WO2016013954A1 - Cascade photoconverter with quantum-sized structures - Google Patents
Cascade photoconverter with quantum-sized structures Download PDFInfo
- Publication number
- WO2016013954A1 WO2016013954A1 PCT/RU2014/000564 RU2014000564W WO2016013954A1 WO 2016013954 A1 WO2016013954 A1 WO 2016013954A1 RU 2014000564 W RU2014000564 W RU 2014000564W WO 2016013954 A1 WO2016013954 A1 WO 2016013954A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- layer
- indium
- galnp
- gaas
- atoms
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 58
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical group [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 44
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 17
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 9
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims description 8
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 7
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 6
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 4
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 claims description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 2
- 102000010410 Nogo Proteins Human genes 0.000 claims 1
- 108010077641 Nogo Proteins Proteins 0.000 claims 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 10
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 abstract description 6
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 13
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 12
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N tribenuron methyl Chemical compound COC(=O)C1=CC=CC=C1S(=O)(=O)NC(=O)N(C)C1=NC(C)=NC(OC)=N1 VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/075—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PIN type, e.g. amorphous silicon PIN solar cells
- H01L31/076—Multiple junction or tandem solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
Definitions
- the invention relates to semiconductor photoconverters (solar cells), which convert the energy of light photons into electricity, and can be used in the semiconductor industry to create systems for generating electrical energy.
- semiconductor photoconverters solar cells
- photovoltaics solar energy
- spacecraft photovoltaics (solar energy) is the only source of energy, which largely determines its development, however, in recent years, the share of photovoltaics in the total energy generated by ground-based power plants.
- cascade photoconverters that convert concentrated radiation is one of the most promising ways to achieve parity of solar energy with traditional sources.
- the efficiency of cascade FPs exceeds the efficiency of silicon by 2-3 times, and the cost can be significantly reduced when using cheap lenses that concentrate solar radiation on small-sized FP chips.
- the need for expensive heterostructures of cascade phase transitions, and, consequently, the cost of energy decreases in proportion to the concentration factor, which in modern solar photovoltaic plants reaches 500 - 1000 suns.
- Quantum-sized structures i.e. active semiconductor layers in which the sizes of individual regions are in the range of 5-50 nm. At such sizes, quantum effects can appear in the structures.
- Quantum-sized structures usually include quantum wells (QWs) or quantum dots (QDs), which allow one to change the absorption edge of a bulk material, but they also have a number of limitations.
- QWs quantum wells
- QDs quantum dots
- the use of QWs allows one to obtain a high level of quantum efficiency due to the fact that QWs absorb the entire surface; however, the long-wavelength shift of the absorption edge remains small.
- QDs there is the possibility of a significant shift of the absorption edge, but it is impossible to obtain a high level of quantum efficiency due to the low surface density of such QDs.
- a cascade photoconverter with quantum-well structures is known (see US patent 7,863,516, issued January 4, 2011), including a Ge or GaAs substrate, a set of photoactive transitions, one of which includes layers of self-organized InGaAs QDs separated by spacer layers from GaAs, AlGaAs or GaPAs, while effective the band gap of this transition is 1.16 eV.
- a disadvantage of the known photoconverter with quantum-well structures is the low density of QDs, which is reflected in their low absorption of photons, as well as a low current of the upper transition from Gao 5 ⁇ 0 .5 ⁇ .
- Known cascade photoconverter with quantum-well structures including a photoactive semiconductor Ge substrate, two photoactive pn junctions from Ino oiGaowAs and Gao sIno sP.
- the average transition based on In 0 0 iGao 9 As includes several InAs layers of quantum dots and a layer modulating the elastic stresses of the lattice of In x Gai -x As.
- a disadvantage of the known photoconverter with quantum-well structures is the low density of QDs, which is reflected in their low absorption of photons, as well as a low current of the upper junction from Gao. 5 Ino. 5 P.
- the disadvantage of the known photoconverter prototype is the low absorption in arrays of standard quantum dots, which makes it impossible to ensure current matching for a cascade photoconverter based on GalnP / GalnAs / Ge.
- the objective of this solution is to create a cascade photoconverter with quantum-well structures, providing the possibility of simultaneously expanding the spectral range of the photosensitivity of two subcells based on GalnP and GalnAs, which entails the possibility of fully matching the currents of the cascade photoconverter based on GalnP / GalnAs / Ge and achieving an increased value of its efficiency.
- the increase in efficiency occurs due to an increase in the photocurrent of subcells during the propagation of spectral sensitivity to the long-wavelength region, as well as due to the provision of a high level of photogeneration and separation of charge carriers in quantum-sized structures.
- a semiconductor substrate in which the front surface is misoriented from the crystallographic plane (100),
- at least one photoactive pn junction consisting of a semiconductor material including arsenic (As) and gallium (Ga) atoms, containing at least one active quantum-well semiconductor layer comprising gallium (Ga) indium (In) atoms and arsenic (As), consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms (In), p.
- At least one photoactive pn junction consisting of a semiconductor material comprising phosphorus (P) and gallium (Ga) atoms, containing at least one active quantum-well semiconductor layer comprising indium (In) atoms, gallium (Ga ) and phosphorus (P), consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms (In).
- a cascade photoconverter is proposed in which the active semiconductor layers contain enriched and depleted indium (In) regions.
- a cascade photoconverter is proposed in which the substrate is made of Ge or GaAs.
- a cascade photoconverter is proposed in which GaAs, GalnAs or AlGalnAs are used as the material of the photoactive pn junction, consisting of a semiconductor material including arsenic and gallium atoms.
- a cascade photoconverters in which the active semiconductor layer comprising indium gallium and arsenic atoms, vsholnen of In x Gai -x As with the average content x of indium (30-50) at. %
- a cascade photoconverter in which GalnP or AlGalnP is used as the material of the photoactive pn junction, consisting of a semiconductor material including phosphorus and gallium atoms.
- a cascade photoconverter in which the active semiconductor layer, including indium gallium and phosphorus atoms, is made of In x Ga 1-x P with an average content of x indium (10-20) at. %
- a cascade photoconverter is proposed, in which on the -GaAs substrate, in which the front surface is 6 degrees misoriented from the crystallographic plane (100), a buffer layer of -GaAs is sequentially deposited, the lower photoactive transition including a sequentially deposited back potential layer of barrier / -? AlGaAs or -GalnP, a base layer of / -?
- GaAs a layer of undoped GaAs, comprising at least 10 active semiconductor layers based on in x Gai -x as with the average content x yn Ia (30-50) at. % separated by spacers made of GaAs, an emitter layer of l-GaAs and a layer of a wide-gap window of i-AlGaAs or a two-layer wide-gap window, comprising a layer of i-GaInP and a layer of l-APR, a tunnel diode containing sequentially deposited layers AJ ++ -GaAs or p ++ -GalnP and a ++ -AlGaAs layer, the top photoactive transition including a successively deposited back-potential barrier layer from ⁇ -AlGaInP, a base layer from -GalnP, an undoped layer from GalnP, including at least at least 10 active semiconductor layers based on In x Gai -
- a cascade photoconverter in which a GalnP nucleation layer is sequentially deposited onto the -Ge substrate, whose front surface is 6 degrees misoriented from the crystallographic plane (100), creating a lower photoactive transition in the germanium substrate due to diffusion of phosphorus atoms , a buffer layer of l-GaInAs, with an indium content of 0-2%, the lower tunneling diode, which includes successively deposited layers of the wide-gap barrier, the l ++ layer and p ++ layer, the average photoactive transition an od, including a layer of the back potential barrier of ⁇ -AlGaAs or p-GalnP, a base layer of ⁇ -GalnAs with an indium content of 0-2%, an undoped layer of GalnAs with an indium content of 0-2%, including at least 10 active semiconductor layers based on In x Gai -x As with an average content of x indium
- upper photoactive transition including a sequentially deposited back-potential barrier layer from -AlGalnP, a base layer from -GalnP, an undoped layer from GalnP, comprising at least 10 active semiconductor layers based on In x Gai -x P with an average content x india (10-20) at. %, separated by spacers made of GalnP, an emitter layer of p-GalnP and a wide-gap window layer of i-APR, as well as a contact sublayer of p-GalnP with an indium content of 0-2%.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a real cascade photoconverter with quantum-well structures
- TEM transmission electron microscopy
- New in the cascade photoconverter is the expansion of the spectral sensitivity of two photoactive transitions of the cascade phase transition at the same time due to the use of quantum-dimensional structures based on layers with a spatial change in thickness and composition obtained by growing on a semiconductor substrate in which the front surface is misoriented from the crystallographic plane (100).
