RU2539102C1

RU2539102C1 - Multijunction solar cell

Info

Publication number: RU2539102C1
Application number: RU2013139288/28A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Андреев; Николай Александрович Калюжный; Владимир Михайлович Лантратов; Сергей Александрович Минтаиров
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: multijunction solar cell comprises a substrate p-Ge (1), where a lower p-n junction (2) is created, and the following serially grown layers on the substrate: a nucleation layer (3) n-Ga_0.51In_0.49P, a buffer layer (4) n-Ga_0.99In_0.01As, a lower tunnel diode (5), a middle p-n junction (6), comprising a layer of a rear potential barrier (7), a base (9) and an emitter (11) layers, and also a wide-zone window (12), an upper tunnel diode (13), an upper junction (14), comprising a layer of a rear potential barrier (15), a base (16) and an emitter (17) layers, and also a wide-zone window (18), and a contact n⁺-sublayer (19). The base layer (9) of the middle p-n junction (6) includes serially grown the area of alternating alloying (8), adjoining directly the layer of the rear potential barrier (7) of the middle p-n junction (9) and the area (10) of permanent alloying.

EFFECT: invention provides for increased collection of carriers from a base layer of a middle p-n junction GaInP/GaInAs/Ge of a multijunction solar cell, which is expressed in increase of its photocurrent and efficiency factor of the entire element as a whole.

5 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к полупроводниковым солнечным элементам, которые преобразуют солнечное излучение в электроэнергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.The invention relates to semiconductor solar cells that convert solar radiation to electricity, and can be used in the semiconductor industry to create systems for generating electrical energy.

Значительное увеличение КПД преобразования солнечной энергии в электрическую возможно только при использовании структур многопереходных солнечных элементов, из которых наиболее перспективными, как с точки зрения возможности достижения высочайших значений КПД, так и с экономической точки зрения, являются монолитные гетероструктурные солнечные элементы на основе твердых растворов A³B⁵, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе. Такие солнечные элементы включают несколько фотоактивных p-n переходов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Каждый фотоактивный p-n переход многопереходной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным условия преобразования солнечного спектра и значительно повысить КПД. Наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные солнечные элементы на основе изопериодных полупроводниковых материалов http://Gao.51lno.49P/Gao.99lno.01As/Ge. Равенство постоянных решеток позволяет получать структуры каскадных http://Gao.51lno.49P/Gao.99lno.01As/Ge фотопреобразователей, характеризующихся высоким кристаллическим совершенством, за один процесс, поэтому они являются в настоящий момент основой массового производства высокоэффективных фотопреобразователейA significant increase in the efficiency of converting solar energy into electrical energy is possible only when using structures of multi-junction solar cells, of which the most promising, both in terms of the possibility of achieving the highest values of efficiency and from an economic point of view, are monolithic heterostructured solar cells based on A ³ solid solutions B ⁵ obtained by epitaxial growth on a semiconductor substrate in a single growth process. Such solar cells include several photoactive pn junctions made of various materials and arranged in decreasing order of the band gap from the photosensitive surface to the substrate. Each photoactive pn junction of a multi-junction structure converts only a part of the solar spectrum, which makes it possible to realize conditions for converting the solar spectrum that are close to optimal and significantly increase the efficiency. The most promising today are three-junction solar cells based on isoperiodic semiconductor materials http: //Gao.51lno.49P/Gao.99lno.01As/Ge. Equality of constant gratings allows to obtain cascade structures of http: // Gao.51lno.49P/Gao.99lno.01As/Ge photoconverters, characterized by high crystalline perfection, in one process, therefore they are currently the basis for the mass production of highly efficient photoconverters

Для обеспечения наибольшей эффективности преобразования необходимо, чтобы максимальное количество фотогенерированных носителей достигало области объемного заряда фотоактивных p-n переходов, где происходит их разделение. При этом увеличение толщин p- или n-слоев, составляющих фотоактивный переход, требует увеличения диффузионной длинны неосновных носителей заряда в них для обеспечения полного их собирания.To ensure the highest conversion efficiency, it is necessary that the maximum number of photogenerated carriers reach the space charge region of photoactive p-n junctions, where they are separated. In this case, an increase in the thickness of p- or n-layers constituting the photoactive transition requires an increase in the diffusion length of minority charge carriers in them to ensure their complete collection.

Известен многопереходный солнечный элемент (см. патент US 7071407, МПК H01L 31/68, опубликован 04.07.2006) включающий фотоактивный p-n переход, созданный в подложке Ge, и осажденные на ней нуклеационный слой InGaP, буферный слой GaAs, нижний туннельный диод, средний фотоактивный p-n переход, выращенный из GaInAs, включающий последовательно осажденные базовый слой, эмиттерный слой и слой широкозонного окна, верхний туннельный диод, верхний фотоактивный p-n переход, выращенный из GaInP и контактный подслой.A multi-junction solar cell is known (see US patent 7071407, IPC H01L 31/68, published July 4, 2006) including a photoactive pn junction created in a Ge substrate and an InGaP nucleation layer deposited on it, a GaAs buffer layer, a lower tunnel diode, and a middle photoactive pn junction grown from GaInAs, including a sequentially deposited base layer, an emitter layer and a wide-gap window layer, an upper tunnel diode, an upper photoactive pn junction grown from GaInP and a contact sublayer.

