Фотоэлектрический элемент



Фотоэлектрический элемент
Фотоэлектрический элемент
Фотоэлектрический элемент
Фотоэлектрический элемент

 


Владельцы патента RU 2415495:

ХЕЛИАНТОС Б.В. (NL)

Изобретение относится с фотоэлектрическому элементу, включающему в себя, по меньшей мере, первый переход между парой полупроводниковых областей (4-9). По меньшей мере, одна из этой пары полупроводниковых областей включает в себя, по меньшей мере, часть сверхрешетки, содержащей первый материал с распределенными в нем образованиями второго материала. Образования имеют достаточно малые размеры, так что эффективная ширина запрещенной зоны сверхрешетки по меньшей мере частично определяется этими размерами. Между полупроводниковыми областями предусмотрен поглощающий слой (24-26), и этот поглощающий слой содержит материал, предназначенный для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, и имеет такую толщину, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом. По меньшей мере, одна из эффективных энергетических зон сверхрешетки и один из уровней возбуждения материала поглощающего слоя выбирают для согласования соответственно, по меньшей мере, одного из уровней возбуждения материала поглощающего слоя и эффективной энергетической зоны сверхрешетки. Изобретение обеспечивает относительно эффективное преобразование солнечной энергии при заданных затратах на производство. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к фотоэлектрическому элементу (фотоэлементу), включающему в себя по меньшей мере первый переход между парой полупроводниковых областей, при этом по меньшей мере одна из этой пары полупроводниковых областей включает в себя по меньшей мере часть сверхрешетки, содержащей первый материал с распределенными в нем образованиями второго материала, причем образования имеют достаточно малые размеры, так что эффективная ширина запрещенной зоны сверхрешетки по меньшей мере частично определяется этими размерами, при этом между полупроводниковыми областями предусмотрен поглощающий слой, и при этом поглощающий слой содержит материал, предназначенный для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, и имеет такую толщину, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом.

Изобретение также относится к способу изготовления батареи фотоэлектрических элементов.

Изобретение также относится к фотоэлектрическому прибору, включающему в себя множество фотоэлектрических элементов.

Примеры такого фотоэлектрического элемента, способа и фотоэлектрического прибора известны. В US 4718947 описан фотоэлектрический p-i-n элемент, содержащий прозрачную подложку, изготовленную из стекла или пластмассы и покрытую слоем прозрачного проводящего оксида. На этом слое проводящего оксида сформирован р-слой, а на р-слое сформирован слой с собственной проводимостью (i-слой). На этом i-слое сформирован n-слой, а на n-слое сформирован металлический слой заднего контакта (на тыльной поверхности). С целью формирования указанных р-слоя и/или n-слоя используют сверхрешетки для того, чтобы снизить поглощение в этих легированных слоях без уменьшения их электропроводности.

В US 4598164 описан каскадный солнечный элемент, который включает в себя первую активную область, содержащую материал сверхрешетки, у которого ширина запрещенной зоны имеет первое заданное значение; вторую активную область, содержащую второй материал сверхрешетки, у которого ширина запрещенной зоны имеет второе заданное значение, и средство электрического соединения первой и второй активных областей таким образом, что между первой и второй активными областями может протекать ток. Аморфная сверхрешетка представляет собой многослойный материал, слои которого представляют собой тонкие листы полупроводникового или изолирующего аморфного материала с тетраэдрическими связями, причем этот материал образован из тетраэдрически связанных элементов или сплавов, содержащих упомянутые тетраэдрически связанные элементы. Каждый слой составляет менее примерно 1500 Å в толщину.

Проблема этого последнего элемента состоит в том, что для того, чтобы сделать его достаточно эффективным, он должен содержать очень много комбинаций слоев разных полупроводниковых материалов, которые образуют активные области. В противном случае лишь небольшая доля падающего света будет поглощаться такой активной областью, образованной сверхрешеткой. Однако введение дополнительных слоев в сверхрешетку сделает этот известный прибор дорогостоящим в производстве.

Цель изобретения состоит в создании фотоэлектрического элемента, способа и фотоэлектрического прибора, которые обеспечивают относительно эффективное преобразование солнечной энергии при заданных затратах на производство.

Такая цель достигается посредством фотоэлектрического элемента, который отличается тем, что по меньшей мере одна из эффективных энергетических зон сверхрешетки и один из энергетических уровней возбуждения материала поглощающего слоя выбраны так, чтобы по существу согласовать соответственно по меньшей мере один из энергетических уровней возбуждения материала поглощающего слоя и эффективную энергетическую зону сверхрешетки.

