О проблемах создания четырехкаскадных солнечных элементов с согласованной кристаллической решеткой

Авторы

  • Богатов Н.М. Кубанский государственный университет, Краснодар, Российская Федерация
  • Нестеренко И.И. Кубанский государственный университет, Краснодар, Российская Федерация
  • Скачков А.Ф. Кубанский государственный университет, Краснодар, Российская Федерация

УДК

621.315.592:535.215

Аннотация

Разработана структура четырехкаскадного солнечного элемента с согласованной кристаллической решеткой на основе соединений А3В5. Проведены процессы для получения необходимого состава эпитаксиальных слоев эмиттера и базы четвертого каскада, которые являются согласованными по параметру кристаллической решетки с подложкой Ge, достигнут необходимый уровень легирования слоев. Получены слои тыльного потенциального барьера и туннельного диода между третьим и четвертым каскадами. Все отработанные слои внедрены в базовую эпитаксиальную структуру трехкаскадного солнечного элемента (СЭ). Измерены световые вольт-амперные характеристики, полученного четырехкаскадного СЭ. Проведен анализ полученных результатов, рассмотрены потенциальные преимущества четырехкаскадного солнечного элемента перед трехкаскадным с точки зрения эффективности преобразования энергии и увеличения срока активного существования солнечных батарей, изготовленных из четырехкаскадных СЭ.

Ключевые слова:

полупроводники, солнечный элемент, четырехкаскадная структура, эпитаксия, гетеропереход, туннельный диод, вольт-амперная характеристика

Информация об авторах

  • Николай Маркович Богатов

    д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой физики и информационных систем Кубанского государственного университета, действительный член Академии инженерных наук РФ им. А.М. Прохорова