Недостатками известного многопереходного солнечного элемента является неполное собирание носителей из базового слоя среднего фотоактивного p-n перехода, связанное, как с отсутствием слоя тыльного потенциального барьера, препятствующего выходу фотогенерированных носителей за пределы фотоактивного перехода, так и отсутствием тянущего электрического поля в базовом слое. Это приводит к уменьшению тока, генерируемого, как этим переходом, так и всем элементом в целом.The disadvantages of the known multi-junction solar cell are the incomplete collection of carriers from the base layer of the middle photoactive p-n junction, associated both with the absence of a back potential barrier layer preventing photogenerated carriers from leaving the photoactive junction and the absence of a pulling electric field in the base layer. This leads to a decrease in the current generated by both this transition and the entire element as a whole.

Известен многопереходный солнечный элемент (см. заявка US 2003/0136442, МПК H01L 31/00, опубликована 24.08.2003), включающий три фотоактивных p-n перехода, разделенных туннельными диодами, нижний, созданный в подложке Ge, средний, на основе InGaAs, и верхний, выращенный из GaInP, при этом базовый слой среднего фотоактивного перехода включает область переменного состава InGaAs с изменением ширины запрещенной зоны.A multi-junction solar cell is known (see application US 2003/0136442, IPC H01L 31/00, published August 24, 2003), including three photoactive pn junctions separated by tunnel diodes, the lower one created in a Ge substrate, the middle one, based on InGaAs, and the upper one grown from GaInP, and the base layer of the average photoactive transition includes a region of variable InGaAs composition with a change in the band gap.

Недостатками известного многопереходного солнечного элемента являются: наличие напряжений кристаллической решетки и, как следствие, дислокаций несоотвтествия в базовом слое среднего перехода, связанных с использованием слоя InGaAs с отличным от GaAs параметром решетки. Это приводит к падению диффузионных длин носителей в слое и, несмотря на наличие сильного тянущего поля, выражается в уменьшении собирания носителей.The disadvantages of the known multi-junction solar cell are: the presence of crystal lattice stresses and, as a result, mismatch dislocations in the base layer of the middle transition associated with the use of an InGaAs layer with a lattice parameter different from GaAs. This leads to a decrease in the diffusion lengths of the carriers in the layer and, despite the presence of a strong pulling field, is expressed in a decrease in the collection of carriers.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является многопереходный солнечный элемент (см. патент RU 2382439, МПК H01L 31/0304, опубликован 20.02.2010), принятый за прототип и включающий подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P. буферный слой n-Ga_0,99In_0,01As, нижний туннельный диод, средний p-n переход, включающий слой тыльного потенциального барьера, базовый слой с постоянным уровнем легирования 7·10¹⁶-2·10¹⁷ см^-3, эмиттерный слой и слой широкозонного окна, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, и контактный подслой.The closest to this technical solution for the combination of essential features is a multi-junction solar cell (see patent RU 2382439, IPC H01L 31/0304, published 02.20.2010), adopted as a prototype and includes a p-Ge substrate in which a lower pn junction is created and n-Ga _0.51 In _0.49 P. nucleation layer successively grown on a substrate; n-Ga buffer layer _0.99 In _0.01 As; lower tunnel diode; middle pn junction, including back potential barrier layer; base layer with a constant doping level 7 · 10 ¹⁶ -2 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , emitter layer and layer w Irocone window, upper tunnel diode, upper pn junction, and contact sublayer.

В структуре многопереходного солнечного элемента-прототипа важную роль играет слой тыльного потенциального барьера, препятствующий выходу носителей, фотогенерированных в базовом слое, за его пределы, где они рекомбинируют в нижнем туннельном диоде, не давая вклад в фототок. Кроме того, заявленный низкий уровень легирования позволяет повысить диффузионную длину носителей и увеличить вероятность их собирания. Недостатком известного многопереходного солнечного элемента-прототипа является малая эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию из-за неполного собирания носителей из базового слоя среднего перехода.An important role in the structure of a multi-junction solar prototype solar cell is played by a layer of the back potential barrier, which prevents carriers that are photogenerated in the base layer from going beyond where they recombine in the lower tunnel diode without contributing to the photocurrent. In addition, the claimed low doping level allows to increase the diffusion length of the carriers and increase the likelihood of their collection. A disadvantage of the known multi-junction solar cell prototype is the low efficiency of converting solar radiation into electrical energy due to incomplete collection of carriers from the base layer of the middle junction.

Задачей настоящего технического решения является увеличение собирания носителей из базового слоя среднего p-n перехода GaInP/GaInAs/Ge многопереходного солнечного элемента, что выражается в увеличении его фототока и КПД всего элемента в целом.The objective of this technical solution is to increase the collection of carriers from the base layer of the middle p-n junction of the GaInP / GaInAs / Ge multi-junction solar cell, which is expressed in an increase in its photocurrent and efficiency of the entire cell as a whole.