Поскольку по меньшей мере первая из двух полупроводниковых областей включает в себя по меньшей мере часть сверхрешетки, фотоэлектрический элемент может быть выполнен относительно эффективным. Эффективная ширина запрещенной зоны сверхрешетки может быть настроена на преимущественный диапазон солнечного спектра. Недостаток, состоящий в том, что размеры образований обоих материалов должны быть достаточно малыми для придания сверхрешетке эффективной ширины запрещенной зоны, отличающейся от ее ширины у любых полупроводниковых материалов в отдельных слоях сверхрешетки, и в том, что обычно потребовалось бы осаждать многочисленные слои для построения фотоэлектрического элемента, поглощающего достаточное количество излучения, снижается вследствие присутствия слоя материала, предназначенного для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда. Возбужденные носители заряда переносятся в примыкающую сверхрешетку, тем самым повышая эффективность преобразования солнечной энергии.

В фотоэлектрическом элементе следует различать функции поглощения излучения с генерированием возбужденных носителей зарядов, последующего разделения носителей заряда противоположной полярности (ввиду присутствия легированных слоев р- и n-типа противоположные заряды притягиваются во встроенном электрическом поле в противоположных направлениях), переноса носителей заряда и сбора разделенных и перенесенных носителей заряда. Преимущество предложенной структуры состоит в том, что достигается разделение функций и они могут быть дополнительно оптимизированы. Материал поглощающего слоя для поглощения излучения может быть выбран, в частности, имеющим высокий коэффициент поглощения, в то время как первый и второй материалы, образующие сверхрешетку, а также размеры образований обоих материалов выбирают для обеспечения требуемой эффективной ширины запрещенной зоны. Эффективная ширина запрещенной зоны зависит как от химического и/или структурного состава, так и от размеров образований материалов в сверхрешетке. Уровни возбуждения поглощающего слоя для поглощения излучения, который является однородным с тем, чтобы обеспечить возможность формирования за один технологический этап, не зависят от толщины этого слоя. Они только зависят от его химического состава и/или фазы составляющих его компонентов.

В случае когда уровень возбуждения поглощающего слоя для поглощения излучения по существу соответствует эффективной зоне проводимости, более эффективным является перенос носителей отрицательного заряда. Меньше энергии теряется при переносе, когда этот уровень соответствует, например, с точностью до 0,2 эВ, более предпочтительно - менее 0,1 эВ нижнему краю эффективной зоны проводимости. В случае когда материал поглощающего слоя для поглощения излучения обладает по меньшей мере одним стабильным энергетическим уровнем, по существу соответствующим эффективной валентной зоне полупроводниковой области, примыкающей к поглощающему слою, более эффективным является перенос носителей положительного заряда. Меньше энергии теряется при переносе, когда этот уровень соответствует, например, с точностью до 0,2 эВ, более предпочтительно - менее 0,1 эВ, верхнему краю эффективной валентной зоны. Другими словами, выбор по меньшей мере одной из эффективных зон сверхрешетки и одного из уровней возбуждения материала поглощающего слоя такими, чтобы по существу согласовать соответственно по меньшей мере один из уровней возбуждения материала поглощающего слоя и эффективную зону сверхрешетки, повышает эффективность фотоэлектрического элемента. Полупроводниковая область, включающая в себя по меньшей мере часть сверхрешетки, функционирует как избирательный по энергии транспортный слой, удаляя носители, сгенерированные поглощающим слоем для поглощения излучения.

Один вариант воплощения содержит последовательность пар полупроводниковых областей, разделенных переходами и имеющих уменьшающиеся с каждой парой значения эффективной ширины запрещенной зоны, при этом по меньшей мере две из полупроводниковых областей включают в себя сверхрешетку и примыкающий поглощающий слой из материала, предназначенного для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, такой толщины, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом.

Таким образом, обеспечивается так называемый каскадный или многопереходный элемент. Преимущество этой конфигурации состоит в том, что ее можно использовать для преобразования различных диапазонов солнечного спектра в разных областях, специально приспособленных к соответствующим диапазонам. Это снижает термализацию носителей заряда, т.е. генерирование тепла, когда носитель заряда создается за счет поглощения фотона, имеющего более высокую энергию, чем эффективная ширина запрещенной зоны той области, в которой он поглощается. Присутствие непосредственно примыкающего к последовательным сверхрешеткам поглощающего слоя материала, предназначенного для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, с такой толщиной, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом, гарантирует то, что частотный диапазон фильтруется в максимально возможной степени до того, как излучение достигнет следующей полупроводниковой области в этой последовательности.

