Каскадный фотопреобразователь и способ его изготовления

Каскадный фотопреобразователь и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к каскадным солнечным фотоэлементам, которые преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.

В настоящий момент наземная солнечная энергетика является быстро развивающейся энергетической отраслью. По некоторым оценкам к 2020 г. общая мощность, вырабатываемая наземными концентраторными фотоэнергоустановками, превысит 50 ГВатт/год. Конкурентоспособность солнечной энергетики связана, в первую очередь, с использованием энергоустановок с многопереходными (каскадными) полупроводниковыми солнечными элементами, преобразующими концентрированное солнечное излучение.

Кроме того, солнечная энергия является основным источником питания космических летательных аппаратов, поэтому увеличение их КПД и срока активной эксплуатации на орбите являются первостепенной задачей космической энергетики, которая в настоящее время может быть решена только за счет использования полупроводниковых каскадных солнечных элементов.

Наибольшей эффективностью преобразования (до 40%) обладают каскадные гетероструктурные фотопреобразователи на основе соединений А³B⁵, которые находят свое применение как в наземных (концентраторных), так и космических солнечных батареях.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. заявка US №2004/0187912, Кл. H01L 31/00, опубликована 30.09.2004), включающий подложку p-Ge, нижний переход, созданный за счет диффузии атомов мышьяка при выращивании нуклеационного слоя GaAs, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-GaAs толщиной 0,3 мкм, n-GaInP слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlgaAs слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-GaInP слой тыльного потенциального барьера среднего перехода толщиной 0,1 мкм, p-GaAs базовый слой среднего элемента толщиной 3 мкм, n-GaAs эмиттерный слой среднего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента толщиной 0,03 мкм, n-GaInP слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlGaAs слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlInP слой тыльного потенциального барьера верхнего элемента толщиной 0,03 мкм, p-AlGaInP базовый слой верхнего элемента, n-AlGaInP эмиттерный слой верхнего перехода толщиной 0,05 мкм, n-AlInP слой широкозонного «окна» верхнего перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n-GaAs толщиной 0,4 мкм.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: использование GaAs в качестве нуклеационного слоя, что приводит к возникновению глубокого диффузионного перехода в подложке и выражается в низком токе короткого замыкания нижнего элемента. Низкий ток короткого замыкания среднего элемента каскада AlGaInP/GaAs/Ge, который связан с отражением значительной части полезного для него излучения вследствие использования не оптимизированных по толщине слоев верхнего туннельного диода и использования AlInP в качестве широкозонного «окна» и тыльного потенциального барьера для среднего и верхнего элементов каскада AlGaInP/GaAs/Ge соответственно. Отсутствует также антиотражающее покрытие, что приводит к отражению порядка 30% излучения от поверхности структуры.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. патент US №7071407, Кл. H01L 31/68, опубликован 04.07.2006), включающий подложку Ge с нижним элементом с диффузионным p-n переходом и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой GaInP, буферный слой GaAs, GaAs слой нижнего туннельного диода, AlGaAs слой нижнего туннельного диода, AlGaAs слой тыльного потенциального барьера среднего элемента, GaInAs базовый слой среднего элемента, GaInP эмиттерный слой среднего элемента, AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента, GaInP слой верхнего туннельного диода, AlGaAs слой верхнего туннельного диода, AlGaInP слой тыльного потенциального барьера верхнего элемента, GaInP базовый слой верхнего элемента, GaInP эмиттерный слой верхнего элемента, AlInP слой широкозонного «окна» и контактный подслой GaAs.