Поставленная задача достигается тем, что многопереходный солнечный элемент, содержит подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P, буферный слой n-Ga_0,99In_0,01As, нижний туннельный диод, средний p-n переход, содержащий слой тыльного потенциального барьера, базовый слой с областью постоянного легирования и эмиттерный слой, а также широкозонное окно, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, содержащий слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои, а также широкозонное окно, и контактный n⁺-подслой.This object is achieved in that the multi-junction solar cell contains a p-Ge substrate in which a lower pn junction is created and an n-Ga _0.51 In _0.49 P nucleation layer successively grown on the substrate, an n-Ga _0.99 In buffer layer _0.01 As, lower tunnel diode, middle pn junction containing the back potential barrier layer, base layer with the constant doping region and emitter layer, as well as a wide-gap window, upper tunnel diode, upper pn junction containing the back potential barrier layer, the base and emitter layers as well e Wide window, and a contact n ⁺ -podsloy.

Новым в многопереходном солнечном элементе является выполнение в базовом слое среднего p-n перехода последовательно выращенной области переменного легирования, примыкающей непосредственно к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода.New in a multi-junction solar cell is the implementation in the base layer of the middle p-n junction of a successively grown region of variable doping adjacent directly to the back potential layer of the middle p-j junction.

Область переменного легирования, примыкающая непосредственно к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода, обеспечивает появление тянущего электрического поля в области переменного легирования, которое помогает носителям, фотогенерированным только в самой глубине базового слоя, достичь области объемного заряда, где происходит их разделение. При этом главное новшество состоит в том, что область с тянущим полем занимает лишь необходимую часть базового слоя, что сохраняет высокую вероятность разделения всех фотогенерированных носителей.The variable doping region adjacent directly to the back potential layer of the middle pn junction provides the appearance of a pulling electric field in the variable doping region, which helps carriers photogenerated only at the very depth of the base layer to reach the space charge region where they are separated. Moreover, the main innovation is that the region with the pulling field occupies only the necessary part of the base layer, which preserves the high probability of separation of all photogenerated carriers.

В многопереходном солнечном элементе толщина области переменного легирования базового слоя среднего p-n перехода может составлять 0,9-1,1 мкм при уровне легирования в месте примыкания к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода 2-5·10¹⁸ см^-3, а в месте примыкания к области постоянного легирования базового слоя среднего p-n перехода 0,5·10¹⁷-1·10¹⁷ см^-3.In a multi-junction solar cell, the thickness of the region of alternating doping of the base layer of the middle pn junction can be 0.9-1.1 μm at a doping level at the junction of the back potential barrier of the middle pn junction of 2-5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , and in adjacent to the region of constant doping of the base layer of the average pn junction 0.5 · 10 ¹⁷ -1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 .

Буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего p-n перехода и контактный подслой в многопереходном солнечном элементе могут быть выполнены из Ga_0,99In_0,01As, согласованного по параметру решетки с подложкой p-Ge, а нуклеационный слой, слой тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода, базовый и эмиттерный слои верхнего p-n перехода могут быть выполнены из твердого раствора Ga_0,51In_0,49P, согласованного по параметру решетки с подложкой p-Ge.The buffer layer, base and emitter layers of the pn junction and middle sublayer in contact multijunction solar cell may be formed of Ga _0,99 In _0,01 As, coherent lattice parameter with the substrate p-Ge, a nucleation layer, a rear potential barrier medium pn junction, the base and emitter layers of the upper pn junction can be made of a Ga _0.51 In _0.49 P solid solution matched by the lattice parameter to the p-Ge substrate.

Широкозонное окно для среднего p-n перехода в многопереходном солнечном элементе может быть выполнено из двух слоев Ga_0,51In_o,49P/Al_0.53In_0.47P, тыльный потенциальный барьер верхнего p-n перехода может быть выполнен из слоя AIGaInP, согласованного по параметру решетки с подложкой p-Ge, а слой широкозонного окна верхнего p-n перехода может быть выполнен из n-Al_0.53In_0.47P.Wide window average pn transition multijunction solar cell may be formed of two layers of Ga _0,51 In _{o, 49} P / Al _0.53 In _0.47 P, the potential barrier of the upper rear pn transition may be made of AIGaInP layer coherent lattice parameter with p-Ge substrate, and the wide-gap window layer of the upper pn junction can be made of n-Al _0.53 In _0.47 P.