В одном варианте воплощения каждая сверхрешетка содержит периодически повторяющуюся комбинацию слоев разных полупроводниковых материалов, достаточно тонких для придания сверхрешетке эффективной ширины запрещенной зоны, отличающейся от ее ширины у любых полупроводниковых материалов в отдельных слоях сверхрешетки.

По сравнению с альтернативными вариантами воплощения, такими как варианты со сверхрешеткой квантовых точек, данный вариант воплощения имеет преимущество, состоящее в том, что существует понятный путь изготовления таких сверхрешеток в промышленном масштабе.

В одном варианте воплощения поглощающий слой проложен между полупроводниковыми областями, и эти полупроводниковые области имеют разные значения эффективной ширины запрещенной зоны.

Этот вариант воплощения позволяет, чтобы носители заряда, генерируемые на обеих сторонах поглощающего слоя, вносили вклад в эффективность фотоэлектрического элемента.

В одном варианте воплощения предназначенный для поглощения излучения материал содержит по меньшей мере один из прямозонного полупроводника, органического молекулярного материала и материала, содержащего нанокристаллы.

Последний тип материала включает в себя материалы, содержащие многофазные структуры, например, состоящие из матрицы с частицами нанометрового размера, регулярно расположенными в таком материале. В этих материалах границей поглощения можно манипулировать путем изменения размера частиц, и, таким образом, ее можно энергетически согласовать с эффективной шириной запрещенной зоны примыкающей сверхрешетки. Это помогает сделать фотоэлектрический элемент относительно эффективным. Органические молекулярные материалы являются наиболее легко доступными для достижения поглощения в конкретном диапазоне солнечного спектра, а также их проще всего приспособить к согласованию с эффективной зоной проводимости и/или валентной зоной конкретной сверхрешетки.

В одном варианте воплощения сверхрешетка содержит периодически повторяющуюся комбинацию слоев разных аморфных полупроводниковых материалов.

Эффект состоит в том, что по существу исключаются какие-либо напряжения в результате несоответствия параметров решетки. Поэтому слои аморфных полупроводниковых материалов проще накладывать друг на друга.

В одном варианте воплощения сверхрешетка содержит периодически повторяющуюся комбинацию слоев гидрогенизированных полупроводниковых материалов.

Эффект состоит в пассивации координационных дефектов.

В соответствии с другим аспектом способ изготовления батареи фотоэлектрических элементов включает в себя осаждение слоев материала на отрезок фольги и формирование рисунка в по меньшей мере одном из этих слоев для формирования батареи фотоэлектрических элементов, при этом формируют батарею из элементов согласно изобретению.

Благодаря такой конфигурации фотоэлектрических элементов требуется осаждать меньше слоев материала, в результате чего обеспечивается существенная экономия производственных затрат.

Предпочтительно слои осаждают на по меньшей мере одной установке в производственной линии, при этом квазинепрерывный отрезок фольги продвигают мимо каждой установки.

Такой способ является выгодным при производстве батарей фотоэлектрических элементов, поскольку требуемая батарея может быть отрезана от фольги. Кроме того, исключается требующее значительного времени создание необходимых условий в камере, и время замены между осаждениями слоев материала вычитается из общего времени изготовления батареи.

В соответствии с другим аспектом фотоэлектрический прибор согласно изобретению включает в себя множество фотоэлектрических элементов согласно изобретению.

Прибор является относительно простым в изготовлении, а также проявляет хорошую эффективность преобразования энергии.

Изобретение будет более подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 схематично, не в масштабе показано строение примерного фотоэлектрического элемента;

на фиг.2 представлена энергетическая диаграмма варианта этого фотоэлектрического элемента;

на фиг.3 представлена энергетическая диаграмма другого варианта этого фотоэлектрического элемента; и

на фиг.4 схематично представлена производственная линия для изготовления батарей фотоэлектрических элементов.