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: низкие спектральная чувствительность и ток короткого замыкания среднего элемента каскада вследствие использования слоев AlGaInP, содержащих алюминий, в качестве широкозонного «окна» и тыльного потенциального барьера для среднего и верхнего элементов каскада соответственно и отсутствие антиотражающего покрытия, приводящее к падению тока короткого замыкания и КПД структуры.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. заявка US №2002/0040727, Кл. H01L 31/00, опубликована 11.04.2002), включающий подложку p-Ge, нижний элемент, созданный в подложке за счет диффузии примеси при выращивании нуклеационного слоя n⁺-GaAs или n⁺-GaInP толщиной 35 нм или меньше, буферный слой n⁺-GaAs, нижний p⁺⁺/n⁺⁺ туннельный диод, средний n⁺/p элемент на основе GaAs, верхний p⁺⁺/n⁺⁺ туннельный диод и верхний n⁺/p переход на основе GaInP, при этом толщина верхнего элемента находится в диапазоне 0,3-0,7 мкм.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: отсутствие "широкозонных" окон - потенциальных барьеров на границах эмиттерных слоев и тыльных потенциальных барьеров на границах базовых слоев для среднего и верхнего элементов каскада GaInP/GaAs/Ge. Это приводит к заметному падению коротковолновой и длинноволновой чувствительности этих элементов и выражается в меньших токе короткого замыкания и КПД для приборов на основе такой структуры. Малая толщина нуклеационного слоя n⁺-GaInP приводит к повышенному отражению полезного излучения от гетерограницы GaInP/Ge и выражается в падении тока короткого замыкания нижнего элемента. Отсутствие антиотражающего покрытия приводит к отражению порядка 30% излучения от поверхности структуры. Кроме того, известный фотопреобразователь имеет низкую фоточувствительность среднего и нижнего элементов, связанную с отражением полезного для них излучения от гетерограниц внутри структуры.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. «Multi junction solar cells and novel structures for solar cell applications», Masafumi Yamaguchi, Physica E, 14 (2002), 84-90), включающий подложку p-Ge, нижний элемент, созданный за счет диффузии атомов мышьяка при выращивании нуклеационного слоя GaAs, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n⁺-GaAs, буферный слой n⁺-GaInAs, n⁺⁺-GaInP слой нижнего туннельного диода, p⁺⁺-AlGaAs слой нижнего туннельного диода, p-GaInP слой тыльного потенциального барьера среднего элемента, p-GaInAs базовый слой среднего элемента, n⁺-GaInAs эмиттерный слой среднего элемента, n⁺-AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента, n⁺⁺-GaInP слой верхнего туннельного диода, p⁺⁺-AlGaAs слой верхнего туннельного диода, p-AlInP слой тыльного потенциального барьера верхнего перехода, p-GaInP базовый слой верхнего элемента, n⁺-GaInP эмиттерный слой верхнего элемента, n⁺-AlInP слой широкозонного «окна» верхнего элемента и контактный подслой n⁺-GaInAs, при этом на поверхность нанесено антиотражающее покрытие.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: низкий ток короткого замыкания нижнего элемента из-за использования GaAs в качестве нуклеационного слоя, что приводит к возникновению глубокого диффузионного перехода в подложке, и низкая спектральная чувствительность среднего элемента каскада GaInP/GaInAs/Ge, связанная с отражением значительной части полезного для него излучения.