- the expansion of the spectral sensitivity of the GalnP subelement, along with the expansion of the spectral sensitivity of the GalnAs subelement, makes it possible to increase the photocurrent of the cascade phase transition and ensure full matching of the currents of the GalnP / GalnAs / Ge subcells.
- Disorientation of the front surface of the semiconductor substrate relative to the crystallographic plane (100) ensures the formation of atomic steps on the front surface of which, during growth, high-density arrays of spatial regions with different indium contents are created in the region of the active semiconductor layer, providing a quantum effect of three-dimensional localization of charge carriers.
- the relaxation of elastic stresses leads to the fact that regions with a high indium content have a greater thickness with respect to regions with a lower indium content.
- quantum-sized structures of the present invention which are layers consisting of regions with different thicknesses and concentrations of indium atoms, it is possible to obtain a high absorption level due to the fact that such layers, unlike QDs, cover the entire surface of the phase transition, and due to the high structural quality due to relaxation of the elastic stresses of the lattice with a spatial change in thickness and composition.
- the present cascade photoconverter with quantum-well structures is shown in FIG. 1. It consists of a semiconductor substrate 1, in which the front surface is misoriented from the crystallographic plane (100) of at least one photoactive pn junction 2, for example, from GalnAs with an indium content of 0-2%, containing at least one active semiconductor layer 3, for example, of In x Ga 1-x As with an average content of x india (30-50) at. %, consisting of regions with different thicknesses and concentrations of indium atoms, and at least one photoactive pn junction 4, for example, from GalnP, containing at least one active semiconductor layer 5, for example, from In x Gai. x P with an average content of x indium (10-20) at. %, consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms.
- Gao materials strictly matched by the lattice parameter are known.
- the main disadvantage of the combination of materials is Gao. 51 In 0 4 9P - Gao 99ln 0 . 01 As - Ge is the large band gap of the middle Gao.99ln 0 01 As subcell.
- the photocurrents of the sub-elements will be:
- the minimum current in the case of absorption of all photons with energies in the range of 1.9-1.4 eV
- the current generated by the lower one will significantly exceed the currents of the upper and middle subelements.
- the total current of the cascade phase transition will be equal to the minimum of the currents of the subcells.
- the Ga 0 5 1 In 0 4 P / Ga 0 99ln 0 oiAs / Ge structure operates in the mode of limiting the current to the average subcell.
- the essence of the invention is to increase the photocurrent of two subcells through the use of active semiconductor layers consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms.
- the active semiconductor layers of a real cascade photoconverter are illustrated by studies using transmission electron microscopy (TEM).
- TEM transmission electron microscopy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
The invention relates to semiconductor photo-converters (solar cells) which convert the energy of photons of light into electricity, and can be used in the semiconductor industry for creating systems for generating electrical energy. The essence of the proposed invention consists in increasing the photocurrent of two sub-cells by means of using active semiconductor layers consisting of regions having various thicknesses and concentrations of indium atoms. The technical result of the present solution consists in creating a cascade photoconverter which allows for simultaneously expanding the spectral range of photosensitivity and for improving the efficiency thereof.
Description
КАСКАДНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КВАНТОВОРАЗМЕРНЫМИ CASCADE PHOTO CONVERTER WITH QUANTUM SIZE
СТРУКТУРАМИ STRUCTURES
Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям (солнечным элементам), которые преобразуют энергию фотонов света в электроэнергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии. The invention relates to semiconductor photoconverters (solar cells), which convert the energy of light photons into electricity, and can be used in the semiconductor industry to create systems for generating electrical energy.
Уровень техники State of the art
В последние десятилетия в мире постоянно возрастал интерес к возобновляемым источникам энергии в частности к возможности использования энергии солнца. Для космических летательных аппаратов фотовольтаика (солнечная энергетика) является единственным источником энергии, что во многом обуславливает ее развитие, однако в последние годы постоянно растет и доля фотовольтаики в общей энергии, генерируемой наземными электростанциями. In recent decades, interest in renewable energy sources, in particular, in the possibility of using solar energy, has constantly increased in the world. For spacecraft, photovoltaics (solar energy) is the only source of energy, which largely determines its development, however, in recent years, the share of photovoltaics in the total energy generated by ground-based power plants.
Разработка каскадных фотопреобразователей (ФП), преобразующих концентрированное излучение, является одним из наиболее перспективных путей к достижению паритета солнечной энергии с традиционными источниками. КПД каскадных ФП превосходит КПД кремниевых в 2-3 раза, а себестоимость может быть заметно уменьшена при использовании дешевых линз, концентрирующих солнечное излучение на чипы ФП малого размера. При этом потребность в дорогостоящих гетероструктурах каскадных ФП, а, следовательно, и себестоимость энергии уменьшаются пропорционально кратности концентрирования, которая в современных солнечных фотоэнергоустановках достигает 500 - 1000 солнц. The development of cascade photoconverters (FPs) that convert concentrated radiation is one of the most promising ways to achieve parity of solar energy with traditional sources. The efficiency of cascade FPs exceeds the efficiency of silicon by 2-3 times, and the cost can be significantly reduced when using cheap lenses that concentrate solar radiation on small-sized FP chips. At the same time, the need for expensive heterostructures of cascade phase transitions, and, consequently, the cost of energy, decreases in proportion to the concentration factor, which in modern solar photovoltaic plants reaches 500 - 1000 suns.
Основной проблемой наиболее перспективных на сегодняшний день каскадных фотопреобразователей, пригодных к промышленному производству, на основе согласованных по параметру решетки материалов GalnP/GalnAs/Ge, является несогласованность токов, генерируемых фотоактивными р-п переходами (субэлементами) такой структуры. Это приводит к тому, что их КПД составляет порядка 39%, при теоретическом пределе более 50%. The main problem of the most promising cascade photoconverters suitable for industrial production today, based on the GalnP / GalnAs / Ge materials matched by the lattice parameter, is the inconsistency of the currents generated by photoactive pn junctions (subcells) of such a structure. This leads to the fact that their efficiency is about 39%, with a theoretical limit of more than 50%.
