Солнечный фотоэлемент Советский патент 1985 года по МПК H01L31/06 

« Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к фотоэлектрическим преобразователям энергии солнечного излучения в элек рическую. Известны солнечные фотоэлементы на основе полупроводника с р -ti-neРвходом ClX Известны также полупроводниковые солнечные фотоэлементы на основе структуры с п-р-гетеропереходом в системе алюминийгалий-мышьяк , . В этих фотоэлементах увеличение КПД преобразовани солнечной энергии по сравнению с фотоэлементами на основе гомо р-п-п реходов достигается за счет создания широкозонного окна из твердого раствора с шириной запрещенной зоны . эВ, что обеспечивает близкий к единице коэффициент разделения неосновных носителей, генерированных фотонами с энергией от 1,4 до 2 эВ, Эти фотоэлементы характеризуются поглощением вблизи поверхности прибора излучения с эне гией большей 2 эВ, что не дает возможности использовать эту часть солнечного спектра для фотоэлектрического преобразования. Известны также фотоэлементы, в которых для использования части излучения, поглощаемого вблизи поверхности, создано тянущее электрическое поле за счет градиента концентрации алюминия в направлен.ии, перпендикулярном к плоскости гетероперехода Однако этот фотоэлемент не обеспечи вает значителтьного увеличения КПД вследствие большой скорости поверхностной рекомбинации носителей тока генерированных коротковолновой част спектра солнца. При типичном значен скорости поверхностной рекомбинации см/с тянущее электрическо поле обеспечивает прирост фототока лишь при толщине твердого раствора меньше 1 мкм, что делает приборы непригодными для эксплуатации из-за большого сопротивления растекания, Кроме того, при столь малом расстоянии р-п-перехода от облучаемой поверхности не обеспечивается надеж ная за1цита р-п-перехода. Целью изобретения является увели чение ЮВД преобразования солнечной энергии. В описываемом фотоэлементе это достигается тем, что в нем на поверхности структуры выполнен допо 0 нительный слой толщиной не более длины поглощения в этом слое коротковолновой части солнечного излучения, изотипный по отношению к твердому раствору с концентрацией арсенида алюминия в этом слое не менее 80 мол,%, ширина запрещенной зоны которого более, чем на 3 КТ превьшает максимальное значение ширины запрещенной зоны твердого раствора, где К - постоянная Больцмана, Т - рабочая температура, Дополнительный слой может быть выполнен из арсенида алюминия толщиной 0,3-1 мкм. На фиг. 1 схематически изображено распределение алюминия по толщине структуры; на фиг, 2 - структура фотоэлемента. Фотоэлемент выполнен на основе структуры, имеющей слой 1-п(р)арсенид галлия, толщина которого (100-300 мкм) выбирается из условия обеспечения механической прочности фотоэлемента, эпитаксиальный слой 2 с плавным уменьшением концентрации арсенида алюминия от облучаемоц поверхности; ширина запрещенной зоны в этом слое уменьшается от Е2 до Е ; тип проводимости этого слоя противоположен типу проводимости подложки, а максимальная концентрация арсенида алюминия в том слое Xj установлена не более 50 мол,%, и дополнительный слой 3, изотопный по отношен1да к слою 2, с концентрацией арсенида алюминия более 80 мол,% с толщиной о1 не более длины поглощения в этом слое коротковолновой части солнечного излучения; ширина запрещенной зоны этого слоя Е э,, а также защитную пленку 4 из окиси алюминия, предохраняющую дополнительньй слой от эрозии во влажной среде, защитная пленка нанесена в местах, свободных от токоотводящих контактов 5, I При облучении фотоэлемента светом с энергией, меньшей ширины 3arrpei;ieHной зоны слоя 2 (hi) -i ,) , фотоносители генерируются в указанном п(р) арсениде галлия и полностью разделяются полем р-п-перехода. Кванты света с энергией больше Е, , но меньше Е.