к подложке (300) для выращивания и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,9-1,6 эВ, по меньшей мере второй солнечный подэлемент (B), расположенный поверх третьего солнечного подэлемента (C) и имеющий ширину запрещенной зоны в диапазоне приблизительно 1,55-1,8 эВ, и верхний первый солнечный подэлемент (A), расположенный поверх второго солнечного подэлемента (B) и имеющий содержание алюминия более 30% мольной доли и ширину запрещенной зоны в диапазоне 2,0-2,20 эВ;

при этом изменяющийся промежуточный слой (505) изменяется по своему составу для согласования по параметру решетки подложки (300) для выращивания с одной стороны и третьего солнечного подэлемента (C) с другой стороны и состоит из любого из полупроводниковых соединений элементов III-V групп на основе As, P, N, Sb с учетом ограничений, связанных с тем, что параметр решетки в плоскости по всей ее толщине должен быть больше или равен параметру решетки в плоскости подложки (300) для выращивания.