Значительное ограничение на КПД каскадных ФП накладывают свойства полупроводниковых материалов, из которых выполнены их субэлементы. В первую очередь, это относится к параметру кристаллической решетки. Наличие рассогласования материалов по параметру решетки приводит к накапливанию упругих напряжений, которые будут релаксировать при достижении определённой толщины с образованием дефектов. Необходимость согласования материалов по
параметру решетки накладывает ограничения на край поглощения объемных материалов, так как для полупроводниковых твердых растворов изменение края поглощения, возможное только при изменении состава, как правило, приводит к изменению параметра решетки материала. Таким образом, обеспечение возможности расширения спектрального диапазона фоточувствительности субэлементов каскадного ФП, которое влечет за собой увеличение генерируемого ими фототока, является важной задачей для реализации потенциала КПД каскадных фотопреобразователей . A significant limitation on the efficiency of cascade phase transitions is imposed by the properties of semiconductor materials from which their subelements are made. First of all, this refers to the crystal lattice parameter. The presence of a mismatch of materials with respect to the lattice parameter leads to the accumulation of elastic stresses, which will relax when a certain thickness is reached with the formation of defects. The need for harmonization of materials on the lattice parameter imposes restrictions on the absorption edge of bulk materials, since for semiconductor solid solutions a change in the absorption edge, which is possible only with a change in composition, usually leads to a change in the lattice parameter of the material. Thus, providing the possibility of expanding the spectral range of the photosensitivity of subcells of cascade phase transitions, which entails an increase in the photocurrent generated by them, is an important task for realizing the efficiency potential of cascade photoconverters.
Одним из путей изменения края поглощения полупроводниковых материалов, обеспечивающее, расширение фоточувствительности субэлементов ФП, является использование квантоворазмерных структур, т.е. активных полупроводниковых слоев, в которых размеры отдельных областей находятся в диапазоне 5-50 нм. При таких размерах в структурах могут проявляться квантовые эффекты. Квантоворазмерные структуры обычно включают в себя квантовые ямы (КЯ) или квантовые точки (КТ), которые позволяют изменить край поглощения объёмного материала, однако имеют и ряд ограничений. Использование КЯ позволяет получить высокий уровень квантовой эффективности за счет того, что КЯ поглощает всей поверхностью, однако длинноволновый сдвиг края поглощения остается небольшим. При использовании КТ существует возможность значительного сдвига края поглощения, однако невозможно получение высокого уровня квантовой эффективности вследствие малой поверхностной плотности таких КТ. One of the ways to change the absorption edge of semiconductor materials, which ensures the expansion of the photosensitivity of the subcells of phase transitions, is the use of quantum-sized structures, i.e. active semiconductor layers in which the sizes of individual regions are in the range of 5-50 nm. At such sizes, quantum effects can appear in the structures. Quantum-sized structures usually include quantum wells (QWs) or quantum dots (QDs), which allow one to change the absorption edge of a bulk material, but they also have a number of limitations. The use of QWs allows one to obtain a high level of quantum efficiency due to the fact that QWs absorb the entire surface; however, the long-wavelength shift of the absorption edge remains small. When using QDs, there is the possibility of a significant shift of the absorption edge, but it is impossible to obtain a high level of quantum efficiency due to the low surface density of such QDs.
Известен каскадный фотопреобразователь с квантоворазмерными структурами (см. патент US 7,863,516, выданный 4.01.2011), включающий подложку из Ge или GaAs набор фотоактивных переходов, один из которых включает слои самоорганизованных InGaAs КТ разделенных спейсерными слоями из GaAs, AlGaAs или GaPAs, при этом эффективная ширина запрещенной зоны данного перехода составляет 1.16 эВ. A cascade photoconverter with quantum-well structures is known (see US patent 7,863,516, issued January 4, 2011), including a Ge or GaAs substrate, a set of photoactive transitions, one of which includes layers of self-organized InGaAs QDs separated by spacer layers from GaAs, AlGaAs or GaPAs, while effective the band gap of this transition is 1.16 eV.
Недостатком известного фотопреобразователя с квантоворазмерными структурами является низкая плотность КТ, что выражается в малом поглощении ими фотонов, а так же малый ток верхнего перехода из Gao 5Ιη0.5Ρ. A disadvantage of the known photoconverter with quantum-well structures is the low density of QDs, which is reflected in their low absorption of photons, as well as a low current of the upper transition from Gao 5 Ιη 0 .5Ρ.
Известен каскадный фотопреобразователь с квантоворазмерными структурами (см. патент CN 103280482, выданный 29.04.2012), включающий фотоактивную полупроводниковую подложку Ge два фотоактивных р-п перехода из Ino oiGaowAs и Gao sIno sP. При этом средний переход на основе In0 0iGao9 As
включает несколько слоев InAs квантовых точек и слой, модулирующий упругие напряжения решетки из InxGai-xAs. Known cascade photoconverter with quantum-well structures (see patent CN 103280482, issued April 29, 2012), including a photoactive semiconductor Ge substrate, two photoactive pn junctions from Ino oiGaowAs and Gao sIno sP. Moreover, the average transition based on In 0 0 iGao 9 As includes several InAs layers of quantum dots and a layer modulating the elastic stresses of the lattice of In x Gai -x As.
Недостатком известного фотопреобразователя с квантоворазмерными структурами является низкая плотность КТ, что выражается в малом поглощении ими фотонов, а так же малый ток верхнего перехода из Gao.5Ino.5P. A disadvantage of the known photoconverter with quantum-well structures is the low density of QDs, which is reflected in their low absorption of photons, as well as a low current of the upper junction from Gao. 5 Ino. 5 P.
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является каскадный фотопреобразователь с квантоворазмерными структурами (см. патент JP 2013115249, вьщанный 29.1 1.2011), принятый за прототип и включающий фотоактивную полупроводниковую подложку и несколько фотоактивных р-п переходов, по меньшей мере один из которых включает несколько слоев КТ. The closest to the present technical solution in terms of the set of essential features is a cascade photoconverter with quantum-sized structures (see patent JP 2013115249, extruded 29.1 1.2011), adopted as a prototype and including a photoactive semiconductor substrate and several photoactive pn junctions, at least one of which includes several layers of CT.
В структуре каскадного фотопреобразователя-прототипа важную роль играют массивы квантовых точек, использование которых позволяет увеличить фототок соответствующего субэлемента. An important role in the structure of the cascade photoconverter prototype is played by arrays of quantum dots, the use of which allows one to increase the photocurrent of the corresponding subcell.
Недостатком известного фотопреобразователя-прототипа является малое поглощение в массивах стандартных квантовых точек, что обуславливает невозможность обеспечения согласования по току для каскадного фотопреобразователя на основе GalnP/GalnAs/Ge. The disadvantage of the known photoconverter prototype is the low absorption in arrays of standard quantum dots, which makes it impossible to ensure current matching for a cascade photoconverter based on GalnP / GalnAs / Ge.
Техническая задача Technical challenge
Задачей настоящего решения является создание каскадного фотопреобразователя с квантоворазмерными структурами, обеспечивающего возможность одновременного расширения спектрального диапазона фоточувствительности двух субэлементов на основе GalnP и GalnAs, что влечет за собой возможность полного согласования токов каскадного фотопреобразователя на основе GalnP/GalnAs/Ge и достижение повышенного значения его КПД. Увеличение эффективности происходит за счет увеличения фототока субэлементов при распространении спектральной чувствительности в длинноволновую область, а так же за счет обеспечения высокого уровня фотогенерации и разделения носителей заряда в квантоворазмерных структрах. The objective of this solution is to create a cascade photoconverter with quantum-well structures, providing the possibility of simultaneously expanding the spectral range of the photosensitivity of two subcells based on GalnP and GalnAs, which entails the possibility of fully matching the currents of the cascade photoconverter based on GalnP / GalnAs / Ge and achieving an increased value of its efficiency. The increase in efficiency occurs due to an increase in the photocurrent of subcells during the propagation of spectral sensitivity to the long-wavelength region, as well as due to the provision of a high level of photogeneration and separation of charge carriers in quantum-sized structures.