Известен способ изготовления каскадного фотопреобразователя (см. заявка US №2002/0040727, Кл. H01L 31/00, опубликована 11.04.2002), включающий подготовку подложки в реакторе установки металлоорганических соединений (МОС)-гидридной эпитаксии p-Ge для создания в ней диффузионного перехода, осаждение нуклеационного слоя из GaInP толщиной 35 нм и проведение последующего выращивания структуры фотопреобразователя.

Недостатками этого известного способа изготовления каскадного фотопреобразователя являются: низкий ток короткого замыкания нижнего перехода за счет использования не оптимальной толщины нуклеационного слоя, возможное низкое качество среднего элемента, связанное с автолегированием его слоев атомами германия, возможное низкое напряжение холостого хода, генерируемое верхним элементом, связанное с малой шириной запрещенной зоны его материала, и невозможность получения структуры с пониженным отражением полезного излучения как от поверхности, так и внутри структуры.

Известен способ изготовления каскадного фотопреобразователя (см. патент US №6951819 В2, Кл. H01L 21/302, опубликован 04.07.2006), включающий последовательное выращивание на подложке Ge, GaAs, Si или InP методом МОС-гидридной эпитаксии верхнего элемента, среднего элемента и нижнего элемента, создание на поверхности нижнего элемента толстого металлического слоя, несущего структуру, и удаление подложки.

Недостатками известного способа изготовления каскадного фотопреобразователя являются: высокая стоимость технологического процесса и невозможность получения оптимизированной структуры с повышенными токами, генерируемыми переходами фотопреобразователя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является каскадный фотопреобразователь (см. заявка US №2003/0136442, Кл. H01L 31/00, опубликована 24.08.2003), принятый за прототип и включающий подложку p-Ge, нижний элемент, созданный за счет диффузии атомов мышьяка при выращивании нуклеационного слоя GaAs, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-GaAs толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁸ см^-3, n-GaAs буферный слой толщиной 3 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁸ см^-3, n-AlInP широкозонный слой нижнего туннельного диода толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10¹⁸ см^-3, n-GaInP слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10¹⁹ см^-3, p-AlGaAs слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами углерода 1·10²⁰ см^-3, p-GaInP слой тыльного потенциального барьера среднего элемента толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами цинка 2·10¹⁸ см¹⁸, p-базовый слой среднего элемента GaAs толщиной 3 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1·10¹⁷ см^-3, n-GaAs эмиттерный слой среднего элемента толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁸ см^-3, n-AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10¹⁸ см^-3, n-GaInP слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10¹⁹ см^-3, p-AlGaAs слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами углерода 1·10²⁰ см^-3, p-AlInP слой тыльного потенциального барьера верхнего перехода толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1·10¹⁸ см^-3, p-GaInP базовый слой верхнего элемента толщиной 0,4 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1.5·10¹⁷ см^-3, n-GaInP эмиттерный слой верхнего элемента толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁸ см^-3, n-AlInP слой широкозонного «окна» верхнего элемента толщиной 0,03 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10¹⁸ см^-3 и контактный подслой n-GaAs толщиной 0,3 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10¹⁸ см^-3.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя-прототипа являются: отсутствие антиотражающего покрытия, использование GaAs в качестве материала нуклеационного слоя, что приводит к низкому току короткого замыкания нижнего элемента; низкий ток короткого замыкания среднего элемента, связанный с отражением значительной части полезного для него излучения вследствие больших толщин слоев верхнего туннельного диода и использования AlInP в качестве широкозонного «окна» и тыльного потенциального барьера для среднего и верхнего элементов, и малая толщина базового слоя верхнего перехода, при которой не представляется возможным достигнуть согласования токов и высокой эффективности преобразования для наземного спектра.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ изготовления каскадного фотопреобразователя (см. патент US №7071407, Кл. H01L 31/68, опубликован 04.07.2006), включающий осаждение на подложку p-Ge методом МОС-гидридной эпитаксии нуклеационного слоя из GaInP, буферного слоя из GaAs, гетеропереходного среднего элемента и гомопереходного верхнего элемента.

Недостатками этого известного способа изготовления каскадного фотопреобразователя являются отсутствие возможности получения оптимизированной структуры каскадного фотопреобразователя, в котором обеспечивались бы условия максимального прохождения полезного излучения в элементы и возможное низкое качество среднего элемента, связанное с автолегированием его базового слоя атомами германия.

Техническим результатом заявленного технического решения является создание каскадного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge, работающего как в условиях космоса, так и в наземных условиях, а также способа его изготовления, которые бы обеспечили повышение токов короткого замыкания отдельных переходов, увеличение напряжения холостого хода и фактора заполнения ВАХ, а также повышение КПД.

