Солнечный фотоэлемент

 

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 ичающийся тем, что дополнительньп! слой выполнен из арсенида алюминия толщиной 0,3-1 мкм.§(Л|СЛсо00 4i^ ^

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5D 4 Н 01 L 31/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 2428403/18-25 (22) 22.12.76 (46) 23.12.85. Бюл. ¹ 47 (71) Ордена Ленина физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе (72) Ж.И.Алферов, В.М.Андреев, Д.З.Гарбузов, H.Á.ÊàãàH, В.И.Корольков, В.P.!1àðèîíoâ и Т.А.Нуллер (53) 621.382(088.8) (56) 1. Амброзяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов. -М.: Сов. радио, 1970, с. 272.

2. Алферов Ж.И. и др. Солнечные преобразователи на основе гетеро-, переходов р-А1 „Га,„ As-n-(;aAs

"Физика и техника полупроводников", т. 4, вып. 12, 1970, с. 2378.

3. Авторское свидетельство СССР

N 344781, кл. Н 01 Б 31/08, 1970. (54)(57) 1. СОЛНЕЧНБ1Й ФОТОЭЛЕМЕНТ на основе структуры с гетероперехоI дом между арсенидом гаплия и твердым раствором алюминий-галий — мьппьяк с плав ным уменьшением содержания арсенида алюминия в твердом растворе от облучаемой поверхности к р — n -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 отношению к твердому раствору с концентрацией арсенцда алюминия в этом слое не менее

80 мол.7., ширина запрещенной зоны которого более чем на 3 КТ превышает максимальное значение ширины запрещенной зоны твердого раствора, где К вЂ” постоянная Больцмана, Т— рабочая температура.

2. Фотоэлемент по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что дополнительный спой выполнен из арсенида алюминия толщиной 0,3-1 мкм.

1 59847

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к фотоэлектрическим преобразователям энергии солнечного излучения в электрическую. 5

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 превышает максимальное значение ширины запре10 щенной зоны твердого раствора, где

К вЂ” постоянная Больцмана, Т вЂ” рабочая температура. Дополнительный слой может быть выполнен из арсенида алюминия толщиной 0,3-1 мкм.

15 На фиг. 1 схематически изображено распределение алюминия по толщине структуры; на фиг. 2 — структура фотоэлемента.

Фотоэлемент выполнен на основе

20 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

25 уменьшением концентрации арсенида алюминия от облучаемой: поверхности; ширина запрещенной зоны в этом слое уменьшается от Е до F тип проводимости этого слоя противоположен типу проводимости подложки, а максимальная концентрация арсенида алюминия в том слое Х> установлена не более 50 мол.%, и дополнительный слой 3, изотопный по отношению к слою 2, с концентрацией арсенида

35 алюминия более 80 мол.% с толщинои д не более длины поглощения в этом слое коротковолновой части солнечного излучения; ширина запрещенной зоны этого слоя Е, а также защит40 ную пленку 4 из окиси алюминия, предохраняющую дополнительный слой от эрозии во влажной среде, защитная пленка нанесена в местах, свободных от токоотводящих контактов 5.

50

Известны солнечные фотоэлементы на основе полупроводника с р -в-переходом (1 3. Известны также полупроводниковые солнечные фотоэлементы на основе структуры с л-р-гетеропереходом в системе алюминийгалий-мышьяк, $21. В этих фотоэлементах увеличение КПД преобразования солнечной энергии по сравнению с фотоэлементами на основе гомо р-и-переходов достигается за счет создания широкозонного окна из твердого раствора с шириной запрещенной зоны -. 2 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 энергией 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 направлении, перпендикулярном к плоскости гетероперехода (3).

Однако этот фотоэлемент не обеспечивает значительного увеличения КПД вследствие большой скорости поверхностной рекомбинации носителей тока, генерированных коротковолновой частью спектра солнца ° При типичном значении скорости поверхностной рекомбинации

1Оь-10 см/с "тянущее" электрическое 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-и-перехода от облучаемой поверхности не обеспечивается надежная зашита р-II-перехода.

Целью изобретения является увеличение КПД преобразования солнечной энергии. B описываемом фотоэлементе это достигается тем, что в нем на поверхе1ости структуры Выполнен допол

При облучении фотоэлемента светом с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны слоя 2 (4 4 E<), фотоносители генерируются в указанном

I1(p) арсениде галлия и полностью разделяются полем р-п-перехода.

Кванты света с энергией больше E но меньше Е2 генерируют фотоносители в слое 2 и за счет "тянущего" поля градиента ширины запрещенной эоны также почти полностью разделяются полеы р-п-ïåðåõîäà. Кванты света с энергией больше Е1, нп меньше Е.q

Такой фотоэлемент обеспечивает спектральную область чувствительности до области энергий больше 3 эВ, полностью захватывает 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 abane значения К?Щ, получаемого при использовании фотоэлементов известных конструкций.

Таким образом, описываемый солнеч4 ный фотоэлемент за счет расширения спектральной области чувствительности в коротковолновую область спектра позволяет увеличить КПД. з 59 проходят через слой 3 без поглощения, поскольку их энергия меньше ширины запрещенной зоны дополнительного слоя. Кванты света с энергией большей Ey(коротковолновая часть солнечного спектра) проходят через слой 3 почти без поглощения при толщине этого слоя не более 0 5-1 мкм.

Энергетический зазор Е, 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 E слой 3 полностью прозрачен, поскольку коэффициент поглощения для этого света меньше 10 см . Для света с b4 Е„ данный слой будет почти прозрачен при толщине последнего «е более

0,5-1 мкм (коэффициент поглощения

1 для этого света порядка 10 см ) .

Свет с b l Е, прошедший через слой

3, поглощается в слое 2 на границе

его по слоям 3 и генерирует фотоносители. Поскольку поверхность слоя 2 защищена слоем 3 с шириной запрещенной зоны Е 7 Е, 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 рекомбинировгть, разница ширины запрещенных зон 6 — Б должна быть больше 3 КТ, где К вЂ” постоянная

Больцмана, а Т вЂ” рабочая температура. Величина Š— Е = 0,15 эВ обеспечивается выполнением слоя 3 с концентрацией арсенида алюминия не менее 80 мол.% и слоя 2 с максимальной концентрацией арсенида алюминия не более 50 мол. . При этом рабочая температура может быть больше 200 С.

Отсутствие поверхностной рекомбинации позволяет обеспечивать почти

8470 4 полное разделение носителей, генерированных свегом, 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.

10 Возможность увеличения в описываемом фотоэлементе расстояния от облучаемой поверхности до р -и-перехода облегчает технологию изготовления и уменьшает деградацию прибора.

Фотоэлемент может быть выполнен на основе структуры, содержащей слой 1 — арсенид галлия р -типа (р = 10 см ) толщиной 100 мкм: слой 2 — твердого раствора и-типа (п = 10 см ) с плавным увеличением концентрации арсенида алюминия от

5 до 35 мол.%: слой 3 — из частого арсенида алюминия и-типа (и =

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 .

5 ао

М Ю

gN

> 40 ф .р gg

Тоющииа струнгпуры

Фар У 1

1 г

Фиг. 2

Корректор A. 06ручар

Редактор С. Титова Техред Л.Т"Тартяшива

Заказ 8133/3 Тираж 6J8 Подпис|п1е

ВТТИИТТИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Т"Тосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4, 5

Филиал ИТТИ "Патент", г. ужгород, ул. ТТр. т: и 1з,