Решение Decision
Для решения поставленной технической задачи предлагается каскадный фотопреобразователь с квантоворазмерными структурами, включающий To solve the technical problem, a cascade photoconverter with quantum-sized structures is proposed, including
а. полупроводниковую подложку, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100), ,
b. по меньшей мере, один фотоактивный р-п переход, состоящий из полупроводникового материала, включающего атомы мышьяка (As) и галлия (Ga), содержащий, по меньшей мере, один активный квантоворазмерный полупроводниковый слой, включающий атомы индия (In) галлия (Ga) и мышьяка (As), состоящий из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия (In), с. и, по меньшей мере, один фотоактивный р-п переход, состоящий из полупроводникового материала, включающего атомы фосфора (Р) и галлия (Ga), содержащий по меньшей мере один активный квантоворазмерный полупроводниковый слой, включающий атомы индия (In), галлия (Ga) и фосфора (Р), состоящий из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия (In).but. a semiconductor substrate, in which the front surface is misoriented from the crystallographic plane (100),, b. at least one photoactive pn junction consisting of a semiconductor material including arsenic (As) and gallium (Ga) atoms, containing at least one active quantum-well semiconductor layer comprising gallium (Ga) indium (In) atoms and arsenic (As), consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms (In), p. and at least one photoactive pn junction consisting of a semiconductor material comprising phosphorus (P) and gallium (Ga) atoms, containing at least one active quantum-well semiconductor layer comprising indium (In) atoms, gallium (Ga ) and phosphorus (P), consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms (In).
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором активные полупроводниковые слои содержат обогащенные и обедненные индием (In) области. As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverter is proposed in which the active semiconductor layers contain enriched and depleted indium (In) regions.
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором подложка выполнена из Ge или GaAs. As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverter is proposed in which the substrate is made of Ge or GaAs.
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором в качестве материала фотоактивного р-п перехода, состоящего из полупроводникового материала, включающего атомы мышьяка и галлия используется GaAs, GalnAs или AlGalnAs. As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverter is proposed in which GaAs, GalnAs or AlGalnAs are used as the material of the photoactive pn junction, consisting of a semiconductor material including arsenic and gallium atoms.
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором активный полупроводниковый слой, включающий атомы индия галлия и мышьяка, вьшолнен из InxGai-xAs со средним содержанием х индия (30-50) ат. %. As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverters, in which the active semiconductor layer comprising indium gallium and arsenic atoms, vsholnen of In x Gai -x As with the average content x of indium (30-50) at. %
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором в качестве материала фотоактивного р-п перехода, состоящего из полупроводникового материала, включающего атомы фосфора и галлия используется GalnP или AlGalnP. As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverter is proposed, in which GalnP or AlGalnP is used as the material of the photoactive pn junction, consisting of a semiconductor material including phosphorus and gallium atoms.
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором активный полупроводниковый слой, включающий атомы индия галлия и фосфора, выполнен из InxGa1-xP со средним содержанием х индия (10-20) ат. %.
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором на подложку -GaAs, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100) на 6 градусов,, последовательно осаждены буферный слой из -GaAs, нижний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из /?-AlGaAs или -GalnP, базовый слой из /?-GaAs, нелегированный слой из GaAs, включающий, по меньшей мере, 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai-xAs со средним содержанием х индия (30-50) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GaAs, эмиттерный слой из л-GaAs и слой широкозонного окна из и-AlGaAs или двухслойное широкозонное окно, включающее слой из и-GaInP и слой из л-АПпР, туннельный диод, содержащий последовательно осажденные слои AJ++-GaAs или п++- GalnP и слой ++-AlGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из /?-AlGaInP, базовый слой из -GalnP, нелегированный слой из GalnP, включающий, по меньшей мере, 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai-xP со средним содержанием х индия (10-20) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GalnP, эмиттерный слой из п- GalnP и слой широкозонного окна из л-АНпР, а так же контактный подслой из л-GaAs. As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverter is proposed in which the active semiconductor layer, including indium gallium and phosphorus atoms, is made of In x Ga 1-x P with an average content of x indium (10-20) at. % As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverter is proposed, in which on the -GaAs substrate, in which the front surface is 6 degrees misoriented from the crystallographic plane (100), a buffer layer of -GaAs is sequentially deposited, the lower photoactive transition including a sequentially deposited back potential layer of barrier / -? AlGaAs or -GalnP, a base layer of / -? GaAs, a layer of undoped GaAs, comprising at least 10 active semiconductor layers based on in x Gai -x as with the average content x yn Ia (30-50) at. % separated by spacers made of GaAs, an emitter layer of l-GaAs and a layer of a wide-gap window of i-AlGaAs or a two-layer wide-gap window, comprising a layer of i-GaInP and a layer of l-APR, a tunnel diode containing sequentially deposited layers AJ ++ -GaAs or p ++ -GalnP and a ++ -AlGaAs layer, the top photoactive transition including a successively deposited back-potential barrier layer from β-AlGaInP, a base layer from -GalnP, an undoped layer from GalnP, including at least at least 10 active semiconductor layers based on In x Gai -x P with medium soda neighing x indium (10-20) at. % separated by spacers made of GalnP, an emitter layer of p-GalnP and a wide-gap window layer of l-ANPR, as well as a contact sublayer of l-GaAs.
В качестве возможной реализации изобретения предлагается каскадный фотопреобразователь, в котором на подложку -Ge, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100) на 6 градусов, последовательно осаждены нуклеационный слой из GalnP, создающий нижний фотоактивный переход в подложке германия за счет диффузии атомов фосфора, буферный слой из л-GaInAs, с содержанием индия 0-2%, нижний туннельный диод, включающий последовательно осаженные слои широкозонного барьера, л++-слой и р++-слой, средний фотоактивный переход, включающий слой тыльного потенциального барьера из /?-AlGaAs или p-GalnP, базовый слой из -GalnAs с содержанием индия 0-2%, нелегированный слой из GalnAs с содержанием индия 0- 2%, включающий по меньшей мере 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai-xAs со средним содержанием х индия (30-50) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GalnAs с содержанием индия 0-2%, эмиттерный слой из п- GalnAs с содержанием индия 0-2%, и слой широкозонного окна из и-AlGaAs или двухслойное широкозонное окно, включающее слой из п-
GalnP и слой из л-АПпР, верхний туннельный диод, содержащий последовательно осажденные слои «++-GaAs или «++-GaInP и слой /?++-AlGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из -AlGalnP, базовый слой из -GalnP, нелегированный слой из GalnP, включающий по меньшей мере 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai-xP со средним содержанием х индия (10-20) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GalnP, эмиттерный слой из п- GalnP и слой широкозонного окна из и-АПпР, а так же контактный подслой из п- GalnAs с содержанием индия 0-2%. As a possible implementation of the invention, a cascade photoconverter is proposed in which a GalnP nucleation layer is sequentially deposited onto the -Ge substrate, whose front surface is 6 degrees misoriented from the crystallographic plane (100), creating a lower photoactive transition in the germanium substrate due to diffusion of phosphorus atoms , a buffer layer of l-GaInAs, with an indium content of 0-2%, the lower tunneling diode, which includes successively deposited layers of the wide-gap barrier, the l ++ layer and p ++ layer, the average photoactive transition an od, including a layer of the back potential barrier of β-AlGaAs or p-GalnP, a base layer of β-GalnAs with an indium content of 0-2%, an undoped layer of GalnAs with an indium content of 0-2%, including at least 10 active semiconductor layers based on In x Gai -x As with an average content of x indium (30-50) at. % separated by spacers made of GalnAs with an indium content of 0-2%, an emitter layer of p-GalnAs with an indium content of 0-2%, and a layer of a wide-gap window from i-AlGaAs or a two-layer wide-gap window, including a layer from p- GalnP and a layer of l-APR, the upper tunneling diode containing successively deposited layers of " ++ -GaAs or" ++ -GaInP and layer /? ++ -AlGaAs, upper photoactive transition, including a sequentially deposited back-potential barrier layer from -AlGalnP, a base layer from -GalnP, an undoped layer from GalnP, comprising at least 10 active semiconductor layers based on In x Gai -x P with an average content x india (10-20) at. %, separated by spacers made of GalnP, an emitter layer of p-GalnP and a wide-gap window layer of i-APR, as well as a contact sublayer of p-GalnP with an indium content of 0-2%.