Фотоэлектрический элемент 1 показан на фиг.1 только в той степени, которая необходима для иллюстрации изобретения. В реальном фотоэлектрическом приборе фотоэлектрический элемент 1 был бы заделан в другие слои, включая один или более слоев пластмассовой пленки для герметизации фотоэлектрического элемента от воздействия окружающей среды и/или листы стекла. В проиллюстрированном варианте воплощения фотоэлектрический элемент 1 представляет собой каскадный элемент, т.е. пакет уложенных друг на друга составляющих элементов. В данном случае эти отдельные элементы в пакете электрически соединены последовательно. Параллельное соединение представляет альтернативный вариант, но является более сложным.

Проиллюстрированный фотоэлектрический элемент 1 представляет собой двухэлектродный прибор и включает в себя верхний электрод 2 и задний электрод 3. Верхний электрод выполнен из прозрачного проводящего материала, например SnO2 (оксид олова), ITO (оксид индия-олова), ZnO (оксид цинка), Zn2SnO4 (станнат цинка), Cd2SnO4 (станнат кадмия) или InTiO (оксид индия-титана). Задний электрод 3, по меньшей мере частично, выполнен из металла, такого как Аl (алюминий) или Аg (серебро), металлического сплава или прозрачного проводящего материала. В одном варианте воплощения задний электрод 3 выполнен из комбинации металла и прозрачного проводящего материала, причем первый расположен ближе к внешней стороне фотоэлектрического элемента 1.

Фотоэлектрический элемент 1 в варианте воплощения по фиг.1 содержит полупроводниковые области 4-9. В других вариантах воплощения может быть меньше или больше таких областей. Из каждой пары полупроводниковых областей одна функционирует в качестве эффективной области транспорта электронов, а другая выполнена с возможностью функционировать в качестве эффективной области транспорта дырок.

В варианте воплощения по фиг.1 каждая из полупроводниковых областей 4-9 содержит сверхрешетку (сверхструктуру). Полупроводники, построенные на основе сверхрешеток, известны в данной области техники. В настоящем тексте термин «сверхрешетка» будет использован для обозначения обоих известных вариантов: тех, которые содержат слои первого материала с распределенными в них слоями второго материала, причем и те и другие являются достаточно тонкими для влияния на ширину запрещенной зоны, и тех, в которых из полупроводникового слоя образуются нанокристаллы, причем размер этих нанокристаллов или квантовых точек влияет на эффективную ширину запрещенной зоны сверхрешетки. Пример сверхрешетки последнего рода более полно описан в публикации Грина М.А. «Кремниевые наноструктуры для полностью кремниевых каскадных солнечных элементов» (Green М.А., "Silicon nanostructures for all-silicon tandem solar cells"), 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, June 7th-11th, 2004. В описанном здесь более подробно варианте воплощения содержатся сверхрешетки слоистого рода.

Слоистые сверхрешетки содержат периодически повторяющуюся комбинацию слоя полупроводникового материала с малой шириной запрещенной зоны (узкозонного), называемого ямой, со слоем материала с большой шириной запрещенной зоны (широкозонного), называемого барьером. Таким образом, на фиг.1 первая полупроводниковая область 4 включает в себя повторяющуюся комбинацию из первых слоев 10а-10c барьера и первых слоев 11а-11с ямы. Вторая полупроводниковая область 5 включает в себя повторяющуюся комбинацию вторых слоев 12а-12с барьера и вторых слоев 13а-13с ямы, в то время как третья полупроводниковая область 6 включает в себя повторяющуюся комбинацию третьих слоев 14а-14с барьера и третьих слоев 15а-15с ямы. Четвертая, пятая и шестая полупроводниковые области 7-9 включают в себя четвертые, пятые и шестые слои 16а-16с, 17а-17с и 18а-18с барьера соответственно, чередующиеся с четвертыми, пятыми и шестыми слоями 19а-19с, 20а-20с и 21а-21с ямы соответственно. Значения толщины слоев 10-21 находятся в диапазоне 1-2 нм, по меньшей мере, меньше 10 нм. Каждая из полупроводниковых областей 4-9 имеет общую толщину порядка сотни нм, по меньшей мере, меньше 200 нм.