Указанный технический результат достигается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

В части устройства результат достигается тем, что каскадный фотопреобразователь, содержит эпитаксиальную структуру, сплошной тыльный металлический контакт и лицевую металлическую контактную сетку, нанесенные соответственно на тыльную и лицевую сторону эпитаксиальной структуры, а так же антиотражающее покрытие, состоящие из, по меньшей мере, двух слоев, при этом эпитаксиальная структура включает подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход за счет диффузии атомов пятой группы элементов во время эпитаксиального выращивания нуклеационного слоя, и последовательно выращенные на подложке: нуклеационный слой толщиной 170-180 нм, выполненный из n-Ga_0,51In_0,49P, согласованный по параметру решетки с подложкой; буферный слой; нижний туннельный диод, включающий в себя n⁺⁺- и p⁺⁺-слои, заключенные между широкозонными слоями; средний элемент; верхний туннельный диод; верхний элемент и контактный n⁺-подслой, при этом нижний туннельный диод включает в себя последовательно выращенные широкозонный слой из n-Al_0,53In_0,47Р или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, согласованный по параметру решетки с подложкой, слой из n⁺⁺-GaAs толщиной 20-30 нм, слой из p⁺⁺-AlGaAs толщиной 20-30 нм и широкозонный слой из p-Al_0,53In_0,47P толщиной 20-50 нм или из n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, согласованный по параметру решетки с подложкой, средний элемент включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой, эмиттерный n-слой, n-слой широкозонного окна из n-AlGaAs или из n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 30-120 нм, верхний туннельный диод включает последовательно выращенные слой из n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49P или n⁺⁺-GaAs толщиной 10-20 нм и слой из p⁺⁺-AlGaAs толщиной 10-20 нм, а верхний элемент включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера, базовый p⁺-слой толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерный n-слой и n-слой широкозонного окна.

В качестве подложки для эпитаксиальной структуры фотопреобразователя может быть использована подложка p-Ge толщиной 200-400 мкм и уровнем легирования атомами p-примеси 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.

В фотопреобразователе толщина базового слоя верхнего элемента может предпочтительно составлять 0,385-0,415 мкм для спектра АМ0 (космический спектр) и 0,65-0,7 мкм для спектра AM1,5D (стандартизированный наземный спектр)

В фотопреобразователе буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего элемента и контактный подслой могут быть выполнены из Ga_0.99In_0.01As, согласованного по параметру решетки с подложкой, слой тыльного потенциального барьера среднего элемента, слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои верхнего элемента могут быть выполнены из твердого раствора Ga_0.51In_0.49P, согласованного по параметру решетки с подложкой, а слой широкозонного окна верхнего элемента выполнен из n-Al_0.53In_0.47P.

При этом в фотопреобразователе толщина буферного слоя может составлять 0,5-3 мкм, а уровень легирования атомами кремния и германия может быть 5·10¹⁷-2·10¹⁸, толщина слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента может составлять 0,1 мкм при уровне легирования атомами цинка 2·10¹⁷ см^-3, толщина базового слоя среднего элемента может составлять 2,8-3,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка может быть 7·10¹⁶-2·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя среднего элемента может составлять 0,05-0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1-5·10¹⁸ см^-3, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего элемента может составлять 0,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка может составлять 2·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами цинка базового слоя верхнего элемента может быть 1-2·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя верхнего элемента может составлять 0,05-0,1 мкм при уровне легирования атомами кремния 2-5·10¹⁸, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего перехода может составлять 1-5·10¹⁸ см^-3 при его толщине 20-40 нм, а толщина контактного подслоя может составлять 0,2-0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния может быть 2-5·10¹⁸.

Нижний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n-Al_0,53In_0,47P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами кремния 1-2·10¹⁸ см^-3, n⁺⁺-GaAs толщиной 30 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-5·10¹⁸ см^-3, p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹-2·10²⁰ см^-3 и слоя p-Al_0,53In_0,47P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами цинка 1-5·10¹⁷ см^-3.