Толщина буферного слоя в многопереходном солнечном элементе может составлять 0,7-1,2 мкм, при уровне легирования атомами кремния 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина слоя тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода может составлять 80-110 нм при уровне легирования атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина области постоянного легирования базового слоя среднего p-n перехода может составлять 2-2,4 мкм, при уровне легирования атомами цинка 5·10¹⁶-1·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя среднего p-n перехода может составлять 0,1-0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами кремния слоев широкозонного «окна» среднего p-n перехода может составлять 0,2·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода может составлять 0,05-0,1 мкм при уровне легирования атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, толщина базового слоя верхнего p-n перехода может составлять 0,3-0,9 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 0,5·10¹⁷-2·10¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя верхнего p-n перехода может составлять 0,1-0,2 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего p-n перехода может составлять 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3 при его толщине 20-40 нм, толщина контактного подслоя может составлять 0,3-0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3 The thickness of the buffer layer in a multi-junction solar cell can be 0.7-1.2 μm, with a doping level of silicon atoms of 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the layer thickness of the back potential barrier of the average pn junction can be 80-110 nm at a level of doping with zinc atoms of 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the thickness of the region of constant doping of the base layer of the middle pn junction can be 2-2.4 μm, with a level of doping with zinc atoms of 5 · 10 ¹⁶ -1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , the thickness of the emitter layer of the average pn junction can be 0.1-0.15 microns at a level of doping with atoms silicon 1 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the level of doping with silicon atoms of the layers of the wide-gap “window” of the average pn junction can be 0.2 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the thickness of the layer of the back potential barrier of the upper pn transition can be 0.05-0.1 μm with a level of doping with zinc atoms of 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the thickness of the base layer of the upper pn junction can be 0.3-0.9 μm, and the level of doping with atoms zinc - 0.5 · 10 ¹⁷ -2 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , the thickness of the emitter layer of the upper pn junction can be 0.1-0.2 microns at a level of doping with silicon atoms of 2 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 level the doping with silicon atoms of the layer of wide-gap “window” of the upper pn junction can be 0.5 · 10 ¹⁸ -1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 at a thickness of 20-40 nm, the thickness of the contact sublayer can be 0.3-0.5 microns, and the level of doping with silicon atoms is 2 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3

Важной особенностью настоящего изобретения является возможность обеспечения полного собирания фотогенерированных носителей из базового слоя среднего перехода. Это достигается тем, что в последовательно выращенной области переменного легирования базового слоя среднего p-n перехода создается тянущее поле, которое увеличивает вероятность собирания носителей, рожденных на максимальном удалении от области p-n перехода. При этом в остальной области базового слоя среднего p-n перехода уровень легирования остается малым, что обуславливает достаточную диффузионную длину для разделения носителей, рожденных ближе к среднему p-n переходу. Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где: на фиг.1 схематически показан настоящий многопереходный солнечный элемент;An important feature of the present invention is the ability to ensure complete collection of photogenerated carriers from the base layer of the middle transition. This is achieved by the fact that in the successively grown region of variable doping of the base layer of the middle p-n junction, a pulling field is created, which increases the probability of collecting carriers born at the maximum distance from the p-n junction region. Moreover, in the rest of the base layer of the middle pn junction, the doping level remains small, which determines a sufficient diffusion length for the separation of carriers born closer to the middle pn junction. The present technical solution is illustrated by drawings, where: in Fig.1 schematically shows the present multi-junction solar cell;

на фиг.2 изображены полученные экспериментально спектральные характеристики верхнего перехода (кривая 1) многопереходных солнечных элементов на основе GaInP/GaInAs/Ge и средних p-n переходов (2-е постоянным легированием базового слоя среднего p-n перехода толщиной 3,4 мкм, 3-е базовым слоем, включающим переменное легирование на всей толщине 3,4 мкм и 4 - с базовым слоем, включающим область переменного легирования толщиной 1 мкм и область постоянного легирования толщиной 2,4 мкм).figure 2 shows the experimentally obtained spectral characteristics of the upper junction (curve 1) of multi-junction solar cells based on GaInP / GaInAs / Ge and average pn junctions (2nd constant doping of the base layer of the middle pn junction with a thickness of 3.4 μm, 3rd basic a layer including alternating doping over the entire thickness of 3.4 μm and 4 with a base layer including an alternating alloying region of 1 μm thickness and a constant alloying region of 2.4 μm thickness)

В каждом фотоактивном p-n переходе генерация носителей заряда происходит во всех областях: эмиттере, области объемного заряда и базовом слое. При этом глубина поглощения фотонов пропорциональна их длине волны, что обуславливает поглощение наиболее длинноволновых фотонов в глубине p-n перехода. При этом разделение фотогенерированных носителей происходит только в области объемного заряда, где присутствует сильное поле p-n перехода. Это приводит к 100% вероятности разделения носителей, рожденных в области объемного заряда.In each photoactive pn junction, charge carrier generation occurs in all areas: the emitter, the space charge region, and the base layer. In this case, the photon absorption depth is proportional to their wavelength, which leads to the absorption of the longest-wavelength photons in the depth of the pn junction. In this case, the separation of photogenerated carriers occurs only in the space charge region, where a strong pn junction field is present. This leads to a 100% probability of separation of carriers born in the space charge region.

