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 759 Научная статья Original article Физика Physics О проблемах создания четырехкаскадных солнечных элементов с согласованной кристаллической решеткой About the problems of creating four-junction solar cells with a matched crystal lattice Богатов Н.М. Богатов Николай Маркович Bogatov Nikolay M. bogatov@phys.kubsu.ru

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

 Нестеренко И.И. Нестеренко Игорь Игоревич Nesterenko Igor I. nesterenkoi@saturn-kuban.ru

аспирант кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

 Скачков А.Ф. Скачков Александр Фёдорович Skachkov Aleksandr F. skachkov@saturn-kuban.ru

аспирант кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

 Кубанский государственный университет, КраснодарKuban State University, Krasnodar 25 12 2017 4 74 80 16 09 2017 02 11 2017 25 12 2017 Copyright (c) 2017 Богатов Н.М., Нестеренко И.И., Скачков А.Ф. 2017 Богатов Н.М., Нестеренко И.И., Скачков А.Ф. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

The structure of a four-junction solar cell based on A3B5 compounds with a matched crystal lattice is developed. The processes for obtaining the required composition of the epitaxial layers of the emitter and the base of the fourth junctuon, which are consistent with the Ge, lattice parameter of the crystal lattice, are achieved, the necessary level of doping of the layers is achieved. The layers of the back side field and the tunnel diode are obtained between the third and fourth stages. All the waste layers are embedded in the basic epitaxial structure of a three-stage solar cell (SC). The light volt-ampere characteristics obtained for a four-stage solar cell were measured. The analysis of the obtained results is carried out, the potential advantages of a four-stage solar cell in front of a three-stage solar cell in terms of energy conversion efficiency and an increase in the lifetime of solar cells made of four-stage solar cells in outer space are considered.

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.

 полупроводники солнечный элемент четырехкаскадная структура эпитаксия гетеропереход туннельный диод вольт-амперная характеристика semiconductors solar cell four-stage structure epitaxy heterojunction tunnel diode current-voltage characteristic 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. . Fizika i tehnologii poluprovodnikov , 2004, vol. 32, iss. 8, pp. 937-946. (In Russian)] 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. . Zhurnal tekhnicheskoy fiziki , 2013, vol. 83, no. 7, pp. 106-110. (In Russian)] 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. 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. 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. . Nauka Yuga Rossii , 2010, vol. 6, no. 4, pp. 46-49. (In Russian)] 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. 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. 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. 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. 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. . Fizika i tehnika poluprovodnikov , 2012, vol. 46. iss. 9, pp. 1217-1223. (In Russian)] 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. 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. . Vestnik Severo-Kavkazskogo federalnogo universiteta , 2016, vol. 55, no. 4, pp. 7-12. (In Russian)] 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. 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. 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. . Nauka Yuga Rossii , 2011, vol. 7, no. 4, pp. 25-30. (In Russian)] 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. . Nauka Yuga Rossii , 2013, vol. 9, no. 4, pp. 18-25. (In Russian)] 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. . Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta , 2015, no. 7, pp. 60-63. In Russian)] Богатов Н.М. Распределение заряда в резком несимметричном равновесном n-p-переходе // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2016. № 3. С. 12-17. . Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva , 2016, no. 3, pp. 12-17. (In Russian)] 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. . Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva , 2006, no. 4, pp. 63-67. (In Russian)] 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. . Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva . 2008. № 2. P. 57-61.] 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. 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. 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. 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. Чеботарев С.Н., Лунина М.Л., Алфимова Д.Л. Наноструктуры AIVBIV и AIIIBIII для устройств оптоэлектроники. Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2014. 275 с. , Rostov-on-Don, UNCh RAN, 2014, 275 p. (In Russian)] 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. 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. 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. 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. 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. Илюшин В.А., Величко А.А. Процессы нанотехнологии. Новосибирск: НГТУ, 2004. 106 с. . Novosibirsk, NSTU, 2004, 106 p. (In Russian)] 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.