Нижний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n-Al_0,53In_0,47P толщиной 50 нм с уровнем легирования атомами кремния 1-2·10¹⁸ см^-3, n⁺⁺-GaAs толщиной 20 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-5·10¹⁸ см^-3, p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 20 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹-2·10²⁰ см^-3 и слоя p-Al_0,53In_0,47Р толщиной 50 нм с уровнем легирования атомами цинка 1-5·10¹⁷ см^-3.

Нижний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n-(Al_0,3Ga_0,7)_0.52In_0.48Р толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами кремния 1-2·10¹⁸ см^-3, n⁺⁺-GaAs толщиной 30 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-5·10¹⁸ см^-3, p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹-2·10²⁰ см^-3 и слоя p-(Al_0,3Ga_0,7)_0,52In_0,48P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами цинка 2-7·10¹⁷ см^-3.

Толщина широкозонного окна среднего элемента фотопреобразователя может составлять 115 нм, при этом оно выполнено из n-Al_0,48Ga_0,2As.

Верхний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n⁺⁺-GaAs толщиной 15 нм и уровнем легирования атомами кремния 2-5·10¹⁸ см^-3 и p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 15 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹-2·10²⁰ см^-3.

В фотопреобразователе широкозонное окно среднего элемента может быть выполнено из n-Ga_0,51In_0,49P с толщиной 100 нм или n-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 110 нм.

В фотопреобразователе верхний туннельный диод может состоять из последовательно осажденных слоев n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49P толщиной 15 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-9·10¹⁸ см^-3 и p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 15 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹-2·10²⁰ см^-3.

Толщина широкозонного окна среднего элемента фотопреобразователя может составлять 30 нм.

Что касается способа, то указанный технический результат достигается тем, что каскадный фотопреобразователь получают последовательным эпитаксиальным выращиванием методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке p-Ge нуклеационного слоя из n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 170-180 нм, буферного слоя из Ga_0,99In_0,01As толщиной не менее 0,5 мкм, нижнего туннельного диода, включающего в себя слой из n-Al_0,53In_0,47P или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, слой из n⁺⁺-GaAs толщиной 20-30 нм, слой из p⁺⁺-AlGaAs толщиной 20-30 нм и широкозонный слой из p-Al_0,53In_0,47P толщиной 20-50 нм или из n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, p⁺-слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента, базового p-слоя среднего элемента из Ga_0,99In_0,01As при температуре 595-605°С, эмиттерного n-слоя среднего элемента из Ga_0,99In_0,01As при температуре 595-605°С, n-слоя широкозонного окна из n-AlGaAs или n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 30-120 нм, n⁺⁺-слоя верхнего туннельного диода из Ga_0,51In_0,49P или GaAs толщиной 10-20 нм, p⁺-слоя верхнего туннельного диода из AlGaAs толщиной 10-20 нм, p⁺-cлoя тыльного потенциального барьера верхнего элемента из Ga_0,51In_0,49P при температуре 720-730°С, базового p-слоя верхнего элемента из Ga_0,51In_0,49P при температуре 720-730°С толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерного n-слоя верхнего элемента из Ga_0,51In_0,49P при температуре 720-730°С, n-слоя широкозонного окна верхнего элемента и n⁺-контактного слоя.

При этом базовый и эмиттерный слои среднего перехода могут быть выращены при температуре 600°С, а слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои верхнего перехода выращиваются при температуре 725°С.

При выращивании слоев структуры методом МОС-гидридной эпитаксии в качестве источников атомов третьей группы элементов могут быть использованы триметилгаллий, триметилалюминий и триметилиндий; в качестве источников атомов пятой группы - арсин и фосфин; в качестве источника атомов кремния - силан, а в качестве источника атомов цинка - диметилцинк.