Для разделения носителей, рожденных на некотором расстоянии от области объемного заряда в эмиттерном или базовом слоях, предварительно требуется их диффузия к области объемного заряда. В этом случае вероятность разделения будет некоторое время сохраняться при увеличении расстояния от области объемного заряда. Однако, начиная с некоторого расстояния пропорционального диффузионной длине носителей заряда, вероятность разделения начнет резко уменьшаться с увеличением толщины, так как диффузионной длинны носителей не будет хватать для их диффузии до области объемного заряда, и они будут рекомбинировать до момента разделения. Одним из способов увеличения вероятности разделения носителей является создание встроенного электрического поля, которое будет дополнительно тянуть носители к области объемного заряда. Такое поле возможно создать либо уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника от слоя тыльного потенциального барьера, либо уменьшением уровня легирования. Однако создание тянущего поля во всей базовой области при помощи изменения уровня легирования может не иметь сильного влияния на вероятность разделения длинноволновых носителей частично из-за меньшей величины создаваемого поля, но в основном из-за того, что области с большим легированием будут характеризоваться меньшей диффузионной длиной. Таким образом, эффект тянущего поля будет нивелироваться уменьшением диффузионной длины. Настоящее изобретение решает эту проблему, так как тянущее поле занимает лишь часть базовой области.For the separation of carriers born at a certain distance from the space charge region in the emitter or base layers, their diffusion to the space charge region is first required. In this case, the separation probability will remain for some time as the distance from the space charge region increases. However, starting from a certain distance proportional to the diffusion length of the charge carriers, the probability of separation will begin to decrease sharply with increasing thickness, since the diffusion length of the carriers will not suffice for their diffusion to the space charge region, and they will recombine until separation. One of the ways to increase the probability of carrier separation is to create an integrated electric field that will additionally pull the carriers to the space charge region. Such a field can be created either by decreasing the band gap of the semiconductor from the back potential barrier layer, or by decreasing the doping level. However, the creation of a pulling field in the entire base region by changing the doping level may not have a strong effect on the probability of separation of long-wavelength carriers, partly due to the smaller size of the created field, but mainly due to the fact that regions with high doping will have a smaller diffusion length . Thus, the effect of the pulling field will be leveled by a decrease in the diffusion length. The present invention solves this problem, since the pulling field occupies only part of the base region.

Настоящий многопереходный солнечный элемент показан на фиг.1. Он состоит из подложки 1, например p-Ge, нижнего p-n перехода 2, созданного в подложке 1, нуклеационного слоя 3, выполненного, например, из n-Ga_0,51In_0,49P, буферного слоя 4, выполненного, например, из n-Ga_0,99In_0,01As, толщиной, например, 0,7-1,2 мкм, с уровнем легирования, например, атомами кремния 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, нижнего туннельного диода 5, среднего p-n перехода 6 на основе, например, Ga_0,99In_0,01As, содержащего слой тыльного потенциального барьера 7, выполненного, например, из p-Ga_0,51In_0,49P толщиной, например, 80-110 нм при уровне легирования, например, атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, область 8 переменного легирования базового слоя 9 толщиной, например, 0,9-1,1 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка в месте примыкания к слою тыльного потенциального барьера 7 среднего p-n перехода 2-5·10¹⁸ см^-3, а в месте примыкания к области постоянного легирования 0,5·10¹⁷-1·10¹⁷ см^-3, область 10 постоянного легирования базового слоя 9, толщиной например, 2-2,4 мкм, при уровне легирования, например, атомами цинка 5·10¹⁶-1·10¹⁷ см^-3, эмиттерный слой 11 толщиной, например, 0,1-0,15 мкм при уровне легирования, например, атомами кремния 1·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, и широкозонное «окно» 12, содержащее, например, пару слоев Ga_0,51In_0,49P/Al_0.53In_0.47P, легированных, например, атомами кремния на уровне 0,2·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, верхнего туннельного диода 13, верхнего p-n перехода 14 на основе, например, материала Ga_0,51In_0,49P, содержащего слой 15 тыльного потенциального барьера толщиной, например, 0,05-0,1 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 1·10¹⁸-2·10¹⁸ см^-3, базовый слой 16 толщиной, например, 0,6-0,7 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 0,5·10¹⁷-2·10¹⁷ см^-3, эмиттерный слой 17 толщиной, например, 0,1-0,2 мкм при уровне легирования, например, атомами кремния 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3, широкозонное «окно» 18, например из n-Al_0.53In_0.47P толщиной, например, 20-40 нм, легированного, например, атомами кремния на уровне 0,5·10¹⁸-1·10¹⁸ см^-3, и контактный подслой 19, например из n⁺-Ga_0,99In_0,01As, толщиной, например, 0,3-0,5 мкм, и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например 2·10¹⁸-5·10¹⁸ см^-3.The present multi-junction solar cell is shown in FIG. It consists of a substrate 1, for example p-Ge, a lower pn junction 2 created in the substrate 1, a nucleation layer 3 made, for example, of n-Ga _0.51 In _0.49 P, a buffer layer 4, made, for example, from n-Ga _0.99 In _0.01 As, with a thickness of, for example, 0.7-1.2 μm, with a doping level of, for example, silicon atoms 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , of the lower tunnel diode 5, the average pn junction 6 based on, for example, Ga _0.99 In _0.01 As, containing a layer of the back potential barrier 7 made, for example, of p-Ga _0.51 In _0.49 P thick, for example, 80- 110 nm at a doping level, for example, with zinc atoms 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ^{1 8} cm ^-3 , region 8 of alternating doping of the base layer 9 with a thickness of, for example, 0.9-1.1 μm at a doping level of, for example, zinc atoms at the junction of the back potential barrier 7 of the middle pn junction 2-5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , and at the point of contact with the region of constant doping, 0.5 · 10 ¹⁷ -1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , region 10 of constant doping of the base layer 9, for example, 2-2.4 μm thick, at the doping level, for example , zinc atoms 5 · 10 ¹⁶ -1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , the emitter layer 11 is, for example, 0.1-0.15 microns thick at the doping level, for example, silicon atoms 1 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ s m ^-3 , and a wide-gap “window” 12, containing, for example, a pair of Ga _0.51 In _0.49 P / Al _0.53 In _0.47 P layers doped, for example, with silicon atoms at the level of 0.2 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the upper tunneling diode 13, the upper pn junction 14 based on, for example, Ga _0.51 In _0.49 P material containing a layer 15 of the back potential barrier with a thickness of, for example, 0.05-0.1 μm at the doping level, for example, with zinc atoms 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the base layer 16 is thick, for example, 0.6-0.7 μm with the doping level, for example, with zinc atoms 0.5 · 10 ¹⁷ - 2 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , emitter layer 17 thick, for example, 0.1-0.2 microns at ur In addition to doping, for example, with silicon atoms 2 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , a wide-gap “window” 18, for example from n-Al _0.53 In _0.47 P with a thickness, for example, 20-40 nm, doped, for example, with silicon atoms at the level of 0.5 · 10 ¹⁸ -1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , and the contact sublayer 19, for example from n ⁺ -Ga _0.99 In _0.01 As, with a thickness, for example, 0.3-0.5 microns, and the level of doping, for example, silicon atoms, comprising, for example, 2 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 .