Слои 10-21 в настоящем примере выполнены из гидрогенизированных или фторированных аморфных полупроводниковых материалов. Подходящие примеры включают в себя гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H), гидрогенизированный аморфный кремний-германий (a-SiGe:H), гидрогенизированный аморфный карбид кремния (a-SiC:H), гидрогенизированный аморфный нитрид кремния (a-SiN:H) и гидрогенизированный аморфный оксид кремния (a-SiO:H). Ширина запрещенной зоны а-Si:Н зависит от условий осаждения и изменяется от 1,6 эВ до 1,9 эВ. Легирование a-Si:H углеродом, кислородом или азотом расширяет запрещенную зону таких сплавов, в то время как введение германия уменьшает ширину запрещенной зоны. Подходящие варианты воплощения могут быть выполнены с использованием a-Si:H и a-SiGe:H в качестве материала для ям, т.е. слоев 11, 13, 15, 19, 21 ямы, и с использованием a-SiC:H, a-SiN:H или a-SiO:H в качестве материала для барьеров, т.е. слоев 10, 12, 14, 16, 18 барьера. Непериодическая структура слоев на основе a-Si:H и способность водорода пассивировать координационные дефекты устраняют строгие требования к согласованию параметров решетки, которые применяются к кристаллическим сверхрешеткам.

Для формирования сверхрешеток можно использовать одну или более из следующих технологий. Эти технологии включают в себя химическое осаждение из паровой фазы, реактивное (совместное) распыление, реактивное (совместное) испарение и т.д. Для изготовления проиллюстрированного примера фотоэлектрического элемента преимущественной технологией является плазмохимическое осаждение из паровой фазы (ПХОПФ). Эта технология является преимущественной потому, что может быть легко реализовано легирование a-Si:H путем добавления соответствующих газов к кремнийсодержащему газу-источнику кремния, такому как силан. Также было продемонстрировано, что могут быть изготовлены сверхрешетки, которые не являются ни согласованными по параметрам решетки, ни эпитаксиальными, но при этом с границами раздела, которые являются по существу свободными от дефектов и почти атомарно резкими.

Соседние полупроводниковые области 4-9 разных пар разделены туннельно-рекомбинационными переходами 22, 23, которые включают в себя области n-типа и р-типа. Эти туннельно-рекомбинационные переходы 22, 23 обеспечивают внутренние последовательные соединения, где происходит рекомбинация противоположно заряженных носителей, поступающих из соседних пар полупроводниковых областей. Туннелирование носителей через слои, образующие туннельно-рекомбинационный переход, способствует рекомбинации. Эффективная рекомбинация фотогенерируемых носителей происходит через дефектные состояния в центре этого перехода. Рекомбинация фотогенерируемых носителей в центре перехода поддерживает ток, протекающий через солнечный элемент.

Из каждой пары полупроводниковых областей одна выполнена с возможностью функционировать в качестве эффективной области транспорта дырок, а другая - в качестве эффективной области транспорта электронов. В иллюстрируемом на фигуре 1 варианте воплощения сверхрешетки прикреплены к полупроводниковой области n-типа и полупроводниковой области р-типа, т.е. легированным полупроводниковым областям, которые образуют часть туннельно-рекомбинационных переходов 22, 23. Следует отметить, что эти легированные области также могут содержать сверхрешетки.

Как хорошо известно, пространственный заряд в по-разному легированных полупроводниках, сгенерированный вследствие диффузии наружу большинства носителей заряда из легированных слоев, создает внутреннее электрическое поле. Это приводит к разделению подвижных носителей зарядов, созданных в результате возбуждения. Сочетание первой и второй полупроводниковых областей 4, 5 преобразует солнечную энергию в первом диапазоне солнечного спектра, сочетание третьей и четвертой полупроводниковых областей 6, 7 преобразует второй, отличающийся, но, возможно, перекрывающийся диапазон солнечного спектра, а сочетание пятой и шестой полупроводниковых областей 8, 9 - еще один диапазон. Туннельно-рекомбинационные переходы 22, 23 гарантируют то, что эти три пары полупроводниковых областей электрически соединены последовательно.

Полупроводниковые области 4-9 имеют последовательно уменьшающиеся значения эффективной ширины запрещенной зоны. Таким образом, первая и вторая полупроводниковые области 4, 5 имеют большую эффективную ширину запрещенной зоны с тем, чтобы захватывать фотоны в более высоком (частотном) диапазоне солнечного спектра. Промежуточные полупроводниковые области 6, 7 имеют эффективную ширину запрещенной зоны в промежуточном диапазоне солнечного спектра. Нижние полупроводниковые области 8, 9 имеют эффективную ширину запрещенной зоны в нижнем диапазоне солнечного спектра. Верхние полупроводниковые области 4, 5 расположены ближе всего к верхнему электроду 2. Верхний электрод 2 при использовании открыт для поступающего света, который, таким образом, проходит через полупроводниковые области 4-9 в порядке уменьшения эффективной ширины запрещенной зоны. Такая конфигурация обеспечивает улучшенную эффективность преобразования солнечной энергии из-за подавления термализации носителей заряда.