Чертежи Blueprints
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где: This technical solution is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящего каскадного фотопреобразователя с квантоворазмерными структурами; на фиг. 2 приведено изображение трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) поперечного сечения образцов, содержащих активные полупроводниковые слои на основе слоя InxGa1-xAs со средним составом индия х=30 ат. %; in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a real cascade photoconverter with quantum-well structures; in FIG. Figure 2 shows the image of transmission electron microscopy (TEM) of the cross section of samples containing active semiconductor layers based on an In x Ga 1-x As layer with an average indium composition of x = 30 at. %;
на фиг. 3 приведено изображение ТЭМ поперечного сечения образцов, содержащих активные полупроводниковые слои на основе слоя InxGai-xAs со средним составом индия х=40 ат. %; in FIG. 3 is a cross-sectional TEM image of the samples containing the active semiconductor layers based on the layer of In x Gai -x As with average indium composition of X = 40 at. %;
на фиг. 4 приведено изображение ТЭМ поперечного сечения образцов, содержащих активные полупроводниковые слои на основе слоя InxGa^As со средним составом индия х=50 ат. %; in FIG. Figure 4 shows a TEM of the cross section of samples containing active semiconductor layers based on an InxGa ^ As layer with an average indium composition of x = 50 at. %;
на фиг. 5 приведены спектральные характеристики внешней квантовой эффективности GaAs субэлемента каскадного фотопреобразователя без активных слоев по настоящему изобретению (кривая 1) и GaAs субэлемента каскадного фотопреобразователя по настоящему изобретению, включающего 10 активных полупроводниковых слоев на основе слоя InxGa1-xAs со средним составом индия х=30 ат. % (кривая 2); in FIG. 5 shows the spectral characteristics of the external quantum efficiency of a GaAs sub-cell of a cascade photoconverter without active layers of the present invention (curve 1) and a GaAs sub-cell of a cascade photoconverter of the present invention, including 10 active semiconductor layers based on an In x Ga 1-x As layer with an average indium x composition = 30 at. % (curve 2);
на фиг. 6 приведены спектральные характеристики внешней квантовой эффективности GalnP субэлемента каскадного фотопреобразователя без активных слоев по настоящему изобретению (кривая 3) и GalnP субэлемента каскадного фотопреобразователя по настоящему изобретению, включающего 10 активных
полупроводниковых слоев на основе слоя InxGa1-xP со средним составом индия х=10 ат. % (кривая 4). in FIG. 6 shows the spectral characteristics of the external quantum efficiency of the GalnP subcell of the cascade photoconverter without active layers of the present invention (curve 3) and the GalnP subcell of the cascade photoconverter of the present invention, including 10 active semiconductor layers based on an In x Ga 1-x P layer with an average indium composition of x = 10 at. % (curve 4).
Детальное описание решения Detailed Solution Description
Новым в каскадном фотопреобразователе является расширение спектральной чувствительности сразу двух фотоактивных переходов каскадного ФП за счет использования квантоворазмерных структур на основе слоев с пространственным изменением толщины и состава, получаемых выращиванием на полупроводниковой подложке, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100). New in the cascade photoconverter is the expansion of the spectral sensitivity of two photoactive transitions of the cascade phase transition at the same time due to the use of quantum-dimensional structures based on layers with a spatial change in thickness and composition obtained by growing on a semiconductor substrate in which the front surface is misoriented from the crystallographic plane (100).
Расширение спектральной чувствительности GalnP субэлемента наряду с расширением спектральной чувствительности GalnAs субэлемента позволяет повысить фототок каскадного ФП и обеспечить полное согласование токов субэлементов GalnP/GalnAs/Ge ФП. The expansion of the spectral sensitivity of the GalnP subelement, along with the expansion of the spectral sensitivity of the GalnAs subelement, makes it possible to increase the photocurrent of the cascade phase transition and ensure full matching of the currents of the GalnP / GalnAs / Ge subcells.
Разориентация лицевой поверхности полупроводниковой подложки относительно кристаллографической плоскости (100) обеспечивает образование на лицевой поверхности атомарных ступеней, по линиям которых при росте создаются в области активного полупроводникового слоя высокоплотные, массивы пространственных областей с различным содержанием индия, обеспечивающих квантовый эффект трехмерной локализации носителей заряда. При этом, релаксация упругих напряжений приводит к тому, что области с большим содержанием индия, имеют большую толщину, по отношению к областям с меньшим содержанием индия. Disorientation of the front surface of the semiconductor substrate relative to the crystallographic plane (100) ensures the formation of atomic steps on the front surface of which, during growth, high-density arrays of spatial regions with different indium contents are created in the region of the active semiconductor layer, providing a quantum effect of three-dimensional localization of charge carriers. Moreover, the relaxation of elastic stresses leads to the fact that regions with a high indium content have a greater thickness with respect to regions with a lower indium content.
Использование квантоворазмерных структур по настоящему изобретению, представляющих собой слои, состоящие из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия, позволяет получить высокий уровень поглощения за счет того, что такие слои, в отличие от КТ, покрывают всю поверхность ФП, и за счет высокого структурного качества вследствие релаксации упругих напряжений решетки при пространственном изменении толщины и состава. Using the quantum-sized structures of the present invention, which are layers consisting of regions with different thicknesses and concentrations of indium atoms, it is possible to obtain a high absorption level due to the fact that such layers, unlike QDs, cover the entire surface of the phase transition, and due to the high structural quality due to relaxation of the elastic stresses of the lattice with a spatial change in thickness and composition.
Настоящий каскадный фотопреобразователь с квантоворазмерными структурами показан на фиг. 1. Он состоит из полупроводниковой подложки 1, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100), по меньшей мере одного фотоактивного р-п перехода 2, например из GalnAs с содержанием индия 0-2%, содержащего по меньшей мере один активный полупроводниковый слой 3, например, из InxGa1-xAs со средним содержанием х
индия (30-50) ат. %, состоящий из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия, и по меньшей мере одного фотоактивного р-п перехода 4, например из GalnP, содержащего по меньшей мере один активный полупроводниковый слой 5, например, из InxGai.xP со средним содержанием х индия (10-20) ат. %, состоящий из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия. The present cascade photoconverter with quantum-well structures is shown in FIG. 1. It consists of a semiconductor substrate 1, in which the front surface is misoriented from the crystallographic plane (100) of at least one photoactive pn junction 2, for example, from GalnAs with an indium content of 0-2%, containing at least one active semiconductor layer 3, for example, of In x Ga 1-x As with an average content of x india (30-50) at. %, consisting of regions with different thicknesses and concentrations of indium atoms, and at least one photoactive pn junction 4, for example, from GalnP, containing at least one active semiconductor layer 5, for example, from In x Gai. x P with an average content of x indium (10-20) at. %, consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms.