Важной особенностью многопроходных солнечных элементов на основе GaInP/GaInAs/Ge является тот факт, что для всех слоев, составляющих фотоактивные p-n переходы, за исключением базового слоя среднего p-n перехода, обеспечивается максимально собирание фотогенерированных носителей. Для эмиттерных слоев всех p-n переходов это обуславливается их малой толщиной, что позволяет обеспечить максимальное разделение носителей даже при очень малой их диффузионной длине. Для базового слоя нижнего p-n перехода это обусловлено очень высокими диффузионными длинами носителей (вплоть до 100-200 мкм) в германии, а для базового слоя верхнего p-n перехода - относительно малой его толщиной. Однако для полного поглощения фотонов, преобразуемых средним p-n переходом, необходимо чтобы его толщина его базового слоя составляла 3-3.4 мкм, что делает этот слой наиболее критичным при обеспечении полного разделения носителей, генерирующихся в нем. Как правило, диффузионные длины в базовом слое среднего p-n перехода достаточны для обеспечения полного разделения носителей с глубины 2.0-2,4 мкм в зависимости от уровня легирования этого слоя. Вероятность разделение носителей, рожденных на большем удалении от области объемного заряда, начинает уменьшаться, что выражается в падении внешней квантовой эффективности в длинноволновой области (фиг.2, кривая 2).An important feature of multi-pass solar cells based on GaInP / GaInAs / Ge is the fact that for all layers making up the photoactive p-n junctions, with the exception of the base layer of the middle p-n junction, the maximum collection of photogenerated carriers is ensured. For the emitter layers of all p-n junctions, this is due to their small thickness, which allows for maximum carrier separation even with a very small diffusion length. For the base layer of the lower pn junction, this is due to the very high diffusion lengths of the carriers (up to 100-200 μm) in Germany, and for the base layer of the upper pn junction, its relatively small thickness. However, for the complete absorption of photons transformed by the middle pn junction, it is necessary that its thickness of its base layer be 3-3.4 μm, which makes this layer the most critical in ensuring complete separation of the carriers generated in it. As a rule, the diffusion lengths in the base layer of the middle pn junction are sufficient to ensure complete separation of carriers from a depth of 2.0–2.4 μm, depending on the level of doping of this layer. The probability of separation of carriers born at a greater distance from the space charge region begins to decrease, which is reflected in a decrease in the external quantum efficiency in the long-wavelength region (Fig. 2, curve 2).

Введение тянущего поля за счет переменного легирования во всем базовом слое среднего p-n перехода не приводит к увеличению собирания носителей из глубины этого слоя, так как эффект тянущего поля нивелируется уменьшением диффузионной длины носителей в областях с большим легированием (фиг.2, кривая 3). Однако введение тянущего поля только в область, где вероятность разделения падает, а именно в область толщиной 0,9-1,1 мкм, позволяет обеспечить повышенное собирание из этой области (фиг.2, кривая 4), что выражается в увеличении длинноволновой фоточувствительности в области более 800 нм и обуславливает заметный прирост фототока.The introduction of the pulling field due to alternating doping in the entire base layer of the middle pn junction does not lead to an increase in the collection of carriers from the depth of this layer, since the effect of the pulling field is offset by a decrease in the diffusion length of the carriers in regions with high doping (Fig. 2, curve 3). However, the introduction of the pulling field only in the region where the separation probability falls, namely in the region with a thickness of 0.9-1.1 μm, allows for increased collection from this region (Fig. 2, curve 4), which is expressed in an increase in the long-wavelength photosensitivity in region of more than 800 nm and causes a noticeable increase in photocurrent.