В результате введения соответствующих первого, второго и третьего поглощающих слоев 24-26 из предназначенных для поглощения излучения материалов в промежутке между верхней, промежуточной и нижней парами полупроводниковых областей 4-9, поглощение падающего излучения в значительной степени обусловлено этими поглощающими слоями. Следовательно, толщина полупроводниковых областей может быть ограничена путем уменьшения количества слоев ям и слоев барьеров, что является выгодным с точки зрения производства. Поглощающие слои 24-26 из предназначенных для поглощения излучения материалов примыкают к соответствующим сверхрешеткам, образующим пару. Они имеют такую толщину, что уровни возбуждения определяются их составом. Подходящие значения толщины находятся в диапазоне примерно пятидесяти нм, предпочтительно - в диапазоне примерно десяти нм.

Поглощающие слои 24-26 могут содержать прямозонный полупроводниковый материал. Такой материал имеет относительно высокий коэффициент поглощения от 104 до 106 см-1, так что поглощающие слои 24-26 можно поддерживать тонкими. Например, CdS с шириной запрещенной зоны 2,45 эВ имеет коэффициент поглощения при толщине 500 нм примерно 105 см-1, Cu(In,Ga) (Se,S)2, у которого ширина запрещенной зоны может изменяться в широком диапазоне от 1,0 до 1,7 эВ, имеет в этом энергетическом диапазоне коэффициент поглощения от 104 до 105 см-1. Поглощение подразумевает возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости. Относительно высокие коэффициенты поглощения также характеризуют альтернативные, а именно органические молекулярные материалы. Такие материалы использованы в описанном здесь примере. В органических молекулярных материалах возбужденные носители заряда обычно называются экситонами. Подходящие органические молекулярные материалы включают в себя порфирины и фталоцианины. Они имеют узкие полосы поглощения около частот, соответствующих уровню энергии фотона примерно 2,9 эВ и 1,77 эВ соответственно. Молекулы фталоцианина, в частности, являются химически очень стабильными и могут быть осаждены с помощью вакуумного испарения. Уровни возбуждения этих материалов в поглощающих слоях 24-26 выбирают так, что обеспечивается их согласование с эффективными зонами прилегающих сверхрешеток. Поскольку ширину запрещенной зоны у них можно подбирать за счет размеров тонких слоев 10-21, такое согласование может быть достигнуто с относительно высокой степенью точности.

Носители заряда в поглощающих слоях 24-26 возбуждаются до уровня или выше уровня нижней границы эффективной зоны проводимости примыкающей сверхрешетки. Это делает возможным перенос носителей заряда в сверхрешетку с относительно высокой эффективностью. Эффективность является высокой вследствие низких потерь на термализацию, которые возникают, когда носители заряда переносятся в зону проводимости. Согласование предпочтительно является точным до значения в диапазоне десятых долей электронвольта, например 0,1 или 0,2 эВ. В молекулярном материале носители заряда возбуждаются до низшей свободной молекулярной орбитали (НСМО), которая, таким образом, соответствует нижней границе эффективной зоны проводимости примыкающей сверхрешетки. Предпочтительно состояние, из которого возбуждается носитель заряда - это состояние называется высшей занятой молекулярной орбиталью (ВЗМО) в предназначенном для поглощения излучения молекулярном материале, - соответствует эффективной валентной зоне, по меньшей мере ее верхней границе, с той же степенью точности.

На фиг.2 иллюстрируется общая концепция фотоэлектрического элемента 1 посредством энергетической диаграммы. Первый и второй поглощающие слои 27, 28 примыкают к частям сверхрешеток 29-32. Сверхрешетки 29-32 по существу имеют свойства полупроводниковых материалов с собственной проводимостью. Они образуют избирательные по энергии транспортные слои, имеющие зону проводимости или валентную зону, по существу согласованную со стабильным уровнем или уровнем возбуждения примыкающего поглощающего слоя 27, 28. Фактически, как показано на фиг.2, зоны проводимости сверхрешеток 30, 32 находятся несколько ниже уровней возбуждения примыкающих поглощающих слоев 27, 28, в то время как валентные зоны сверхрешеток 29, 31 находятся несколько выше стабильных уровней примыкающих поглощающих слоев 27, 28.