Кроме того, на лицевой поверхности эпитаксиальной структуры может создаваться металлическая контактная сетка посредством напыления металлического контакта методом вакуумного распыления через маску из фоторезиста, создаваемую методом фотолитографии; на тыльной поверхности подложки может создаваться сплошной металлический контакт методом вакуумного распыления металлов; в участках лицевой поверхности структуры, не закрываемых контактной сеткой, может удаляться контактный подслой эпитаксиальной структуры и последовательно осаждаться, по меньшей мере, два слоя антиотражающего покрытия методом вакуумного распыления.

Использование GaInP в качестве нуклеационного слоя нижнего элемента позволяет создать эффективный неглубокий p-n переход, а при его толщине 170-180 нм достигается минимальное отражение полезного излучение от поверхности нижнего перехода.

Заявляемые конструкции нижних и верхних туннельных диодов позволяют наряду с обеспечением эффективной низкоомной развязки нижнего, среднего и верхнего элементов каскада GaInP/GaInAs/Ge создать условия для максимального пропускания полезного излучения в нижний элемент и средний элемент соответственно. При этом использование широкозонного окна среднего перехода с толщиной 100-120 нм позволяет повысить пропускание полезного излучения в средний переход.

Заявляемое антиотражающее покрытие позволяет обеспечить наиболее оптимальные условия вхождения солнечного излучения в структуру фотопреобразователя.

Выращивание буферного слоя толщиной более 0,5 мкм в заявляемом способе изготовления позволяет подавить влияние твердотельной диффузии атомов германия в базовый слой среднего перехода, а его выращивание при температуре 595-605°С позволяет предотвратить диффузию атомов германия через газовую фазу.

В заявляемом способе изготовления выращивание верхнего перехода при температуре 720-730°С позволяет повысить напряжение холостого хода, генерируемое верхним переходом.

В заявляемой конструкции обеспечивается согласование токов, генерируемых верхним (GaInP) и средним (GaInAs) элементами при преобразовании спектров АМ0 (условия космоса) и AM1.5D (наземные условия).

Толщина среднего элемента выбирается достаточной для эффективного поглощения фотонов с энергией кванта >1,4 эВ.

Толщина верхнего элемента выбирается из соображений согласования токов, генерируемых верхним (GaInP) и средним (GaAs) элементами каскада GaInP/GaInAs/Ge.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием конструкции и способа изготовления каскадного фотопреобразователя:

на фиг.1 изображена схема каскадного фотопреобразователя;

на фиг.2 приведена блок-схема, иллюстрирующая способ создания эпитаксиальной структуры каскадного фотопреобразователя с использованием метода МОС-гидридной эпитаксии;

на фиг.3 изображены дисперсионные зависимости показателей преломления слоев, составляющих заявляемый каскадный фотопреобразователь: 1 - Ga_0,51In_0,49P, 2 - Ga_0,99In_0,01As, 3 - Ge, 4 - Al_0,4Ga_0,6As, 5 - Al_0,8Ga_0,2As, 6 - Al_0,53In_0,47P;

на фиг.4 приведены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ge элемент в случае использования нуклеационного слоя: 1 - Ga_0,99In_0,01As, 2 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 175 нм, 3 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 35 нм. При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя (туннельные диоды, верхний и средний переходы, антиотражающее покрытие) были одинаковыми;

на фиг.5 показаны расчетные спектральные зависимости внешнего квантового выхода Ge элемента в случае использования нуклеационного слоя: 1 - Ga_0,99In_0,01As, 2 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 175 нм, 3 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 35 нм. При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя (туннельные диоды, верхний и средний элементы, антиотражающее покрытие) были одинаковыми;