Пример. Был создан многопереходный солнечный элемент на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой был создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 100 нм, n-Ga_0,99In_0,01As буферный слой толщиной 1 мкм, n⁺⁺-GaAs нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p-Ga_0,52In_0,48P тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой среднего p-n перехода p-Ga_0,99In_0,01As, включающий область переменного легирования толщиной 1 мкм и уровнем легирования атомами цинка в месте примыкания к слою тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода 3·10¹⁸ см^-3, а в месте примыкания к области постоянного легирования 6·10¹⁶ см^-3 и область постоянного легирования толщиной 2,4 мкм с уровнем легирования атомами цинка 6·10¹⁶ см^-3, эмиттерный слой n-Ga_0,99In_0,01As среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, слои n-Ga_0,52In_0,48P/n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» среднего p-n перехода толщиной 100 и 30 нм соответственно, слой n⁺⁺-GaAs верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p-AlGaInP тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой p-Ga_0,51In_0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,65 мкм, n-Ga_0,51In_0,49P эмиттерный слой верхнего p-n перехода толщиной 0,05 мкм, слой n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» верхнего p-n перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n⁺-GaAs толщиной 300 нм. Такой многопереходный солнечный элемент продемонстрировал повышенную фоточувствительность среднего p-n перехода в области длин волн более 800 нм. При этом фототок среднего p-n перехода составил 17,13 мА/см².Example. A multi-junction solar cell was created on the basis of a structure containing a p-Ge substrate in which a lower pn junction was created and successively deposited layers: an n-Ga _0.51 In _0.49 P nucleation layer 100 nm thick, n-Ga _{0, 99} In _0.01 As buffer layer 1 μm thick, n ⁺⁺ -GaAs lower tunnel diode 0.03 μm thick, p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As lower tunnel diode 0.03 μm thick, layer p-Ga _0.52 In _0.48 P back potential barrier of the average pn junction 0.1 μm thick, the base layer of the average pn junction p-Ga _0.99 In _0.01 As, including a variable doping region 1 μm and the level of doping with zinc atoms at the junction of the rear potential barrier layer with an average pn junction of 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3 , and at the junction with the region of constant doping of 6 × 10 ¹⁶ cm ^-3 and the region of constant doping with a thickness of 2.4 μm the level of doping with zinc atoms is 6 · 10 ¹⁶ cm ^-3 , the n-Ga emitter layer is _0.99 In _0.01 As an average pn junction 0.1 μm thick, n-Ga layers are _0.52 In _0.48 P / n-Al _0.53 In _0.47 P wide-gap “window” of the middle pn junction with a thickness of 100 and 30 nm, respectively, the n ⁺⁺ GaAs layer of the upper tunnel diode with a thickness of 0.015 μm, the p ⁺⁺ Al Al layer of _0.4 Ga _0.6 As of the upper tun ceiling elements diode 0.015 microns thick, a layer of p-AlGaInP upper rear of the potential barrier pn transition 0.1 microns thick, a base layer of p-Ga _0,51 In _0,49 P 0,65 upper pn transition microns thick, n-Ga _0,51 In _0.49 P, the emitter layer of the upper pn junction is 0.05 μm thick, the n-Al layer is _0.53 In _0.47 P the wide-gap “window” of the upper pn junction is 0.03 μm thick and the n ⁺ -GaAs contact sublayer is 300 nm thick . Such a multi-junction solar cell demonstrated increased photosensitivity of the average pn junction in the wavelength region of more than 800 nm. The photocurrent of the average pn junction was 17.13 mA / cm ² .