Использование предлагаемого каскадного фотопреобразователя с квантоворазмерными структурами позволит увеличить фототоки субэлементов каскадных ФЭП, что в первую очередь важно для повышения эффективности преобразования наиболее перспективных на сегодняшний день трехпереходных ФП на основе строго изопериодичных полупроводниковых материалов Gao.5\ 1п0.49Р/ Gao.99lno.o i As/ Ge. The use of the proposed cascade photoconverter with quantum-well structures will increase the photocurrents of the subcells of cascade photovoltaic cells, which is primarily important for increasing the conversion efficiency of the most promising three-junction converter photodiodes today based on strictly isoperiodic semiconductor materials Gao.5 \ 1p 0 . 4 9P / Gao.99lno.oi As / Ge.
Как известно, строго согласованные по параметру решетки материалы Gao.5iIno49P (Eg = 1.9 эВ), Gao gglno.oi As (Eg = 1.4 эВ) и Ge (Eg = 0.66 эВ) не позволяют реализовать оптимальную с точки зрения спектральных плотностей фотонов, приходящихся на каждый субэлемент, конструкцию трехпереходного ФП. Но благодаря высокой стабильности параметров даже при длительной эксплуатации и воспроизводимости промышленной технологии эта структура на данный момент является основным промышленным трендом, и обладает КПД при производстве порядка 39%. As is known, Gao materials strictly matched by the lattice parameter are known. 5 iIno 4 9P (Eg = 1.9 eV), Gao gglno.oi As (E g = 1.4 eV) and Ge (E g = 0.66 eV) do not allow the implementation of the three-junction design, which is optimal from the point of view of spectral densities of photons FP. But due to the high stability of the parameters, even with prolonged operation and reproducibility of industrial technology, this structure is currently the main industrial trend, and has an efficiency of about 39% in production.
Основным недостатком комбинации материалов Gao.51In0 49P - Gao 99ln0.01As - Ge является большая ширина запрещенной зоны среднего Gao.99ln0 01 As субэлемента. Для наземного солнечного спектра в случае поглощения каждым субэлементом всех фотонов с энергией большей ширины запрещенной зоны их материала и разделении всех фотогенерированных носителей фототоки субэлементов составят: The main disadvantage of the combination of materials is Gao. 51 In 0 4 9P - Gao 99ln 0 . 01 As - Ge is the large band gap of the middle Gao.99ln 0 01 As subcell. For the terrestrial solar spectrum, in the case of absorption by each sub-element of all photons with an energy of a greater band gap of their material and the separation of all photogenerated carriers, the photocurrents of the sub-elements will be:
- 17,5 мА/см для Gao.5iIno 49 субэлемента (все фотоны от 0 до 650 нм); - 17.5 mA / cm for Gao.5iIno 4 9 subcell (all photons from 0 to 650 nm);
- 15,6 мА/см2 для Gao^Ino.oiAs субэлемента (все фотоны от 650 до 900 нм); - 15.6 mA / cm 2 for the Gao ^ Ino.oiAs subcell (all photons from 650 to 900 nm);
- -
- 29,2 мА/см для Ge субэлемента (все фотоны от 900 до 1900 нм). - 29.2 mA / cm for the Ge subcell (all photons from 900 to 1900 nm).
Это приводит к тому, что, минимальный ток (в случае поглощения всех фотонов с энергией в диапазоне 1,9 -1,4 эВ), будет генерировать средний субэлемент, а ток, генерируемый нижним, будет значительно превосходить токи верхнего и среднего субэлементов. При этом, общий ток каскадного ФП будет равен минимальному из токов субэлементов. Таким образом, Ga0 51In04 P/Ga0 99ln0 oiAs/Ge структура работает в режиме ограничения тока средним субэлементом.
Сутью предлагаемого изобретения является повышение фототока двух субэлементов за счет использования активных полупроводниковых слоев, состоящих из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия. Из приведённых выше значений фототоков субэлементов видно, что в случае увеличения фототока Gao 99ln0 oiAs субэлемента на величину порядка 2 мА/см2 каскадный ФП, включающий Gao s no ^P и Gao.99ln0 oi As субэлементы перейдет в режим ограничения тока верхним субэлементом. Дальнейшее увеличение фототока, а следовательно и КПД ФП, будет возможно только при повышении фототока верхнего субэлемента на основе Gao.silno.^P. Таким образом, для получения повышенной эффективности каскадного ФП необходимо увеличивать фототоки двух субэлементов одновременно, что и достигается в настоящем изобретении. This leads to the fact that the minimum current (in the case of absorption of all photons with energies in the range of 1.9-1.4 eV) will generate an average subelement, and the current generated by the lower one will significantly exceed the currents of the upper and middle subelements. In this case, the total current of the cascade phase transition will be equal to the minimum of the currents of the subcells. Thus, the Ga 0 5 1 In 0 4 P / Ga 0 99ln 0 oiAs / Ge structure operates in the mode of limiting the current to the average subcell. The essence of the invention is to increase the photocurrent of two subcells through the use of active semiconductor layers consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms. From the above values of the photocurrents of the subcells, it can be seen that if the photocurrent Gao 9 9ln 0 oiAs of the subcell is increased by an amount of the order of 2 mA / cm 2, the cascade phase transition including Gao s no ^ P and Gao.99ln 0 oi As subcells will go into the current limit mode subelement. A further increase in the photocurrent, and hence the efficiency of the AF, will be possible only with an increase in the photocurrent of the upper subcell based on Gao.silno. ^ P. Thus, in order to obtain increased efficiency of cascade phase transitions, it is necessary to increase the photocurrents of two subcells at the same time, which is achieved in the present invention.
Использование оригинального метода формирования квантоворазмерных структур на основе активных полупроводниковых слоев из InxGai.xAs (3) и InxGai.xP (5), состоящих из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия, создаваемых при определенных режимах роста на полупроводниковой подложке, разориентированной от кристаллографической плоскости (100) позволяет получить значительно больший прирост фототока субэлементов по сравнению с известными решениями на основе КТ и КЯ. Using the original method of forming quantum-well structures based on active semiconductor layers from In x Gai. x As (3) and In x Gai. x P (5), consisting of regions with different thicknesses and concentrations of indium atoms created under certain growth conditions on a semiconductor substrate misoriented from the crystallographic plane (100), it is possible to obtain a much larger increase in the photocurrent of subcells in comparison with the known solutions based on QD and QW .
Активные полупроводниковые слои настоящего каскадного фотопреобразователя поясняются исследованиями при помощи метода трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ). Изображения ТЭМ поперечного сечения структур с активными полупроводниковыми слоями на основе InxGa^As среднего состава 30 % (фиг.2), 40 % (фиг. 3) и 50 % (фиг. 4) позволяют видеть, что слои имеют неровности интерфейсов (пространственное изменение толщины) и различный состав (пространственное изменение состава). The active semiconductor layers of a real cascade photoconverter are illustrated by studies using transmission electron microscopy (TEM). Cross-sectional TEM images of structures with active semiconductor layers based on InxGa ^ As of an average composition of 30% (Fig. 2), 40% (Fig. 3) and 50% (Fig. 4) make it possible to see that the layers have interface irregularities (spatial variation) thickness) and various composition (spatial change in composition).