Части сверхрешетки 30, примыкающие к первому поглощающему слою 27, и сверхрешетки 31, примыкающие ко второму поглощающему слою 28, образуют полупроводниковые области, имеющие разные значения эффективной ширины запрещенной зоны. Выполняет ли часть одной из сверхрешеток 29-32 функцию эффективного транспорта электронов или дырок, определяется природой соседней полупроводниковой области одного из трех туннельно-рекомбинационных переходов 33-35. Каждый из туннельно-рекомбинационных переходов 33-35 содержит пару полупроводниковых слоев, один из которых легирован для получения полупроводникового слоя р-типа, а другой - для получения полупроводникового слоя n-типа. Функция туннельно-рекомбинационных переходов состоит в том, чтобы обеспечить последовательное соединение между соответствующими сверхрешетками 29-32 с интегрированными поглощающими слоями 27, 28 и установить внутреннее электрическое поле в пределах активной области фотоэлектрического элемента 1.

На фиг.3 иллюстрируется вариант общей концепции фотоэлектрического элемента 1 по фиг.2 посредством энергетической диаграммы. И снова первый и второй поглощающие слои 27, 28 примыкают к частям сверхрешеток 29-32. Однако сверхрешетки 29-32 одной единственной пары в варианте воплощения по фиг.3 отличаются. Сверхрешетки 29-32 выбраны имеющими разные значения эффективной ширины запрещенной зоны в пределах одной пары. Значения ширины запрещенной зоны подбирают таким образом, чтобы носители отрицательного заряда, возбужденные в сверхрешетке 29, выталкивались к туннельно-рекомбинационному переходу 34, в то время как носители положительного заряда, возбужденные в сверхрешетке 30, направляются к туннельно-рекомбинационному переходу 33.

На фиг.4 показана производственная линия 36, предназначенная для изготовления батареи солнечных элементов с конфигурацией солнечного элемента 1, которая была описана выше. Производственная линия 36 в данном примере содержит две установки 37-38, мимо которых продвигают отрезок фольги. Батарею солнечных элементов формируют на фольге по мере того, как ее перемещают из первого рулона 39 ко второму рулону 40. Эти две установки 37, 38 представлены только в качестве примера, поскольку может использоваться большее или меньшее их количество. В частности, когда используется ПХОПФ, солнечные элементы могут быть изготовлены очень эффективно путем формирования слоев 10-21, 24-26 последовательно на одной или более установках 37, 38, которые расположены вдоль пути перемещения фольги. Для формирования отдельных элементов применяют формирование рисунка (структурирование), используя лазер или другую технологию вырезания. Благодаря использованию первого и второго рулонов 38, 39 становится возможным квазинепрерывное производство, ограниченное прежде всего максимальным применяемым на практике диаметром рулонов 39, 40. Батареи соответствующего размера могут быть сформированы из отрезка фольги после дополнительной обработки, такой как нанесение пластмассовых защитных слоев, удаление слоя подкладки и т.д. Батарею затем встраивают в фотоэлектрический прибор, включающий в себя соответствующие разъемы и необязательные дополнительные схемы. Использование блоков спектрально избирательно поглощающих материалов совместно со сверхрешетками со значениями эффективной ширины запрещенной зоны, подобранными для согласования с полосами поглощения этого материала, особенно в каскадной конфигурации элемента, делает такой фотоэлектрический прибор эффективным и относительно несложным в производстве.

Изобретение не ограничивается описанными выше вариантами воплощения, которые могут изменяться в пределах объема приложенной формулы изобретения. Например, полосы поглощения предназначенных для поглощения излучения материалов могут частично накладываться. Кроме того, возможны варианты воплощения, в которых одна из каждой пары полупроводниковых областей, примыкающих к слою для спектрально избирательного поглощения излучения, выполнена из неорганического, прямозонного или непрямозонного, полупроводникового материала вместо материала, содержащего сверхрешетку. Кроме того, пары полупроводниковых областей, образующих многопереходный элемент, могут быть разделены слоями неорганического полупроводникового материала, или же такой слой может быть предусмотрен в промежутке между электродом и сверхрешеткой.