Сопоставительный пример. Для сравнения был создан многопереходный солнечный элемент на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой был создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 100 нм, n-Ga_0,99In_0,01As буферный слой толщиной 1 мкм, n⁺⁺-GaAs нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p-Ga_0,52In_0,48P тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой среднего p-n перехода p-Ga_0,99In_0,01As толщиной 3,4 мкм с уровнем легирования атомами цинка 6·10¹⁶ см^-3, эмиттерный слой n-Ga_0,99In_0,01As среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, слои n-Ga_0,52In_0,48/n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» среднего p-n перехода толщиной 100 и 30 нм соответственно, слой n⁺⁺-GaAs верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p-AlGaInP тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой p-Ga_0,51In_0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,65 мкм, n-Ga_0,51In_0,49P эмиттерный слой верхнего p-n перехода толщиной 0,05 мкм, слой n-Al_0,53In_0,47P широкозонного «окна» верхнего p-n перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n⁺-GaAs толщиной 300 нм. Такой многопереходный солнечный элемент продемонстрировал уменьшение фоточувствительности среднего p-n перехода в области длин волн более 800 нм. При этом фототок среднего перехода составил 16,4 мА/см².Comparative example. For comparison, a multi-junction solar cell was created on the basis of a structure containing a p-Ge substrate in which a lower pn junction was created, and successively deposited layers: an n-Ga _0.51 In _0.49 P nucleation layer 100 nm thick, n-Ga _0.99 In _0.01 As buffer layer 1 μm thick, n ⁺⁺ -GaAs of the lower tunnel diode 0.03 μm thick, p ⁺⁺ -Al _0.4 Ga _0.6 As layer of the lower tunnel diode 0.03 μm thick , a layer of p-Ga _0,52 In _0,48 P-back potential barrier medium pn transition 0.1 microns thick, a base layer medium pn transition p-Ga _0.99 In _0.01 As 3.4 micron thick doping level with atoms Zinc s 6 x 10 ¹⁶ cm ^-3, emitter layer is n-Ga _0,99 In _0,01 As pn transition medium thickness 0.1 micron layers of _{_{n-Ga 0,52 In 0,48 / n}} -Al 0,53 In _0.47 P of the wide-gap “window” of the middle pn junction with a thickness of 100 and 30 nm, respectively, the n ⁺⁺ GaAs layer of the upper tunnel diode with a thickness of 0.015 μm, the p ⁺⁺ Al Al layer of _0.4 Ga _0.6 As of the upper tunnel diode with a thickness 0.015 μm, p-AlGaInP layer of the back potential barrier of the upper pn junction 0.1 μm thick, base p-Ga layer _0.51 In _0.49 P of the upper pn junction 0.65 μm thick, n-Ga _0.51 In _{0, 49} P emitter layer of the upper pn junction 0.05 μm thick, n-Al layer _0.53 In _0.47 P wide-gap “window” the upper pn junction 0.03 μm thick and the n ⁺ GaAs contact sublayer 300 nm thick. Such a multi-junction solar cell demonstrated a decrease in the photosensitivity of the average pn junction in the wavelength region of more than 800 nm. In this case, the photocurrent of the average transition was 16.4 mA / cm ² .

Claims

1. A multi-junction solar cell containing a p-Ge substrate in which a lower pn junction is created, and an n-Ga _0.51 ln _0.49 P nucleation layer sequentially grown on the substrate, n-Ga buffer layer _0.99 In _0.01 As, the lower tunnel diode, the middle pn junction containing the back potential barrier layer, the base layer with the constant doping region and the emitter layer, as well as the wide-gap window, the upper tunnel diode, the upper pn junction containing the back potential barrier layer, the base layer, and the emitter layer as well as a wide-area window, and d n ⁺ -podsloy, wherein the base layer secondary pn transition comprises successively grown alternating doping region adjacent directly to the rear layer of the potential barrier medium pn junction.

2. The solar cell according to claim 1, characterized in that the thickness of the region of alternating doping of the base layer of the middle pn junction is 0.9-1.1 μm at a doping level at the junction of the back potential barrier of the middle pn junction 2-5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , and at the point of contact with the region of constant doping of the base layer of the middle pn junction - 0.5 · 10 ¹⁷ -1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 .

3. The solar cell according to claim 1, characterized in that the buffer layer, the base and emitter layers of the middle pn junction and the contact sublayer are made of Ga _0.99 ln _0.01 As, matched by the lattice parameter to the p-Ge substrate, and the nucleation the layer, the back potential barrier layer of the middle pn junction, the base and emitter layers of the upper pn junction are made from a Ga _0.51 ln _0.49 P solid solution matched by the lattice parameter to the p-Ge substrate.

4. The solar cell according to claim 1, characterized in that the wide-gap window for the middle pn junction is made of two layers of Ga _0.51 ln _0.49 P / Al _0.53 In _0.47 P, the back potential barrier of the upper pn junction is made of the AIGalnP layer, matched by the lattice parameter to the p-Ge substrate, and the layer of the wide-gap window of the upper pn junction is made of n-Al _0.53 In _0.47 P.

5. The solar cell according to claim 1, characterized in that the thickness of the buffer layer is 0.7-1.2 μm, and the doping level with silicon atoms is 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the layer thickness of the back potential barrier is average the pn junction is 80-110 nm with a doping level of zinc atoms of 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the thickness of the region of constant doping of the base layer of the middle pn junction is 2-2.4 μm, and the level of doping with zinc atoms is 5 · 10 ¹⁶ -1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , the thickness of the emitter layer of the average pn junction is 0.1-0.15 microns at the level of doping at ohms of silicon 1 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the level of doping with silicon atoms of the layers of the wide-gap “window” of the average pn junction is 0.2 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the thickness of the layer of the back potential barrier of the upper pn transition is 0.05-0.1 μm, and the level of doping with zinc atoms is 1 · 10 ¹⁸ -2 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , the thickness of the base layer of the upper pn junction is 0.3-0.9 μm, and the level of doping with atoms zinc is 0.5 · 10 ¹⁷ -2 · 10 ¹⁷ cm ^-3 , the thickness of the emitter layer of the upper pn junction is 0.1-0.2 microns at a level of doping with silicon atoms of 2 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , ur the ram of doping with silicon atoms of the wide-gap “window” layer of the upper pn junction is 0.5 · 10 ¹⁸ -1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 with a thickness of 20-40 nm, the thickness of the contact sublayer is 0.3-0.5 μm, and the level doping with silicon atoms is 2 · 10 ¹⁸ -5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 .