Использование 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai-xAs со средним составом индия х=30 ат. % (фиг. 5 кривая 2) позволило расширить диапазон фоточувствительности GaAs субэлемента вплоть до 1 100 нм и получить прирост фототока в 3.2 мА/см . Using 10 active semiconductor layers based on In x Gai- x As with an average indium composition of x = 30 at. % (Fig. 5, curve 2) made it possible to expand the range of photosensitivity of the GaAs subcell up to 1,100 nm and obtain a photocurrent gain of 3.2 mA / cm.
Использование 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai.xP со средним составом индия х=10 ат. % (фиг. 6 кривая 4) позволило расширить диапазон фоточувствительности GaAs субэлемента вплоть до 800 нм и получить прирост фототока в 1.4 мА/см2.
Use of 10 active semiconductor layers based on In x Gai. x P with an average indium composition x = 10 at. % (Fig. 6 curve 4) made it possible to expand the range of photosensitivity of the GaAs subcell up to 800 nm and obtain a photocurrent gain of 1.4 mA / cm 2 .
Claims
1. Каскадный фотопреобразователь с квантоворазмерными структурами, включающий 1. Cascade photoconverter with quantum-well structures, including
a. полупроводниковую подложку, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100), b. по меньшей мере, один фотоактивный р-п переход, состоящий из полупроводникового материала, включающего атомы мышьяка (As) и галлия (Ga), содержащий, по меньшей мере, один активный квантоворазмерный полупроводниковый слой, включающий атомы индия (In) галлия (Ga) и мышьяка (As), состоящий из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия (In), c. и, по меньшей мере, один фотоактивный р-п переход, состоящий из полупроводникового материала, включающего атомы фосфора (Р) и галлия (Ga), содержащий по меньшей мере один активный квантоворазмерный полупроводниковый слой, включающий атомы индия (In), галлия (Ga) и фосфора (Р), состоящий из областей с различными толщиной и концентрацией атомов индия (In). a. a semiconductor substrate, in which the front surface is misoriented from the crystallographic plane (100), b. at least one photoactive pn junction consisting of a semiconductor material including arsenic (As) and gallium (Ga) atoms, containing at least one active quantum-well semiconductor layer comprising gallium (Ga) indium (In) atoms and arsenic (As), consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms (In), c. and at least one photoactive pn junction consisting of a semiconductor material comprising phosphorus (P) and gallium (Ga) atoms, containing at least one active quantum-well semiconductor layer comprising indium (In) atoms, gallium (Ga ) and phosphorus (P), consisting of regions with different thickness and concentration of indium atoms (In).
2. Каскадный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что активные полупроводниковые слои содержат обогащенные и обедненные индием (In) области. 2. The cascade photoconverter according to claim 1, characterized in that the active semiconductor layers contain enriched and depleted indium (In) region.
3. Каскадный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена из Ge или GaAs. 3. The cascade photoconverter according to claim 1, characterized in that the substrate is made of Ge or GaAs.
4. Каскадный фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала фотоактивного р-п перехода, состоящего из полупроводникового материала, включающего атомы мышьяка и галлия используется GaAs, GalnAs или AlGalnAs. 4. The cascade photoconverter according to claim 1, characterized in that GaAs, GalnAs or AlGalnAs are used as the material of the photoactive pn junction, consisting of a semiconductor material including arsenic and gallium atoms.
5. Каскадный фотопреобразователь по п. 4, отличающийся тем, что активный полупроводниковый слой, включающий атомы индия галлия и мышьяка, выполнен из InxGai.xAs со средним содержанием х индия (30-50) ат. %. 5. The cascade photoconverter according to claim 4, characterized in that the active semiconductor layer including indium gallium and arsenic atoms is made of In x Gai. x As with an average content of x indium (30-50) at. %
6. Каскадный фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала фотоактивного р-п перехода, состоящего из полупроводникового материала, включающего атомы фосфора и галлия используется GalnP или AlGalnP. 6. The cascade photoconverter according to claim 1, characterized in that GalnP or AlGalnP is used as the material of the photoactive pn junction, consisting of a semiconductor material including phosphorus and gallium atoms.
7. Каскадный фотопреобразователь по п. 6, отличающийся тем, что активный полупроводниковый слой, включающий атомы индия галлия и фосфора, выполнен из InxGa1-xP со средним содержанием х индия (10-20) ат. %.
7. The cascade photoconverter according to claim 6, characterized in that the active semiconductor layer including indium gallium and phosphorus atoms is made of In x Ga 1-x P with an average content of x indium (10-20) at. %
8. Каскадный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что на подложку -GaAs, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100) на 6 градусов, последовательно осаждены буферный слой из /?-GaAs, нижний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из -AlGaAs или p-GalnP, базовый слой из -GaAs, нелегированный слой из GaAs, включающий, по меньшей мере, 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGa1-xAs со средним содержанием х индия (30-50) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GaAs, эмиттерный слой из л-GaAs и слой широкозонного окна из л-AlGaAs или двухслойное широкозонное окно, включающее слой из и-GaInP и слой из и-АИпР, туннельный диод, содержащий последовательно осажденные слои п++- GaAs или AJ++-GaInP и слой ju++-AlGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из -AlGalnP, базовый слой из p-GalnP, нелегированный слой из GalnP, включающий, по меньшей мере, 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGa1-xP со средним содержанием х индия (10-20) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GalnP, эмиттерный слой из п- GalnP и слой широкозонного окна из л-АНпР, а так же контактный подслой из n-GaAs. 8. The cascade photoconverter according to claim 1, characterized in that on the -GaAs substrate, in which the front surface is 6 degrees misoriented from the crystallographic plane (100), a buffer layer of β-GaAs is deposited sequentially, the lower photoactive transition including sequentially deposited -AlGaAs or p-GalnP back potential barrier layer, -GaAs base layer, undoped GaAs layer, which includes at least 10 active x x 1-x As based semiconductor layers with an average x indium content (30- 50) at. % separated by spacers made of GaAs, an emitter layer of l-GaAs and a layer of a wide-gap window of l-AlGaAs or a two-layer wide-gap window comprising a layer of i-GaInP and a layer of i-AIPR, a tunnel diode containing successively deposited layers p ++ - GaAs or AJ ++ -GaInP and ju ++ -AlGaAs layer, upper photoactive transition including a sequentially deposited back-potential barrier layer from -AlGalnP, a base layer from p-GalnP, an undoped layer from GalnP, including at least at least 10 active semiconductor layers based on In x Ga 1-x P with an average content of holding x indium (10-20) at. % separated by spacers made of GalnP, an emitter layer of p-GalnP and a wide-gap window layer of l-ANPR, as well as a contact sublayer of n-GaAs.