  • Игорь Игоревич Нестеренко

    аспирант кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

  • Александр Фёдорович Скачков

    аспирант кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

Библиографические ссылки

  1. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 32. Вып. 8. С. 937-946. [Alferov Zh.I., Andreev V.M., Rumyantsev V.D. Tendentsii i perspektivy razvitiya solnechnoy fotoenergetiki [Trends and prospects for the development of solar photovoltaics]. Fizika i tehnologii poluprovodnikov [Physics and technology of semiconductors], 2004, vol. 32, iss. 8, pp. 937-946. (In Russian)]
  2. Власов А.С., Хвостиков В.П., Карлина Л.Б. и др. Концентраторные фотоэлектрические модули со спектральным расщеплением света с солнечными элементами на основе структур AlGaAs/GaAs/GaSb и GaInP/InGaAs(P) // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 7. С. 106-110. [Vlasov A.S., Khvostikov V.P., Karlina L.B. Kontsentratornye fotoelektricheskie moduli so spektral'nym rasshchepleniem sveta s solnechnymi elementami na osnove struktur AlGaAs/GaAs/GaSb i GaInP/InGaAs(P) [Concentrator photoelectric modules with spectral splitting of light with solar cells based on AlGaAs/GaAs/GaSb and GaInP/InGaAs(P) structures]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of Technical Physics], 2013, vol. 83, no. 7, pp. 106-110. (In Russian)]
  3. Zhao X., Li D., Zhang T. et al. Short circuit current and efficiency improvement of SiGe solar cell in a GaAsP-SiGe dual junction solar cell on a Si substrate // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Iss. 1. P. 94-101.
  4. Mellor A., Hylton N.P., Maier S.A. et al. Interstitial light-trapping design for multi-junction solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Iss. 1. P. 219-226.
  5. Лунин Л.С., Сысоев И.А., Чеботарев С.Н. и др. Формирование квантовых точек InAs на подложках GaAs методом ионно-лучевого осаждения // Наука Юга России. 2010. Т. 6. № 4. С. 46-49. [Lunin L.S., Sysoev I.A., Chebotarev S.N. et al. Formirovanie kvantovykh tochek InAs na podlozhkakh GaAs metodom ionno-luchevogo osazhdeniya [Formation of InAs quantum dots on GaAs substrates by ion-beam deposition]. Nauka Yuga Rossii [Science of the South of Russia], 2010, vol. 6, no. 4, pp. 46-49. (In Russian)]
  6. Ramiro I., Antolin E., Marti A. et al. Experimental demonstration of the effect of field damping layers in quantum-dot intermediate band solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. Vol. 140. Iss. 9. P. 299-305.
  7. Kwak G.Y., Lee S.H., Jang J.S. et al. Band engineering of a Si quantum dot solar cell by modification of B-doping profile // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Iss. 1. P. 80-85.
  8. Utrilla A.D., Reyes D.F., Llorens J.M. et al. GaAsSb capping layers for improved performance of InAs/GaAs quantum dot solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Iss. 1. P. 282-289.
  9. Boustanji H., Jaziri S., Lazzari J.-L. Contribution of a single quantum dots layer in intermediate band solar cells: A capacitance analysis // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Iss. 1. P. 633-639.
  10. Унтила Г.Г., Кост Т.Н., Чеботарева А.Б., Закс М.Б. и др. Солнечный элемент из кремния n-типа, двусторонний, концентраторный // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. Вып. 9. С. 1217-1223. [Untila G.G., Kost T.N., Chebotareva A.B. et al. Solnechnyy element iz kremniya n-tipa, dvustoronniy, kontsentratornyy [Solar cell of silicon of n-type, two-sided, concentrator]. Fizika i tehnika poluprovodnikov [Physics and technology of semiconductors], 2012, vol. 46. iss. 9, pp. 1217-1223. (In Russian)]
  11. Mahadik D.B., Lakshmi R.V., Barshilia H.C. High performance single layer nano-porous antireflection coatings on glass by sol-gel process for solar energy applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. Vol. 140. Iss. 9. P. 61-68.
  12. Арустамян Д.А., Чеботарев С.Н., Лунина М.Л. и др. Зависимость характеристик солнечных элементов на основе AlGaAs от толщины и уровня легирования базы // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2016. Т. 55. № 4. С. 7-12. [Arustamyan D.A., Chebotarev S.N., Lunina M.L. et al. Zavisimost' kharakteristik solnechnykh elementov na osnove AlGaAs ot tolshchiny i urovnya legirovaniya bazy [Dependence of the characteristics of solar cells based on AlGaAs on the thickness and doping level of the base]. Vestnik Severo-Kavkazskogo federalnogo universiteta [Bull. of the North-Caucasian Federal University], 2016, vol. 55, no. 4, pp. 7-12. (In Russian)]
  13. Foldyna M., Togonal A.S., Rusli et al. Optimization and optical characterization of vertical nanowire arrays for core-shell structure solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Iss. 1. P. 640-648.
  14. Gudovskikh A.S., Kaluzhniy N.A., Lantratov V.M. et al. Numerical modelling of GaInP solar cells with AlInP and AlGaAs windows // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. Iss. 20. P. 6739-6743.
  15. Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Лунина М.Л. Моделирование зависимостей функциональных характеристик кремниевых солнечных элементов, полученных методом ионно-лучевого осаждения, от толщины и уровня легирования фронтального слоя // Наука Юга России. 2011. Т. 7. № 4. С. 25-30. [Chebotarev S.N., Pashchenko A.S., Lunina M.L. Modelirovanie zavisimostey funktsional'nykh kharakteristik kremnievykh solnechnykh elementov, poluchennykh metodom ionno-luchevogo osazhdeniya, ot tolshchiny i urovnya legirovaniya frontal'nogo sloya [Modeling of the dependences of the functional characteristics of silicon solar cells obtained by the ion-beam deposition method on the thickness and doping level of the frontal layer]. Nauka Yuga Rossii [Science of the South of Russia], 2011, vol. 7, no. 4, pp. 25-30. (In Russian)]
  16. Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Лунин Л.С. и др. Моделирование кремниевых тонкопленочных трехкаскадных солнечных элементов α-Si:H/μC-Si:O/μC-Si:H // Наука Юга России. 2013. Т. 9. № 4. С. 18-25. [Chebotarev S.N., Pashchenko A.S., Lunin L.S. et al. Modelirovanie kremnievykh tonkoplenochnykh trekhkaskadnykh solnechnykh elementov α-Si:H/μC-Si:O/μC-Si:H [Modeling of silicon thin-film three-stage solar cells alpha-Si:H/μC-Si:O/μC-Si:H]. Nauka Yuga Rossii [Science of the South of Russia], 2013, vol. 9, no. 4, pp. 18-25. (In Russian)]