на фиг.6 изображены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ga_0,99In_0,01As элемент при использовании различных материалов для широкозонного «окна» этого элемента: 1 - Al_0,8Ga_0,2As толщиной 30 нм, 2 - Al_0,8Ga_0,2As толщиной 115 нм, 3 - Al_0,4Ga_0,6As толщиной 110 нм, 4 - Ga_0,5In_0,49P толщиной 100 нм. При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.7 приведены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ga_0,99In_0,01As элемент при использовании различных конфигураций верхнего туннельного диода: 1 - p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As (20 нм)/n⁺⁺-GaAs (20 нм), 2 p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As (15 нм)/n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49P (20 нм). При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.8 изображены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ga_0,99In_0,01As элемент при использовании различных материалов тыльного потенциального барьера верхнего элемента и широкозонного «окна» среднего элемента: 1 - р-Al_0,53In_0,47P (50 нм)/n-Al_0,53In_0,47P, 2 p⁺-Ga_0,51In_0,49P (50 нм)/n-Al_0,8Ga_0,2As (115 нм). При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.9 приведены расчетные спектральные зависимости коэффициента отражения от поверхности каскадного фотопреобразователя при отсутствии слоев антиотражающего покрытия (кривая 1) и при использовании оптимизированного антиотражающего покрытия ZnS (60 нм) / MgF₂ (100 нм) (кривая 2). При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.10 изображены расчетные спектральные зависимости внешней квантовой эффективности верхнего (кривая 1), среднего (кривая 2) и нижнего (кривая 3) элементов заявляемого каскадного фотопреобразователя, оптимизированного под спектр АМ0;

на фиг.11 изображены расчетные спектральные зависимости внешней квантовой эффективности верхнего (кривая 1), среднего (кривая 2) и нижнего (кривая 3) элементов заявляемого каскадного фотопреобразователя, оптимизированного под спектр AM1.5D.

Преобразование энергии света в электроэнергию с использованием полупроводниковых фотопреобразователей с p-n переходом основано на рождении электрон-дырочных пар при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала фотопреобразователя, и разделении разнополюсных носителей тянущим полем p-n перехода. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) таких преобразователей имеют экспоненциальный вид и характеризуются напряжением холостого хода, током короткого замыкания и фактором заполнения ВАХ. Произведение этих величин дает мощность, вырабатываемую фотопреобразователем.

Снижение фактора заполнения ВАХ в основном обусловлено наличием рекомбинационного механизма протекания тока в p-n переходах и наличием различного рода утечек в структурах фотопреобразователей.

Отношение количества падающих фотонов к разделившимся электрон-дырочным парам называется внешней квантовой эффективностью фотопреобразователя. Интеграл произведения ее спектрального распределения на плотность фотов падающего спектра позволяет вычислять ток короткого замыкания. Очевидно, что он будет возрастать с уменьшением ширины запрещенной зоны материала фотопреобразователя за счет расширения его спектральной чувствительности, а напряжение холостого хода, прямо зависящее от контактной разности потенциалов p-n перехода, будет при этом уменьшаться. Это обуславливает тот факт, что зависимость эффективности преобразования однопереходных фотопреобразователей от ширины запрещенной зоны имеет один максимум для каждого падающего спектра.

Для солнечных спектров АМО (космический спектр) и AM1,5D (стандартизированный наземный спектр) этот максимум находится в области 1.1-1.5 эВ и составляет 27% (АМО) и 31% (AM1.5D). Одним из способов повышения КПД солнечных элементов является преобразование ими концентрированного солнечного излучения. Увеличение потока падающего излучения приводит к пропорциональному росту тока короткого замыкания. При этом повышение эффективности преобразования становится возможным за счет роста напряжения холостого хода, которое зависит от тока короткого замыкания по логарифмическому закону, и фактора заполнения ВАХ, связанного с переходом от рекомбинационного к инжекционному механизму и насыщением каналов утечек структур солнечных элементов при увеличении тока. Преобразование концентрированного излучения спектра AM1,5D позволяет повысить теоретическую эффективность однопереходных солнечных элементов с 31 (1 солнце) до 37% (1000 солнц).

Дальнейшее увеличение КПД возможно только при использовании структур многопереходных (каскадных) фотопреобразователей, из которых наиболее перспективными как с точки зрения возможности достижения высочайших значений КПД, так и с экономической точки зрения являются монолитные гетероструктурные фотопреобразователи на основе твердых растворов А³B⁵, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе. Такие фотопреобразователи включают несколько элементов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Для обеспечения эффективной низкоомной развязки p-n переходов монолитных каскадных фотопреобразователей необходимо использование туннельных диодов, характеризующихся низким поглощением полезного излучения, низким последовательным сопротивлением и, в случае преобразования высококонцентрированного солнечного излучения, высоким пиковым током туннелирования.