генерируют фотоносители в слое 2 и за счет тянущего поля градиента ширины запрещенной зоны также почти полностью разделяются полем р-п-перехода. Кванты света с энергией больше Ej, но меньше- E.i, проходят через слой 3 без поглощени поскольку их энергия меньше ширины з-апрещенной зоны дополнительного слоя. Кванты света с энергией большей ЕЗ(коротковолновая часть солнечного спектра) проходят через слой 3 почти без поглощения при тол щине этого слоя не более 0,5-1 мкм Энергетический зазор Ер между прямым минимумом зоны проводимости и краем валентной зоны в слое с концентрацией арсенида алюминия более 80 мол.% равен 2,7-2,9 эВ. Для света с энергией меньше Е слой 3 полностью прозрачен, поскольку коэф фициент поглощения для этого света меньше 10 см . Для света с дакньй слой будет почти прозрачен при толщине последнего не более 0,5-1 мкм (коэффициент поглощения для этого света порядка 10 см ). Свет с , прошедший через сло 3, поглощается в слое 2 на границе его по слоям 3 и генерирует фотоносители. Поскольку поверхность слоя запщщена слоем 3 с шириной запрещен ной зоны Е 7 Ej , скорость поверхностной рекомбинации для генерированных электроннодырочных пар на три-четыре порядка ниже скорости рекомбинации на свободной поверхности кристалла. Для того, чтобы носители, генерированные в слое 2, не могли попасть на поверхность структуры и там рекомбинировать, разница ширины запрещенных зон Ej - 2 должна быть больше 3 КТ, где К - постоянн Больцмана, а Т - рабочая температура. Величина Е, - Е 0,15 эВ обеспечивается выполнением слоя 3 концентрацией арсенида алюминия не менее 80 мол.% и слоя 2 с максимал ной концентрацией арсенида алюминия не более 50 мол.%. При этом рабочая температура может бьпъ больше 200 С Отсутствие поверхностной рекомби нации позволяет обеспечивать почти полное разделение носитрлеи, генерированных светом, с энергией больШей Е, что в свою очередь увеличивает КПД фотоэлемента. При этом толщина слоя 2 может быть установлена более 5 мкм, а градиент концентрации арсенида алюминия не более 10 мол.% на 1 мкм, т.е. при тянущих полях не более 10 В/см. Возможность увеличения в описываемом фотоэлементе расстояния от облучаемой поверхности до р-п-перехода облегчает технологию изготовления и уменьшает деградацию прибора. Фотоэлемент может быть выполнен на основе структуры, содержащей слой 1 - арсенид галлия р-типа ( р 10 ) толщиной-100 мкм: слой 2 - твердого раствора п-типа ( п 10 ) с плавным увеличением концентрации арсенида алюминия от 5 до 35 мол.%: слой 3 - из частого арсенида алюминия п-типа ( п - 10 см ) толщиной 0,4 мкм; пленку 4, состоящую из окислов алюминия и мышьяка толщиной 0,1 мкм. Расстояние между контактами 5 в готовом фотоэлементе равно 1 мм, размер фотоэлемента 5 мм . Такой фотоэлемент обеспечивает спектральную область чувствительности до области энергий больше 3 эВ, полностью захватьгеает практически полезную коротковолновую часть солнечного излучения, а такое смещение коротковолнового края чувствительности обеспечивает увеличение КПД солнечного фотоэлемента в космических условиях до величины порядка 25%, что приблизительно на 10% Bbmie значения КПД, получаемого при использовании фотоэлементов известных конструкций. Таким образом, описываемый солнечный фотоэлемент за счет pacшиpeнIiя спектральной области чувствительности в коротковолновую область спектра позволяет увеличить КПД.

Толщина струнт(/ры

Фиг1

1

I

1. СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ на основе структуры с гетеропереходом между арсенидом галлия и твердымраствором алюминий-галий-мышьяк с плав ным уменьшением содержания арсенида алюминия в твердом растворе от облучаемой поверхности к р-п-переходу, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия, на поверхности структуры выполнен дополнительный слой толщиной не более длины поглощения в этом слое коротковолновой части солнечного излучения и изотипный по oTHonieHino к твердому раствору с концентрацией арсенцда алюминия в зтом слое не менее 80 мол.%, имрина запрещенной зоны которого более чем на 3 КТ превышает максимальное значение ширины запрещенной зоны твердого раствора, где К - постоянная Больцмана, Т - рабочая температура.2. Фотоэлемент по п. 1, о т л и- чающийся тем, что дополни- тельньп! слой выполнен из арсенида алюминия толщиной 0,3-1 мкм.§(Л|СЛсо00 4i^ ^