vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 1042 10.31429/vestnik-20-4-63-70 Научная статья Original article Физика Physics Фотоэлектрический преобразователь солнечного излучения на основе многослойных гетероструктур AlInP/GaP/AlGaInPAs/GaAs/Ge/SiGe/Si Photoelectric solar radiation converter based on AlInP/GaP/AlGaInPAs/GaAs/Ge/SiGe/Si multilayer heterostructures https://orcid.org/0000-0002-5534-9694 Лунин Л.С. Лунин Леонид Сергеевич Lunin Leonid Sergeevich lunin_ls@mail.ru

Doctor of Physics and Mathematics Sciences, Professor of the Department of Physics and Photonics, South Russian State Polytechnic University; Chief Researcher of the Laboratory of Physics and Technology of Semiconductor Nanoheterostructures for Microwave Electronics and Photonics, SSC RAS

д-р физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, профессор лаборатории физики и технологии наногетероструктур для СВЧ-электроники и фотоники Южного научного центра РАН; главный научный сотрудник НОЦ фотовольтаики и нанотехнологий Северо-Кавказского федерального университета

 https://orcid.org/0000-0002-9900-3767 Лунина М.Л. Лунина Марина Леонидовна Lunina Marina Leonidovna marluna14@mail.ru

Leading Researcher at the Laboratory of Physics and Technologies of Semiconductor Nanoheterostructures for Microwave Electronics and Photonics SSC RAS

канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии наногетероструктур для СВЧ-электроники и фотоники Южного научного центра РАН

 https://orcid.org/0000-0002-7976-9597 Пащенко А.С. Пащенко Александр Сергеевич Pashchenko Alexander Sergeevich as.pashchenko@gmail.com

Leading Researcher at the Laboratory of Physics and Technologies of Semiconductor Nanoheterostructures for Microwave Electronics and Photonics SSC RAS

канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии наногетероструктур для СВЧ-электроники и фотоники Южного научного центра РАН; старший научный сотрудник НОЦ фотовольтаики и нанотехнологий Северо-Кавказского федерального университета

 https://orcid.org/0000-0002-0548-9517 Донская А.В. Донская Алина Валентиновна Donskaya Alina Valentinovna alina_donskaya.8@mail.ru

Assistant Department of Physics and Photonics

аспирант, ассистент кафедры физики и фотоники Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова

 Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону; Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, НовочеркасскFederal Research Center Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don; Platov Polytechnic University (NPI), Novocherkassk Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук, Ростов-на-ДонуFederal Research Center Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова, НовочеркасскPlatov Polytechnic University, Novocherkassk 31 12 2023 20 4 63 70 16 10 2023 11 11 2023 31 12 2023 Copyright (c) 2024 Лунин Л.С., Лунина М.Л., Пащенко А.С., Донская А.В. 2024 Лунин Л.С., Лунина М.Л., Пащенко А.С., Донская А.В. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

The production of economically viable and efficient gallium arsenide photovoltaic converters is possible by growing multilayer heterostructures on a silicon substrate using a SiGe buffer layer. This work describes a method for growing an AlInP/GaP/AlGaInPAs/GaAs/Ge/SiGe/Si heterostructure. During the calculations it was found that the AlGaInPAs and GaAs layers have isoperiodic compositions. At an aluminum concentration in the solid phase of 0.1 mol.fr., the isoperiod corresponds to the direct gap structure of the AlGaInPAs solid solution. The spectral characteristics of a cascade solar cell have been studied. Thus, radiation conversion is observed at wavelengths of 250–1800 nm. The external quantum efficiency EQE of the first Ge cascade reaches 60%, and the fourth GaP cascade — 90%. The high EQE value is associated with the matching of the crystal lattice periods of the second GaAs and third AlGaInPAs cascades. In addition, the work presents the load current-voltage characteristic. According to the data obtained, the conversion efficiency of the heterostructure is 41.3% and the current density j is 27.2 mA/cm2.