1. Фотоэлектрический элемент, включающий в себя по меньшей мере первый переход между парой полупроводниковых областей (4-9), при этом по меньшей мере одна из этой пары полупроводниковых областей включает в себя по меньшей мере часть сверхрешетки, содержащей первый материал с распределенными в нем образованиями второго материала, причем эти образования имеют достаточно малые размеры, так что эффективная ширина запрещенной зоны между эффективными энергетическими зонами сверхрешетки по меньшей мере частично определяется этими размерами, при этом между полупроводниковыми областями предусмотрен поглощающий слой (24-26), при этом поглощающий слой содержит материал, предназначенный для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, и имеет такую толщину, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из эффективных энергетических зон сверхрешетки и один из уровней возбуждения материала поглощающего слоя выбраны для согласования соответственно по меньшей мере одного из уровней возбуждения материала поглощающего слоя и эффективной энергетической зоны сверхрешетки.

2. Фотоэлектрический элемент по п.1, содержащий последовательность пар полупроводниковых областей (4-9), разделенных переходами и имеющих уменьшающиеся с каждой парой значения эффективной ширины запрещенной зоны, при этом по меньшей мере две из полупроводниковых областей (4-9) включают в себя сверхрешетку и примыкающий слой (24-26) из материала, предназначенного для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, такой толщины, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом.

3. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, причем каждая сверхрешетка содержит периодически повторяющуюся комбинацию слоев (10-21) разных полупроводниковых материалов, достаточно тонких для придания сверхрешетке эффективной ширины запрещенной зоны, отличающейся от ее ширины у любых полупроводниковых материалов в отдельных слоях сверхрешетки.

4. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором сверхрешетка состоит из полупроводниковых материалов с собственной проводимостью, и фотоэлектрический элемент дополнительно содержит по меньшей мере одну пару по-разному легированных полупроводниковых областей n-типа и р-типа, выполненных с возможностью создавать внутреннее электрическое поле в фотоэлектрическом элементе.

5. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором поглощающий слой проложен между упомянутыми полупроводниковыми областями, и упомянутые полупроводниковые области имеют разные значения эффективной ширины запрещенной зоны.

6. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором предназначенный для поглощения излучения материал содержит по меньшей мере один из прямозонного полупроводника, органического молекулярного материала и материала, содержащего нанокристаллы.

7. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором сверхрешетка содержит периодически повторяющуюся комбинацию слоев (10-21) разных аморфных полупроводниковых материалов.

8. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором сверхрешетка содержит периодически повторяющуюся комбинацию слоев (10-21) гидрогенизированных полупроводниковых материалов.

9. Способ изготовления батареи фотоэлектрических элементов, включающий в себя осаждение слоев (10-26) материала на отрезок фольги и формирование рисунка в по меньшей мере некоторых из этих слоев для формирования батареи фотоэлектрических элементов (1), при этом формируют батарею из элементов по любому из пп.1-8.

10. Способ по п.9, в котором слои осаждают на по меньшей мере одной установке (19, 20) в производственной линии (18), при этом квазинепрерывный отрезок фольги продвигают мимо каждой установки (19, 20).

11. Фотоэлектрический прибор, включающий в себя множество фотоэлектрических элементов (1) по любому из пп.1-8.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области производства твердотельных фоточувствительных полупроводниковых приборов, а именно к области производства преобразователей мощности света в электрический ток, и может быть использовано при изготовлении указанных приборов.

Изобретение относится к функциональной микроэлектронике, микрофотоэлектронике, вычислительной технике. .

Изобретение относится к гелиотехнике, может быть использовано для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию и касается солнечного модуля, включающего концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии, с контактами подключения батарей накопителей электрической и тепловой энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель, а также комбинированной солнечно-энергетической установки, включающей указанные выше солнечные модули

Использование: для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения включает соосно расположенные каналы регистрации оптического и жесткого электромагнитного излучения, созданный на основе чередующихся эпитаксиально согласованных слоев чувствительных в соответствующих спектральных диапазонах полупроводниковых материалов с электронно-дырочными переходами или без них, чувствительные слои располагают по разные стороны подложки, толщина чувствительного к жесткому электромагнитному излучению материала приемника на два порядка больше, чем у чувствительного материала фотоприемника, в качестве фильтра для приемника жесткого электромагнитного излучения, обрезающего излучение оптического диапазона, используют слой чувствительного к этому излучению полупроводникового материала, на основе которого формируют фотоприемник оптического диапазона. Технический результат: обеспечение возможности упрощения конструкции и расширение возможностей систем регистрации электромагнитного излучения. 1 ил.
Наверх