Каждый p-n переход каскадной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать более оптимальные условия преобразования и значительно повысить КПД. При этом элементы, преобразующие коротковолновое излучение, характеризуются большим напряжением холостого хода, так как они выполнены из материалов с большей шириной запрещенной зоны, а возможность использования узкозонных материалов позволяет значительно расширить область фоточувствительности каскадных фотопреобразователей. Использование двухпереходных солнечных элементов позволяет повысить теоретическую эффективность преобразования до 40% (AM1,5D, 1 солнце), а трех переходных до 49% (AM1,5D, 1 солнце).

Ввиду того, что подобные структуры представляют собой последовательное включение однопереходных элементов, их напряжение холостого хода будет равно сумме напряжений всех элементов каскада, а ток короткого замыкания будет определяться минимальным из генерируемых каждым элементом токов. Поэтому оптимальная структура каскадного фотопреобразователя должна включать элементы, выполненные из материалов, обеспечивающих равенство токов которого замыкания при поглощении каждым элементом всех фотонов с энергией большей его ширины запрещенной зоны. При этом необходимо учитывать, что все элементы, кроме верхнего, преобразуют лишь часть спектра с энергией фотона большей ширины запрещенной зоны их материала и меньшей ширины запрещенной зоны материала элемента, расположенного непосредственно над ними. Однако в каскадных структурах существует возможность повысить ток любого элемента, кроме верхнего, за счет уменьшения толщины элементов, расположенных над ним, что будет способствовать прохождению части фотонов, которая могла бы поглотиться в них, в элемент, расположенный ниже, и выражаться в увеличении его фототока.

Для получения полупроводниковых гетероструктур с высоким качеством, которое необходимо для создания эффективных p-n переходов, необходимо опираться на существующие в природе материалы, чтобы обеспечить согласование параметров решетки всех слоев, составляющих гетероструктуру. Поэтому реализация оптимальной структуры каскадного фотопреобразователя, характеризующейся высоким кристаллическим совершенством, и в которой обеспечивался бы баланс спектральной плотности фотонов, достигающих каждого перехода, на данный момент не представляется возможной.

Наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные солнечные элементы на основе изопериодичных полупроводниковых материалов Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99In_0,01As/Ge, несмотря на то, что материалы Ga_0,51In_0,49P (E_g=1.9 эВ), Ga_0,99In_0,01As (E_g=1.4 эВ) и Ge(E_g=0.66 эВ) не позволяют реализовать оптимальную с точки зрения спектральных плотностей фотонов, приходящихся на каждый элемент, конструкцию трехпереходного фотопреобразователя.

Основным недостатком такой комбинации материалов является большая ширина запрещенной зоны среднего элемента Ga_0.99In_0.01As. Плотность фотонов космического и наземного солнечных спектров позволяет, в случае поглощения и разделения всех фотонов, генерировать следующие токи:

- 22,43 мА/см² (АМ0) и 17,58 (AM1,5D) для Ga_0.51In_0.49P перехода (все фотоны от 0 до 670 нм);

- 16,58 мА/см² (АМ0) и 15,62 (AM1,5D) для Ga_0,99In_0,01As перехода (все фотоны от 670 до 900 нм);

- 37,08 мА/см² (АМ0) и 29,21 (AM1.5D) для Ge перехода (все фотоны от 900 до 1900 нм).

Это приводит к тому, что как для спектра АМ0, так и для спектра AM1,5D минимальный ток (в случае поглощения всех фотонов с энергией в диапазоне 1,9-1,4 эВ) будет генерировать средний элемент, а ток, генерируемый нижним элементом, будет значительно превосх