Многослойный солнечный преобразователь

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович Залесский Валерий Борисович Кравченко Владимир Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Многослойный солнечный преобразователь, содержащий подложку с тыльным электрическим контактом на внешней стороне, на внутренней стороне которой последовательно сформированы оптически связанные нижний полупроводниковый элемент из ,туннельный переход из , между слоямиикоторого сформирован слой квантовых точек издля поглощения солнечного излучения, верхний полупроводниковый элемент из 1-2, антиотражающее покрытие и фронтальный электрический контакт, Фиг. 1 13692 1 2010.10.30 при этом на части тыльного контакта сформированы параллельно соединенные с ним детектирующие антенные элементы, параллельно соединенные в периодически расположенные ряды, которые вместе с указанной частью контакта отделены от нижнего полупроводникового элемента прозрачным диэлектрическим слоем и оптически связанным с ним прозрачным проводящим слоем, который оптически и электрически связан с нижним полупроводниковым слоем и электрическипо меньшей мере с одной частью тыльного контакта. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждый детектирующий антенный элемент выполнен в виде двухзаходной спирали, компоненты которой изготовлены из металлов с разной работой выхода электронов. Изобретение относится к области преобразования энергии солнечного излучения широкого спектрального диапазона в электричество как за счет фотоэлектрического эффекта,так и за счет преобразования энергии длинноволновой части солнечного излучения в ток высокой частоты с последующим детектированием и может быть использовано в гелиоэнергетике и при создании высокоэффективных автономных источников электроэнергии. Известен многослойный солнечный элемент 1, содержащий на внутренней поверхности фронтальный контакт и антиотражающее покрытие и последовательно оптически с ними связанные три элемента гетероструктуры на основе , выполненные на подложке из германия, причем между этими элементами расположены оптически с ними связанные туннельные переходы на , а на внешней стороне подложки размещен тыльный контакт, который через выше указанные элементы электрически последовательно соединен с фронтальным контактом. Данное устройство не обладает высокой эффективностью преобразования солнечного излучения, особенно ИК-диапазона, в электричество, так как содержит 16 слоев различных полупроводниковых материалов, и длинноволновое излучение, проходя через слои,частично поглощается и до элемента гетероструктуры, преобразующего ИК-диапазон, достигает незначительный процент исходного количества фотонов с длиной волны более чем 0,85 мкм. Такая структура солнечного элемента с толщиной порядка 10 мкм требует большого количества дорогостоящих материалов и длительного процесса выращивания,что увеличивает их стоимость. Наиболее близким по технической сущности является многослойный солнечный элемент 2, содержащий оптически последовательно связанные верхний полупроводниковый элемент, выполненный из 1- или 1-, туннельный переход из , нижний полупроводниковый элемент, выполненный изили , при этом все слои полупроводниковых элементов размещены на подложкеили , а толщины их оптимизированы для согласования полупроводниковых элементов по току, причем на верхнем полупроводниковом элементе размещен фронтальный контакт, а на внешней стороне подложки - тыльный контакт, который через вышеуказанные полупроводниковые элементы электрически последовательно соединен с фронтальным контактом. Данное устройство не обладает высокой эффективностью преобразования солнечного излучения в электричество, так как нижний полупроводниковый элемент имеет толщину 3,5 мкм, что снижает коэффициент собирания носителей зарядов и КПД, так как добавление такого второго нижнего полупроводникового элемента увеличивает КПД только на 5,41. Техническая задача - увеличение эффективности преобразования солнечной радиации в электричество при одновременном уменьшении стоимости преобразователя. Поставленная техническая задача решается тем, что в многослойном солнечном преобразователе, содержащем подложку с тыльным контактом на внешней стороне, на внутренней стороне которой последовательно сформированы оптически связанные нижний 2 13692 1 2010.10.30 полупроводниковый элемент из , туннельный переход из , между слоями р икоторого сформирован слой квантовых точек издля поглощения солнечного излучения, верхний полупроводниковый элемент из 1-, антиотражающее покрытие и фронтальный электрический контакт, при этом на части тыльного контакта сформированы параллельно соединенные с ним детектирующие антенные элементы, параллельно соединенные в периодически расположенные ряды, которые вместе с указанной частью контакта отделены от нижнего полупроводникового элемента прозрачным диэлектрическим слоем и оптически связанным с ним прозрачным проводящим слоем, который оптически и электрически связан с нижним полупроводниковым слоем и электрически - по меньшей мере с одной частью тыльного контакта. Для эффективного решения поставленной технической задачи каждый детектирующий антенный элемент выполнен в виде двухзаходной спирали, компоненты которой изготовлены из металлов с разной работой выхода электронов. Совокупность указанных признаков позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного излучения в электричество за счет расширения спектрального диапазона преобразуемого солнечного излучения, а также снизить стоимость преобразователя за счет сокращения количества слоев дорогостоящих полупроводниковых материалов и их толщин. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на которой приведена схема расположения слоев и элементов преобразователя, где 1 - фронтальный контакт,2 - антиотражающее покрытие,3 - верхний полупроводниковый (п/п) элемент,4 - туннельный переход,5 - нижний полупроводниковый (п/п) элемент,6 - прозрачный проводящий слой,7 - прозрачный диэлектрик,8 - части тыльного контакта,9 - ряды детектирующих антенных элементов,10 - слои с квантовыми точками,11 - подложка. На фиг. 2 показано расположение элементов преобразователя на внешней стороне подложки 11 из германия, где 12 - детектирующие антенные элементы. В заявленном устройстве фронтальный контакт 1 электрически, а антиотражающее покрытие 2 оптически связаны с верхним п/п элементом 3 и расположены на нем. Верхний п/п элемент 3 оптически и электрически последовательно связан с туннельным переходом 4, нижним п/п элементом 5, прозрачным проводящим слоем 6, одной частью тыльного контакта 8 и только оптически - с прозрачным диэлектриком 7, рядами детектирующих антенных элементов 9, которые электрически соединены с соседними частями тыльного контакта 8. Между слоями туннельного перехода 4 расположены оптически связанные с ними слои с квантовыми точками 10. Прозрачный проводящий слой 6 выполнен на внешней стороне подложки 11, на внутренней стороне которой выполнен нижний п/п элемент 5, электрически связанный с прозрачным проводящим слоем 6 и, как минимум, с одной частью тыльного контакта 8 (фиг. 1). Каждый детектирующий антенный элемент 12 содержит две двухзаходные спирали, между внутренними концами которых имеется нанозазор. В конкретном исполнении фронтальный контакт 1 - это электроды из 1 толщиной около 1,5 мкм и шириной около 2 мкм, выполненные методами вакуумного напыления. Антиотражающее покрытие 2 - это просветляющие слои из оксида индия и оксида олова толщиной 0,1 мкм, выполненные методами вакуумного напыления. Верхний п/п элемент 3 13692 1 2010.10.30 3, туннельный переход 4, нижний п/п элемент 5, слои с квантовыми точками 10 - это выполненные методом молекулярно - лучевой эпитаксии слои соединений, на фиг. 1 сверху вниз - толщиной 0,03 мкм, - толщиной 0,1 мкм, - толщиной 0,7 мкм(верхний п/п элемент 3), -, - (туннельный переход 4 со слоями квантовых точек на основе 10 толщиной 57 нм), - толщиной 0,9 мкм на подложке из - это нижний п/п элемент 5. Прозрачный проводящий слой 6 выполнен методом вакуумного напыления из окиси цинка. Прозрачный диэлектрик 7 - это выполненная аналогичным образом пленка из поликристаллического сульфида цинка толщиной 0,5 мкм. Части тыльного контакта 8 выполнены методами вакуумного напыления из алюминия, а двухзаходные спирали детектирующих антенных элементов 12 изготовлены методами вакуумного напыления из алюминия и никеля. Параллельное включение детектирующих антенных элементов 12 в ряды 9 между частями тыльного контакта 8 необходимо для согласования по току верхнего, нижнего полупроводниковых элементов с этими рядами детектирующих антенных элементов 9. Подложка 11 - это- легированная пластина германия. Нанозазор между внутренними концами двухзаходных спиралей выполнен в результате окисления одной из этих спиралей перед напылением второй. Работает многослойный солнечный преобразователь следующим образом. Весь спектр солнечного излучения падает на антиотражающее покрытие 2, проходит через него и поступает в верхний п/п элемент 3, в котором коротковолновая часть солнечного излучения поглощается в области - перехода и в результате разделения носителей заряда на нем возникает фото-ЭДС, которая появляется между фронтальным контактом 1 и туннельным переходом 4. Длинноволновая часть солнечного излучения проходит через верхний п/п элемент 3 и начинает поглощаться в слоях квантовых точек 10, расположенных внутри туннельного перехода 4. Дальнейшее поглощение оставшейся энергии длинноволновой части солнечного излучения проходит в нижнем п/п элементе 5, и в нем разделяются все заряды, фотогенерированные этим излучением. Непоглощенное в нижнем п/п элементе 5 солнечное излучение попадает через прозрачный проводящий слой 6 и прозрачный диэлектрик 7 на ряды детектирующих антенных элементов 9, где происходит его эффективное преобразование в ток соответствующей частоты, или на части тыльного контакта 8, от которых оно отражается, возвращается в нижний п/п элемент 5, увеличивая фото - ЭДС последнего. Выпрямление тока высокой частоты осуществляется в нанозазоре между внутренними концами двухзаходных спиралей. Постоянные составляющие выходных напряжений каждого ряда детектирующих антенных элементов 9 через соответствующие их проводящие двухзаходные спирали параллельно поступают на части тыльного контакта 8. Такое параллельное включение детектирующих антенных элементов 12 одного их ряда 9 создает выходной электрический ток, согласованный с выходным током верхнего 3 и нижнего 5 п/п элементов. Последовательное соединение рядов детектирующих антенных элементов 9 через части тыльного контакта 8 прибавляет выходные напряжения этих рядов 9 к сумме фото - ЭДС верхнего 3 и нижнего 5 п/п элементов, что позволяет увеличить КПД преобразователя. Для увеличения угловой апертуры диаграммы направленности всех детектирующих антенных элементов 12 в рядах 9 можно использовать заземленный металлический экран,что позволит повысить эффективность преобразования рассеянного солнечного излучения, например при наличии облачности. В прототипе рассматривается нижний п/п элемент, который выполнен из дорогостоящегос толщиной более 3,5 мкм. В предлагаемом изобретении длинноволновая часть солнечного излучения два раза проходит через тонкий нижний п/п элемент 5, выполненный из германия, и слои квантовых точек 10, поэтому в этих элементах преобразователя поглощается до 20 длинноволновой части солнечного излучения. Остальная энергия длинноволновой части солнечного излучения более эффективно (до 80 ) поглощается рядами 9 детектирующих антенных элементов 12. Тем самым в предлагаемом устройстве 4 13692 1 2010.10.30 можно получить значительное увеличение КПД, который вместе с верхним и нижним п/п элементами составит порядка 43 . Источники информации 1. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. // Физика и техника полупроводников. 2004. - Т. 38. - Вып. 8. - С. 937-948. 2. Пат. США 5223043. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5