Методом зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ) выращены многослойные структуры AlInP/GaP/AlGaInPAs/GaAs/Ge/SiGe/Si для каскадных фотоэлектрических преобразователей, работающих в интервале длин волн 250–1800 нм. Исследованы структурные свойства нанослоев AlGaInPAs на GaAs и GaP на AlGaInPAs. Изучены спектральные характеристики фотоэлементов четырехкаскадного фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) AlInP/GaP/AlGaInPAs/GaAs/Ge/SiGe/Si.

 твердый раствор зонная перекристаллизация солнечный элемент каскад внешний квантовый выход спектральная характеристика solid solution zone recrystallization solar cell cascade external quantum efficiency spectral characteristic Growing experimental samples and measuring spectral characteristics were carried out within the framework of the state assignments of the Federal Research Center of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences No. 122020100254-3, Federal Research Center of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences No. 122020100326-7. Выращивание экспериментальных образцов и измерение спектральных характеристик выполнены в рамках государственных заданий ФИЦ ЮНЦ РАН № 122020100254-3, ФИЦ ЮНЦ РАН № 122020100326-7. Aberle, A.G., Fabrication and characterization of crystalline silicon thin-film materials for solar cells. Thin Solid Films, 2006, vol. 511–512, pp. 26–34. DOI: 10.1016/j.tsf.2005.12.070 Green, M.A., Polycrystalline silicon on glass for thin-film solar cell. Applied Physics A, 2009, vol. 96, no. 1, pp. 153–159. DOI: 10.1007/s00339-009-5090-9 Косяченко, Л.А., Грушко, Е.В., Микитюк, Т.И., Поглощательная способность полупроводников, используемых в производстве солнечных панелей. Физика и техника полупроводников, 2012, т. 46, вып. 4, с. 482–486. DOI: 10.1134/S1063782612040124 Колтун, М.М., Солнечные элементы. Москва, Наука, 1987. Андреев, В.М., Евстропов, В.В., Калиновский, В.С., Лантратов, В.М., Хвостиков, В.П., Токопрохождение и потенциальная эффективность (КПД) солнечных элементов на основе p-n-переходов из GaAs и GaSb. Физика и техника полупроводников, 2009, т. 43, № 5, с. 671–678. DOI: 10.1134/S1063782609050200 Seredin, P.V., Goloshchapov, D.L., Arsentyev, I.N., Nikolayev, D.N., Pikhtin, N.A., Slipchenko, S.O., Leiste, H., Prutskij, T. Structural-spectroscopic study of epitaxial GaAs layers grown on compliant substrates based on a superstructural layer and protoporous silicon. Applied Surface Science, 2021, vol. 537, pp. 147985. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.147985 Nikhil, J., Mantu, K.H., III–V multijunction solar cell integration with silicon: Present status, challenges and future outlook. Energy Harvesting and Systems, 2014, vol. 1, iss. 3–4, pp. 121–145. DOI: 10.1515/ehs-2014-0012 Alferov, Zh.I., Andreev, V.M., Rumyantsev, V.D., Solar photovoltaics: trends and prospects. Semiconductors, 2004, vol. 38, no. 8, pp. 899–908. DOI: 10.1134/1.1787110 Скачков, А.Ф., Оптимизация структуры трёхпереходного солнечного элемента GaInP/GaAs/Ge со встроенным брэгговским отражателем Al0,1Ga0,9As/Al0,8Ga0,2As. Автометрия, 2014, т. 50, № 4, с. 122–126. DOI: 10.3103/S8756699014040165 Лозовский, В.Н. Лунин, Л.С. Попов, В.П., Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. Москва, Металлургия, 1987. Губенко, А.Я., Известия АН СССР. Неорганические материалы, 1990. т. 26. № 2. с. 413–417. Донская А.В., Расчёт периода кристаллической решётки полупроводниковых твёрдых растворов А3В5. Пат. 2022614299 Российская Федерация. 2022. Донская, А.В., Расчёт ширины запрещённой зоны полупроводниковых твёрдых растворов А3В5. Пат. 2022613673 Российская Федерация. 2022. Lu, X., Hao, R., Diaz, M., Opila, R.L., Barnett, A., Improving GaP solar cell performance by passivating the surface using AlxGa1–xP epi–layer. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2013, vol. 1, no. 5, pp. 111–116. DOI: 10.1109/JEDS.2013.2266410