9. Каскадный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что на подложку p-Ge, у которой лицевая поверхность разориентирована от кристаллографической плоскости (100) на 6 градусов, последовательно осаждены нуклеационный слой из GalnP, создающий нижний фотоактивный переход в подложке германия за счет диффузии атомов фосфора, буферный слой из H-GalnAs, с содержанием индия 0-2%, нижний туннельный диод, включающий последовательно осаженные слои широкозонного барьера, л++-слой и р++-слой, средний фотоактивный переход, включающий слой тыльного потенциального барьера из -AlGaAs или p-GalnP, базовый слой из j^-GalnAs с содержанием индия 0- 2%, нелегированный слой из GalnAs с содержанием индия 0-2%, включающий по меньшей мере 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai.xAs со средним содержанием х индия (30-50) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GalnAs с содержанием индия 0-2%, эмиттерный слой из п- GalnAs с содержанием индия 0-2%, и слой широкозонного окна из л-AlGaAs или двухслойное широкозонное окно, включающее слой из л-GaInP и слой из л-АИпР, верхний туннельный диод, содержащий последовательно осажденные слои «++-GaAs
или n++-GaInP и слой /?++-AlGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из p-AIGalnP, базовый слой из p-GalnP, нелегированный слой из GalnP, включающий по меньшей мере 10 активных полупроводниковых слоев на основе InxGai.xP со средним содержанием х индия (10-20) ат. %, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GalnP, эмиттерный слой из п- GalnP и слой широкозонного окна из и-АНпР, а так же контактный подслой из п- GalnAs с содержанием индия 0-2%.
9. The cascade photoconverter according to claim 1, characterized in that on the p-Ge substrate, in which the front surface is 6 degrees misoriented from the crystallographic plane (100), a GalnP nucleation layer is successively deposited, which creates a lower photoactive transition in the germanium substrate due to diffusion of phosphorus atoms from the buffer layer H-GalnAs, with the indium content of 0-2%, the lower tunnel diode comprising sequentially osazhennye shirokozonnogo barrier layers, n ++ -layer and the p ++ -layer, average photoactive transition layer comprising a rear potential Nogo barrier of -AlGaAs or p-GalnP, a base layer of j ^ -GalnAs with indium content 0- 2%, an undoped layer of GalnAs from the indium content of 0-2%, comprising at least 10 active semiconductor layers based on In x Gai . x As with an average content of x indium (30-50) at. % separated by spacers made of GalnAs with an indium content of 0-2%, an emitter layer of p-GalnAs with an indium content of 0-2%, and a layer of a wide-gap window from l-AlGaAs or a two-layer wide-gap window, including a layer from l-AlGaAs GaInP and a layer of l-AIPR, upper tunnel diode containing successively deposited layers of ++ ++ GaAs or n ++ -GaInP and layer /? ++ -AlGaAs, upper photoactive transition, including a successively deposited back-potential barrier layer of p-AIGalnP, a base layer of p-GalnP, an undoped layer of GalnP, comprising at least 10 In x Gai-based active semiconductor layers. x P with an average content of x indium (10-20) at. % separated by spacers made of GalnP, an emitter layer of p-GalnP and a wide-gap window layer of i-ANPR, as well as a contact sublayer of p-GalnP with an indium content of 0-2%.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2014/000564 WO2016013954A1 (en) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | Cascade photoconverter with quantum-sized structures |
RU2017102273A RU2017102273A (en) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | CASCADE PHOTO CONVERTER WITH QUANTUM-SIZED STRUCTURES |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2014/000564 WO2016013954A1 (en) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | Cascade photoconverter with quantum-sized structures |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2016013954A1 true WO2016013954A1 (en) | 2016-01-28 |
Family
ID=55163378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2014/000564 WO2016013954A1 (en) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | Cascade photoconverter with quantum-sized structures |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2017102273A (en) |
WO (1) | WO2016013954A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040200523A1 (en) * | 2003-04-14 | 2004-10-14 | The Boeing Company | Multijunction photovoltaic cell grown on high-miscut-angle substrate |
US20100212729A1 (en) * | 2009-02-24 | 2010-08-26 | Hong Kong Applied Science & Technology Research Institute Company Limited | Epitaxial Growth of III-V Compounds on (111) Silicon for Solar Cells |
US7863516B2 (en) * | 2004-01-20 | 2011-01-04 | Cyrium Technologies Incorporated | Solar cell with epitaxially grown quantum dot material |
US20110005570A1 (en) * | 2009-07-09 | 2011-01-13 | Faquir Chand Jain | High efficiency tandem solar cells and a method for fabricating same |
JP2013115249A (en) * | 2011-11-29 | 2013-06-10 | Sharp Corp | Multi-junction solar cell |
-
2014
- 2014-07-25 WO PCT/RU2014/000564 patent/WO2016013954A1/en active Application Filing
- 2014-07-25 RU RU2017102273A patent/RU2017102273A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040200523A1 (en) * | 2003-04-14 | 2004-10-14 | The Boeing Company | Multijunction photovoltaic cell grown on high-miscut-angle substrate |
US7863516B2 (en) * | 2004-01-20 | 2011-01-04 | Cyrium Technologies Incorporated | Solar cell with epitaxially grown quantum dot material |
US20100212729A1 (en) * | 2009-02-24 | 2010-08-26 | Hong Kong Applied Science & Technology Research Institute Company Limited | Epitaxial Growth of III-V Compounds on (111) Silicon for Solar Cells |
US20110005570A1 (en) * | 2009-07-09 | 2011-01-13 | Faquir Chand Jain | High efficiency tandem solar cells and a method for fabricating same |
JP2013115249A (en) * | 2011-11-29 | 2013-06-10 | Sharp Corp | Multi-junction solar cell |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017102273A (en) | 2018-08-27 |
RU2017102273A3 (en) | 2018-08-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10361332B2 (en) | Reduced band gap absorber for solar cells | |
US12062732B2 (en) | Solar cell structures for improved current generation and collection | |
US10170652B2 (en) | Metamorphic solar cell having improved current generation | |
Takamoto et al. | InGaP/GaAs‐based multijunction solar cells | |
Dimroth et al. | Metamorphic GayIn1− yP/Ga1− xInxAs tandem solar cells for space and for terrestrial concentrator applications at C> 1000 suns | |
EP2709166B1 (en) | Group-IV solar cell structure using group-IV heterostructures | |
US20100126570A1 (en) | Thin absorber layer of a photovoltaic device | |
WO2014018125A2 (en) | Reverse heterojunctions for solar cells | |
EP3533086B1 (en) | Photovoltaic device | |
TWI593126B (en) | Monolithic photovoltaic junction for a solar cell and method for forming the same, solar cell and method of forming the same, photovoltaic system and method ofproviding an extended absorption edge in a photovoltaic junction | |
Raffaelle et al. | Multi-junction solar cell spectral tuning with quantum dots | |
Alferov et al. | III-V heterostructures in photovoltaics | |
CN109524492B (en) | Method for improving collection of minority carriers of multi-junction solar cell | |
US20100269895A1 (en) | Multijunction photovoltaic structure with three-dimensional subcell | |
CN105810760A (en) | Lattice-matched five-junction solar cell and fabrication method thereof | |
Nath et al. | Performance analysis of inas 0.98 n 0.02/alp x sb (1-x) quantum dot intermediate band solar cell | |
WO2016013954A1 (en) | Cascade photoconverter with quantum-sized structures | |
RU2610225C1 (en) | Four-junction solar cell | |
RU2670362C2 (en) | Photoconverter with quantum dots | |
Bhattacharya | Design and modeling of very high-efficiency multijunction solar cells | |
Sayed et al. | Absorption enhancement in InGaAsP/InGaP quantum well solar cells | |
RU2599064C1 (en) | Four-transit solar cell | |
CN117410362A (en) | Multi-junction solar cell structure | |
Sugaya et al. | MBE-grown InGaP/GaAs/InGaAsP triple junction solar cells fabricated by advanced bonding technique | |
Sodabanlu et al. | Lattice-matched 3-junction cell with 1.2-eV InGaAs/GaAsP superlattice middle cell for improved current matching |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 14897918 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2017102273 Country of ref document: RU Kind code of ref document: A |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 14897918 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |