каскадный солнечный элемент

Формула изобретения

1. Каскадный солнечный элемент, содержащий подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные, соответственно, на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки, осуществляющей функцию базы, и слоя с противоположным типом проводимости относительно подложки, осуществляющего функцию эмиттера, отличающийся тем, что в качестве материала для нижнего каскада солнечного элемента использован кремний, а комбинированный буфер в составе мульти-p-n-переходной структуры выполнен оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, или верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом.

2. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка, осуществляющая функцию базы, выполнена из кремния p-типа проводимости.

3. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺ слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода p⁺⁺ GaAs-n⁺⁺GaAs или туннельного диода n ⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, расположенного на комбинированном прозрачном буфере, верхнего каскада, представляющего верхний p-n-переход, состоящий из p слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде, p слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на p слое AlInP, n ⁺ слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p слое InGaP, n⁺ слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ слое InGaP, и n слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n⁺ слое AlInP.

4. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺ слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода p⁺⁺ GaAs-n⁺⁺GaAs, расположенного на комбинированном прозрачном буфере, среднего каскада, представляющего собой средний p-n-переход, состоящий из p слоя InGaP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде p ⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs, p слоя GaAs, являющегося базой, расположенного на p слое InGaP, n⁺ слоя GaAs, являющегося эмиттером, расположенного на p слое GaAs, n слоя InGaP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ слое GaAs, туннельного диода n ⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, расположенного на n слое InGaP, верхнего каскада, представляющего собой верхний p-n-переход, состоящий из p слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде n ⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, p слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на p слое AlInP, n ⁺ слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p слое InGaP, n⁺ слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ слое InGaP, и n слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n слое AlInP.

5. Каскадный солнечный элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что комбинированный прозрачный буфер выполнен в составе: слоя Ge_0,15Si _0,85, обеспечивающего точное согласование решеток Si и GaP, расположенного на n⁺ слое Si, слоя GaP, расположенного на слое Ge_0,15Si _0,85, и слоя переменного состава по толщине In _xGa_1-xP, обеспечивающего «выход» на постоянную решетки материала из которого изготовлен средний или верхний каскад, и расположенного на слое GaP, причем с увеличением x от границы раздела данных слоев от 0 до 0,5 непрерывно или дискретно, при этом в целом комбинированный буфер прозрачен для света, пропускаемого верхними каскадами спектральной области фотопреобразования Si.

6. Каскадный солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что контактные электроды выполнены из Ag или Au.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано для создания приборов, эксплуатируемых в условиях космоса.

Известен каскадный солнечный элемент (Tatsuya Takamoto, Minoru Kaneiwa, Mitsuru Imaizumi, Masafumi Yamaguchi "InGaP/GaAs-based Multijunction Solar Cell" Prog. Photovolt.: Res. Appl., 2005, 13: p.p.495-511), содержащий подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости AlInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInP, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInP, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости AlInP, являющийся широкозонным окном; средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости GaInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInAs, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInAs, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости GaInP, являющийся широкозонным окном; нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки p-типа проводимости Ge и n-слоя Ge, выполняющих соответственно функции базы и эмиттера; между верхним и средним каскадами выполнен широкозонный туннельный диод с p-слоем AlGaAs и n-слоем InGaP, между средним и нижним каскадами последовательно выполнены на n-слое Ge, являющемся эмиттером нижнего p-n-перехода, слой GaInP, слой n-типа проводимости GaInAs, образующие буфер, и туннельный диод на основе GaAs, а между верхним контактным электродом и слоем n-типа проводимости AlInP, являющимся широкозонным окном верхнего p-n-перехода, выполнен подконтактный слой GaAs n-типа проводимости.

К недостаткам данного технического решения относятся недостаточно высокий кпд солнечного элемента, тяжеловесность конструкции в сочетании с низкой прочностью, а также высокая стоимость изготавливаемых изделий. Указанные недостатки обусловлены конструктивными особенностями выполнения солнечного элемента, а именно выполнением первого каскада на основе Ge. Необходимость точного согласования кристаллических решеток используемых материалов для слоев, выполняющих активную функцию, предопределяет использование германия в каскадных солнечных элементах, однако при использовании его в сочетании с другими традиционно применяемыми материалами ширина запрещенной зоны Ge не является оптимальной для достижения высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Тяжеловесность в сочетании с низкой прочностью известных конструкций каскадных солнечных элементов обусловлена хрупкостью германия и его большим удельным весом.

Наиболее близким техническим решением является каскадный солнечный элемент (С.М.Fetzer, R.R.King, P.C.Colter, К.М.Edmondson, D.С.Law, A.P.Stavrides, H.Yoon, J.Н.Ermer, М.J.Romero, N.Н.Karam "High-efficiency metamorphic GaInP/GaInAs/Ge solar cells grown by MOVPE", Journal of Crystal Growth 261 (2004), p.p.341-348), содержащий подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости AlGaInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInP, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInP, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости AlInP, являющийся широкозонным окном; средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, выполнен в составе: слоя, отражающего неосновные носители заряда, p-типа проводимости GaInP, на котором расположены последовательно слой p-типа проводимости GaInAs, являющийся базой, слой n-типа проводимости GaInAs, являющийся эмиттером, и слой n-типа проводимости GaInP, являющийся широкозонным окном; нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки p-типа проводимости Ge и n ⁺ слоя Ge, выполняющих соответственно функции базы и эмиттера; между верхним и средним каскадами выполнен широкозонный туннельный диод с n⁺⁺ слоем, расположенным на слое n-типа проводимости GaInP, являющемся широкозонным окном среднего p-n-перехода, между средним и верхним каскадами последовательно выполнены из GaInAs зародышеобразующий слой, туннельный диод с n⁺⁺ слоем, расположенным на зародышеобразующем слое, и комбинированный буфер, состоящий из буферных слоев, обеспечивающих пошаговое достижение выхода на желаемое содержание In, а между верхним контактным электродом и слоем n-типа проводимости AlInP, являющемся широкозонным окном верхнего p-n-перехода, выполнен подконтактный слой GaInAs n-типа проводимости.

К недостаткам данного технического решения относятся недостаточно высокий кпд солнечного элемента, тяжеловесность конструкции в сочетании с низкой прочностью, а также высокая стоимость изготавливаемых изделий. Указанные недостатки обусловлены конструктивными особенностями выполнения солнечного элемента, а именно выполнением первого каскада на основе Ge. Необходимость точного согласования кристаллических решеток используемых материалов для слоев, выполняющих активную функцию, предопределяет использование германия в каскадных солнечных элементах, однако при использовании его в сочетании с другими традиционно применяемыми материалами ширина запрещенной зоны Ge не является оптимальной для достижения высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Тяжеловесность в сочетании с низкой прочностью известных конструкций каскадных солнечных элементов обусловлена хрупкостью германия и его большим удельным весом.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение кпд солнечного элемента;

- облегчение конструкции и повышение ее прочности.

Дополнительным положительным эффектом предлагаемого изобретения является снижение стоимости готового изделия.

Технический результат достигается тем, что в каскадном солнечном элементе, содержащем подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента, при этом мульти-p-n-переходная структура в совокупности с подложкой разделена на каскады солнечного элемента, причем нижний каскад, являющийся нижним p-n-переходом, выполнен в составе подложки, осуществляющей функцию базы, и слоя с противоположным типом проводимости относительно подложки, осуществляющего функцию эмиттера, в качестве материала для нижнего каскада солнечного элемента использован кремний, а комбинированный буфер в составе мульти-p-n-переходной структуры выполнен оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом, или верхний каскад, являющийся верхним p-n-переходом.

В каскадном солнечном элементе подложка, осуществляющая функцию базы, выполнена из кремния p-типа проводимости.

В каскадном солнечном элементе мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺-слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода р⁺⁺ GaAs-n ⁺⁺ GaAs или туннельного диода n⁺⁺ AlGaAs-р⁺⁺InGaP, расположенного на комбинированном прозрачном буфере; верхнего каскада, представляющего верхний p-n-переход, состоящий из p-слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде, p-слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на p-слое AlInP, n ⁺-слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p-слое InGaP, n⁺-слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ -слое InGaP, и n-слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n⁺-слое AlInP.

В каскадном солнечном элементе мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента, содержащая комбинированный прозрачный буфер, выполнена также в составе: n⁺-слоя Si, являющегося эмиттером нижнего p-n-перехода, расположенного на верхней стороне подложки, на котором расположен комбинированный прозрачный буфер, туннельного диода р⁺⁺GaAs-n⁺⁺ GaAs, расположенного на комбинированном прозрачном буфере; среднего каскада, представляющего собой средний p-n-переход, состоящий из p-слоя InGaP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде р⁺⁺GaAs-n ⁺⁺GaAs, p-слоя GaAs, являющегося базой, расположенного на p-слое InGaP, n⁺-слоя GaAs, являющегося эмиттером, расположенного на p-слое GaAs, n⁺ -слоя InGaP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺-слое GaAs, туннельного диода n ⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP, расположенного на n-слое InGaP; верхнего каскада, представляющего собой верхний p-n-переход, состоящий из р-слоя AlInP, отражающего неосновные носители заряда, расположенного на туннельном диоде n ⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP, p-слоя InGaP, являющегося базой, расположенного на р-слое AlInP, n ⁺-слоя InGaP, являющегося эмиттером, расположенного на p-слое InGaP, n⁺-слоя AlInP, являющегося широкозонным окном, расположенного на n⁺ -слое InGaP, и n-слоя GaAs, являющегося подконтактным, расположенного на n-слое AlInP.

В каскадном солнечном элементе комбинированный прозрачный буфер выполнен в составе: слоя Ge_0,15 Si_0,85, обеспечивающего точное согласование решеток Si и GaP, расположенного на n⁺-слое Si, слоя GaP, расположенного на слое Ge_0,15 Si_0,85, и слоя переменного состава по толщине In_xGa_1-xP, обеспечивающего «выход» на постоянную решетки материала, из которого изготовлен средний или верхний каскад, и расположенного на слое GaP, причем с увеличением х от границы раздела данных слоев от 0 до 0,5 непрерывно или дискретно, при этом в целом комбинированный буфер прозрачен для света, пропускаемого верхними каскадами спектральной области фотопреобразования Si.

В каскадном солнечном элементе контактные электроды выполнены из Ag или Au.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 отражены пути решения задачи создания высокоэффективных солнечных элементов с приведением используемых материалов, указанием для них значений ширины запрещенной зоны, постоянной решетки и поглощаемых длин волн. На Фиг.2 схематически представлен каскадный солнечный элемент, где 1 - подложка Si, 2 - n ⁺-слой Si, 3 - n⁺-слой Ge _0,15Si_0,85, 4 - слой GaP, 5 - слой In_xGa_1-xP, 6 - туннельный диод р⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs, 7 - p-слой InGaP, 8 - p-слой GaAs, 9 - n⁺ -слой GaAs, 10 - n-слой InGaP, 11 - туннельный диод n ⁺⁺AlGaAs-p⁺⁺InGaP, 12 - р-слой AlInP, 13 - р-слой InGaP, 14 - n⁺-слой InGaP, 15 - n⁺-слой AlInP, 16 - n-слой GaAs, 17 - верхний контактный электрод, 18 - нижний контактный электрод.

Создание высокоэффективных каскадных солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений А₃В ₅ в сочетании с использованием дешевых, прочных и легких подложек из Si является на данном этапе развития фотовольтаики одной из наиболее приоритетных задач. Основной проблемой на пути создания таких высокоэффективных устройств является большое, порядка 4%, рассогласование постоянных решеток и значительное, до 50%, рассогласование коэффициентов термического расширения кремния и наиболее пригодных, технологически отработанных для каскадных солнечных элементов материалов, таких как GaAs, AlGaAs, InGaP, обладающих (в комбинации) значениями запрещенных зон Eg, близкими к оптимальным для эффективного преобразования солнечной энергии. Приведенное рассогласование постоянных решеток обуславливает высокую 10⁷ см^-2 и выше плотность дислокации в слоях данных материалов. Указанные обстоятельства препятствуют получению на кремнии высококачественных, характеризующихся большим временем жизни и подвижностью неосновных носителей заряда, слоев полупроводниковых соединений А ₃В₅, что является необходимым условием для эффективного функционирования солнечного элемента.

Одним из путей решения поставленной задачи является создание на кремнии достаточно толстого порядка 10 мкм буферного слоя SiGe с «выходом» на постоянную решетку Ge, значение которой очень близко к постоянной решетки соответствующих соединений А ₃В₅ (и твердых растворов между ними) (Фиг.1). Этот путь, в общем, позволяет выращивать на монокристаллических кремниевых подложках высококачественные слои соединений А ₃В₅, характеризующиеся большими значениями диффузионных длин неосновных носителей заряда и, следовательно, кпд солнечного элемента.

Однако следует отметить, что указанный подход имеет один, но принципиальный недостаток, заключающийся в том, что в солнечном элементе буферный слой SiGe является непрозрачным в спектральной области эффективного фотопреобразования в кремнии. Кремниевая подложка, которая сама по себе могла бы эффективно служить в качестве конструктивного элемента, выполняющего активную функцию в фотопреобразовании, в данном случае играет роль только несущего элемента, пассивной инертной подложки.

В связи с этим фактором, обуславливающим повышение эффективности солнечного элемента, является реализация использования в каскадном солнечном элементе подложки Si в качестве активного фотопреобразующего конструктивного элемента. Для достижения этого необходимо наличие буферного слоя прозрачного в спектральной области фотопреобразования кремнием, то есть с шириной запрещенной зоны больше края Eg предыдущего каскада.

В предлагаемом изобретении в качестве буферного слоя прозрачного в спектральной области фотопреобразования кремнием используются фосфорсодержащие твердые растворы соединений А ₃В₅ (GaInP, GaAsP, AlInP), позволяющие получать комбинированные буферные слои GaP-InGaP, GaP-AlInP, GaP-GaPAs (Фиг.1). В состав комбинированного буфера (Фиг.2), который выполнен оптически прозрачным в области фотопреобразования кремнием и согласующим постоянные решетки кремния и материала, на основе которого создан предыдущий каскад, включен также слой GeSi, позволяющий точно согласовать решетки кремния и фосфида галлия. Ширина запрещенной зоны комбинированного буферного слоя GaP-InGaP составляет, плавно меняясь, от 1,88 до 2,26 эВ.

Постоянная решетки GaP близка к постоянной решетки Si (отличия составляют 0,13%), а использование комбинированного прозрачного буфера (см. Фиг.2), включающего, например, слои GaP-In _xGa_1-xP, где х во втором слое увеличивается от границы раздела данных слоев от 0 до 0,5, позволяет «выйти» на постоянную решетки GaAs или AlGaAs (см. Фиг.1). Это, в свою очередь, дает возможность выращивать из технологически отработанных для солнечных элементов материалов А₃В ₅ слои, с достаточно низкой плотностью дислокации, что обусловливает увеличение диффузионной длины неосновных носителей заряда и, следовательно, кпд солнечных элементов. Комбинация совместимых в отношении постоянной решетки вышеперечисленных материалов позволяет реализовывать одни из самых эффективных архитектур двух- и трехкаскадных солнечных элементов на настоящий момент времени. Так, для двухкаскадного AlGaAs/Si или InGaP/Si с шириной запрещенной зоны соответственно 1,7 эВ/1,1 эВ или 1,8 эВ/1,1 эВ ожидаемый кпд составляет до 44%; для трехкаскадного InGaP/GaAs/Si с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ/1,4 эВ/ 1,1 эВ ожидаемый кпд составляет до 47%. Для сравнения отметим, что у реально полученных к настоящему времени солнечных элементов на дорогих и тяжелых подложках Ge или GaAs кпд составляет: для двухкаскадного InGaP/GaAs до 38%; для трехкаскадного InGaP/GaAs/Ge до 44%.

Предлагаемый каскадный солнечный элемент содержит подложку, мульти-p-n-переходную структуру солнечного элемента, расположенную на верхней стороне подложки, нижний и верхний контактные электроды, расположенные соответственно на нижней стороне подложки и на верхней части мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента. Причем подложка в совокупности с мульти-p-n-переходной структурой солнечного элемента подразделяется на каскады солнечного элемента. Предлагаемый каскадный солнечный элемент может быть реализован как в двухкаскадном, так и в трехкаскадном выполнении. В трехкаскадном выполнении солнечный элемент представлен на Фиг.2. Он содержит подложку Si 1, n⁺-слой Si 2, n ⁺-слой Ge_0,15Si_0,85 3, слой GaP 4, слой In_xGa _1-xP 5, туннельный диод р⁺⁺GaAs-n ⁺⁺GaAs 6, р-слой InGaP 7, р-слой GaAs 8, n ⁺-слой GaAs 9, n-слой InGaP 10, туннельный диод n ⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11, р-слой AlInP 12, р-слой InGaP 13, n⁺-слой InGaP 14, n⁺-слой AlInP 15, n-слой GaAs 16, верхний контактный электрод 17, нижний контактный электрод 18.

Подложка кремния 1 толщиной 70÷200 мкм имеет p-тип проводимости с концентрацией свободных носителей заряда на уровне 10 ¹⁶ см^-3.

На верхней стороне подложки кремния 1 выполнена мульти-p-n-переходная структура солнечного элемента. Для трехкаскадного солнечного элемента (Фиг.2) она выполнена, например, в составе n⁺-слоя Si 2, n⁺-слоя Ge_0,15 Si_0,85 3, слоя GaP 4, слоя In _xGa_1-xP 5, туннельного диода р ⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6, р-слоя InGaP 7, р-слоя GaAs 8, n⁺-слоя GaAs 9, n-слоя InGaP 10, туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-р ⁺⁺InGaP 11, р-слоя AlInP 12, р-слоя InGaP 13, n ⁺-слоя InGaP 14, n⁺-слоя AlInP 15. Для двухкаскадного солнечного элемента мульти-p-n-переходная структура выполнена, например, в составе n⁺ -слоя Si 2, n⁺-слоя Ge_0,15 Si_0,85 3, слоя GaP 4, слоя In _xGa_1-xP 5, туннельного диода р ⁺⁺GaAs-n⁺⁺GaAs 6 или туннельного диода n⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺ InGaP 11, р-слоя или AlInP 12, р-слоя InGaP 13, n ⁺-слоя InGaP 14, n⁺-слоя AlInP 15 (см. Фиг.2).

Подложка кремния 1 в совокупности с расположенным на ней n⁺-слоем кремния 2 толщиной порядка 0,1 мкм образуют нижний каскад солнечного элемента, являющийся нижним p-n-переходом. При этом подложка кремния 1 выполняет функцию базы, а n⁺-слой кремния 2 - функцию эмиттера.

Средний каскад солнечного элемента, являющийся средним p-n-переходом, образован р-слоем InGaP 7, р-слоем GaAs 8, n⁺ -слоем GaAs 9 и n-слоем InGaP 10. При этом р-слой InGaP 7 выполняет функцию отражения неосновных носителей заряда, расположенный на р-слое InGaP 7 р-слой GaAs 8 является базой, расположенный на р-слое GaAs 8 n⁺-слой GaAs 9 является эмиттером, а расположенный на n⁺-слое GaAs 9 n-слой InGaP 10 является широкозонным окном.

Следует отметить, что предлагаемый каскадный солнечный элемент допускает выполнение второго каскада в вариантах известных технических решений, в частности, как у вышеприведенных аналогов.

Между нижним и средним каскадами солнечного элемента в составе мульти-p-n-переходной структуры выполнены комбинированный прозрачный буфер и туннельный диод (Фиг.2).

В каскадном солнечном элементе комбинированный прозрачный буфер состоит: во-первых, из пьезоморфного или релаксированного слоя Ge_0,15Si_0,85 , который обеспечивает точное согласование решеток нижележащего Si и вышележащего слоя GaP, причем слой Ge_0,15 Si_0,85 пропускает не менее 95% фотонов, прошедших через предыдущие каскады, поскольку его толщина не превышает 0,5 мкм, а коэффициент оптического поглощения 10 ³ см^-1; во-вторых, из широкозонного слоя GaP, также прозрачного, так как ширина его запрещенной зоны 2,26 эВ; в-третьих, из слоя с переменным составом In _xGa_1-xР, причем по мере удаления от границы раздела данного слоя и слоя GaP х увеличивается от 0 до 0,5 плавно или ступенчато, что обеспечивает выход на постоянную решетки материалов, из которых изготовлены средний и верхние каскады. Слой In_xGa_1-x Р также прозрачен в спектральном диапазоне преобразования света кремнием, поскольку его ширина запрещенной зоны не менее 1,89 эВ.

Комбинированный буфер, выполненный оптически прозрачным в спектральной области фотопреобразования кремния, с одной стороны, пропуская фотоны, обеспечивает выполнение кремниевой подложкой активной функции, а, с другой стороны, согласует постоянные решетки кремния и материалов верхних каскадов, в частности GaAs, на основе которого выполнен средний каскад, являющийся средним p-n-переходом. Буфер содержит n^+-слой Ge _0,15Si_0,85 3, слой GaP 4, слой In _xGa_1-xP 5, при этом слои выполнены в указанной последовательности на n⁺-слое Si 2. Толщина n⁺-слоя Ge _0,15Si_0,85 3 не более 0,5 мкм. Толщина следующего слоя GaP 4 составляет примерно 0,1 мкм. Он является начальным для слоя переменного состава In_x Ga_1-xP 5 толщиной от 1 до 1,5 мкм, предназначенного для «выхода» на постоянную решетки материала, из которого выполнен средний или верхний каскад, в частности, в трехкаскадном исполнении, на GaAs, из которого изготовлен средний каскад. Причем концентрация In по слою увеличивается от границы раздела данного и лежащего под ним слоя. На данной границе раздела соответствующее значение х равно 0 и оно достигает значения 0,5 на границе раздела данного слоя и следующего вышележащего слоя мульти-p-n-переходной структуры.

При изготовлении солнечного элемента исходя из условия достижения минимальной плотности дислокации выбирается конкретный вариант изменения значения х как функции расстояния от границы раздела. Он может иметь непрерывный или дискретный (ступенчатый) характер в зависимости от используемой технологии.

Все слои комбинированного прозрачного буфера имеют n-тип проводимости и являются сильнолегированными с концентрацией свободных носителей заряда на уровне 10 ¹⁸÷10¹⁹ см^-3 .

Туннельный диод р⁺⁺GaAs-n ⁺⁺GaAs 6 или туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р ⁺⁺InGaP 11 расположен на слое In_x Ga_1-xP 5 комбинированного прозрачного буфера. Выполнение и характеристики его такие же, как, например, в известных вышеприведенных технических решениях.

Если желателен трехкаскадный вариант реализации солнечного элемента, то в составе мульти-p-n-переходной структуры предусмотрены дополнительный туннельный диод n ⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11 и средний каскад, являющийся средним p-n-переходом (Фиг.2).

Дополнительный туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р ⁺⁺InGaP 11 выполнен на последнем, самом верхнем слое среднего каскада солнечного элемента, а именно на n-слое InGaP 10, который представляет собой широкозонное окно. Выполнение и характеристики данного туннельного диода могут быть такими же, как, например, в известных вышеприведенных технических решениях.

Относительно верхнего каскада солнечного элемента следует отметить, что он также может быть выполнен, как в известных вышеприведенных технических решениях. В нашем случае он выполнен на туннельном диоде n ⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11 (Фиг.2) в составе следующих друг за другом: p-слоя AlInP 12, p-слоя InGaP 13, n ⁺-слоя InGaP 14 и n⁺-слоя AlInP 15; в котором p-слой AlInP 12 выполняет функцию слоя, отражающего неосновные носители заряда, р-слой InGaP 13 является базой, n ⁺-слой InGaP 14 является эмиттером, a n ⁺-слой AlInP 15 - широкозонным окном.

В составе мульти-p-n-переходной структуры солнечного элемента предусмотрен подконтактный слой. Как в случае реализации двухкаскадного солнечного элемента, так и в случае реализации трехкаскадного, он выполнен на слое, являющемся широкозонным окном верхнего каскада. Например (Фиг.2), данный слой, являющийся n слоем GaAs 16, выполнен на n ⁺-слое AlInP 15.

Верхний и нижний контактные электроды, соответственно 17 и 18, каскадного солнечного элемента выполнены, например, из серебра или золота.

Каскадный солнечный элемент, например, в трехкаскадном выполнении (Фиг.2) работает следующим образом.

Поток световой энергии падает на каскадный солнечный элемент со стороны верхнего контактного электрода. Фотоны проходят n⁺-слой AlInP 15 - широкозонное окно, которое подавляет поверхностную рекомбинацию, тонкий n ⁺-слой InGaP 14, являющийся эмиттером, и поглощаются в основном в p-слое InGaP 13 - базе верхнего каскада с шириной запрещенной зоны Eg₁.

Генерируемые при этом электронно-дырочные пары в верхнем каскаде разделяются электрическим полем p-n-перехода верхнего каскада и создают свою часть электрической мощности, выделяемой солнечным элементом. Отметим, что электроны, движущиеся в p-слое InGaP 13, являющемся базой, от p-n-перехода, возвращаются к нему потенциальным барьером p-слоя AlInP 12, выполняющего функцию отражения неосновных носителей заряда.

Фотоны с энергией прошедшие верхний каскад, проходят туннельный диод n ⁺⁺AlGaAs-р⁺⁺InGaP 11, n-слой InGaP 10, который представляет собой широкозонное окно среднего каскада, подавляющее рекомбинацию носителей заряда на границе раздела слоев 9 и 10, тонкий n⁺-слой GaAs 9, являющийся эмиттером, и поглощаются в основном в p-слое GaAs 8, являющемся базой среднего каскада, с шириной запрещенной зоны Eg ₂.

Генерируемые при этом электронно-дырочные пары в среднем каскаде разделяются электрическим полем p-n-перехода среднего каскада и создают свою часть электрической мощности, выделяемой солнечным элементом. Отметим, что электроны, движущиеся в p-слое GaAs 8, являющемся базой, от p-n-перехода возвращаются к нему потенциальным барьером p-слоя InGaP 7, выполняющего функцию отражения неосновных носителей заряда.

Фотоны с энергией прошедшие верхние каскады, проходят широкозонный p-слой InGaP 7, туннельный диод р⁺⁺GaAs-n ⁺⁺GaAs 6, комбинированный прозрачный буфер, тонкий n ⁺-слой Si 2, являющийся эмиттером, и поглощаются в основном в подложке Si 1 - базе нижнего каскада с шириной запрещенной зоны Eg₃. Роль широкозонного окна нижнего каскада, подавляющего рекомбинацию носителей заряда на границе раздела слоев 3 и 4, играет слой GaP 4.

Генерируемые при этом электронно-дырочные пары в нижнем каскаде разделяются электрическим полем p-n-перехода (слои 1 и 2) нижнего каскада и создают свою часть электрической мощности, выделяемой солнечным элементом.

Туннельный диод n⁺⁺AlGaAs-р ⁺⁺InGaP 11 служит для электрической связи верхнего и среднего каскадов, а туннельный диод р⁺⁺GaAs-n ⁺⁺GaAs 6 - для электрической связи между средним и нижним каскадами.

Солнечный элемент в двухкаскадном выполнении работает аналогичным образом.