  17. Мусалинов С.Б., Бычков И.В., Анзулевич А.П. и др. Моделирование двух и трехслойных просветляющих покрытий для гетероструктурных солнечных элементов // Вестник Челябинского государственного университета. 2015. № 7. С. 60-63. [Musalinov S.B., Bychkov I.V., Anzulevich A.P. et al. Modelirovanie dvukh i trekhsloynykh prosvetlyayushchikh pokrytiy dlya geterostrukturnykh solnechnykh elementov [Simulation of two and three-layer antireflection coatings for heterostructural solar cells]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta [Bull. of the Chelyabinsk State University], 2015, no. 7, pp. 60-63. In Russian)]
  18. Богатов Н.М. Распределение заряда в резком несимметричном равновесном n-p-переходе // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2016. № 3. С. 12-17. [Bogatov N.M. Raspredelenie zaryada v rezkom nesimmetrichnom ravnovesnom n-p-perekhode [Charge distribution in a sharp asymmetric equilibrium n-p-transition]. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation], 2016, no. 3, pp. 12-17. (In Russian)]
  19. Богатов Н.М., Корнеев А.И., Матвеякин М.П. и др. Влияние неравновесного заряда границы SiO2-Si на нестационарность спектральной характеристики солнечных элементов с субмикронным p-n-переходом // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2006. № 4. С. 63-67. [Bogatov N.M., Korneev A.I., Matveyakin M.P. et al. Vliyanie neravnovesnogo zaryada granitsy SiO2-Si na nestatsionarnost' spektral'noy kharakteristiki solnechnykh elementov s submikronnym p-n-perekhodom [Influence of the nonequilibrium charge of the SiO2-Si interface on the nonstationary nature of the spectral characteristics of solar cells with a submicron p-n junction]. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation], 2006, no. 4, pp. 63-67. (In Russian)]
  20. Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Першин Н.В. и др. Определение времени захвата неравновесного поверхностного заряда в полупроводниковых структурах по спаду фотоэдс // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2008. № 2. С.57-61. [Bogatov N.M., Matveyakin M.P., Pershin N.V. et al. Opredelenie vremeni zakhvata neravnovesnogo poverkhnostnogo zaryada v poluprovodnikovykh strukturakh po spadu fotoeds [Determination of the time for the capture of a nonequilibrium surface charge in semiconductor structures from the decay of a photo-emf]. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation]. 2008. № 2. P. 57-61.]
  21. Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Першин Н.В. и др. Определение времени захвата неравновесного поверхностного заряда в полупроводниковых структурах по спаду тока короткого замыкания // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Естественные науки. 2008. № 6. С.39-41. [Bogatov N.M., Matveyakin M.P., Pershin N.V. et al. Determination of the capture time of a nonequilibrium surface charge in semiconductor structures from the drop in the short-circuit current. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy.Severo-Kavkazskiy region. Estestvennie nauki, 2008, no. 6, pp. 39-41.]
  22. Kuhnapfel S., Gall S., Rech B. et al. Towards monocrystalline silicon thin films grown on glass by liquid phase crystallization // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. Vol. 140. Iss. 9. P. 86-91.
  23. Dupre O., Vaillon R., Green M.A. Physics of the temperature coefficients of solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. Vol. 140. Iss. 9. P. 92-100.
  24. Boucher J.W., Greenaway A.L., Egelhofer K.E. et al. Analysis of performance-limiting defects in p-n junction GaAs solar cells grown by water-mediated close-spaced vapor transport epitaxy // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Iss. 1. P. 546-552.
  25. Чеботарев С.Н., Лунина М.Л., Алфимова Д.Л. Наноструктуры AIVBIV и AIIIBIII для устройств оптоэлектроники. Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2014. 275 с. [Chebotarev S.N., Lunina M.L., Alfimova D.L. Nanostrukturyg AIVBIV i AIIIBIII dlya ustroystv optoelektroniki [AIVBIV and AIIIBIII nanostructures for optoelectronic devices], Rostov-on-Don, UNCh RAN, 2014, 275 p. (In Russian)]
  26. Patel P., Aiken D., Chumney D. et al. Initial results of the monolithically grown six-junction inverted metamorphic multi-junctionsolar cell // 38th IEEE Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2012. P. 1-4.
  27. Cornfeld A., Patel P., Spann J. et al. Evolution of a 2.05eV AlGaInP top sub-cell for 5 and 6J-IMM applications // 38th IEEE Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2012. P. 88-91.
  28. Guter W., Kern R., Kostler W. et al. III-V Multi-junction Solar Cells - New lattice matched products and development of upright metamorphic 3J solar cells // 7th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems, 2011. P. 5-8.
  29. Sasaki K., Agui T., Nakaido K. et al. Development of InGaP/GaAs/InGaAs inverted triple junction concentrator solar cells // 9th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems, 2013. P. 22-25.
  30. Philipps S., Guter W., Welser E. et al. Present status in the development of III-V multi-junction solar cells // Next Generation of Photovoltaics, Luxembourg, Springer Verlag, 2012. P. 1-22.
  31. Илюшин В.А., Величко А.А. Процессы нанотехнологии. Новосибирск: НГТУ, 2004. 106 с. [Ilyushin V.A., Velichko A.A. Protsessy nanotekhnologii [Processes of nanotechnology]. Novosibirsk, NSTU, 2004, 106 p. (In Russian)]
  32. Baur C., Meusel M., Dimroth F. et al. Analysis of the radiation hardness of triple- and quintuple-junction solar cells // 31st IEEEPhotovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2005. P. 548-551.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Загрузки

Выпуск

№ 4 (2017): Выпуск 1

Страницы

74-80

Раздел

Физика

Даты

Поступление

16 сентября 2017

После доработки

2 ноября 2017

Публикация

25 декабря 2017

Как цитировать

[1]
Богатов, Н.М., Нестеренко, И.И., Скачков, А.Ф., О проблемах создания четырехкаскадных солнечных элементов с согласованной кристаллической решеткой. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2017, № 4, pp. 74–80.

Лицензия

Copyright (c) 2017 Богатов Н.М., Нестеренко И.И., Скачков А.Ф.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Похожие статьи

1-10 из 134

Вы также можете начать расширеннвй поиск похожих статей для этой статьи.

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

1 2 > >>