NO20093193A1 - Fremgangsmate for fremstilling av fotoelektriske solceller og en multifunksjonell solcelle - Google Patents
Fremgangsmate for fremstilling av fotoelektriske solceller og en multifunksjonell solcelle Download PDFInfo
- Publication number
- NO20093193A1 NO20093193A1 NO20093193A NO20093193A NO20093193A1 NO 20093193 A1 NO20093193 A1 NO 20093193A1 NO 20093193 A NO20093193 A NO 20093193A NO 20093193 A NO20093193 A NO 20093193A NO 20093193 A1 NO20093193 A1 NO 20093193A1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- solar cell
- accordance
- layers
- materials
- absorber
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 title description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 131
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 63
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 40
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 28
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 23
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 20
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 8
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 8
- 239000003570 air Substances 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 6
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 4
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 3
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 101
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 10
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017115 AlSb Inorganic materials 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/12—Active materials
- H10F77/124—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs
- H10F77/1248—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs having three or more elements, e.g. GaAlAs, InGaAs or InGaAsP
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
- H10F71/127—The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP
- H10F71/1272—The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP comprising at least three elements, e.g. GaAlAs or InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
- H10F71/127—The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP
- H10F71/1276—The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP comprising growth substrates not made of Group III-V materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
- H10F77/146—Superlattices; Multiple quantum well structures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Oppfinnelsen omhandler den foreliggende oppfinnelsen design, groing og prosessering av fotoelektriske solceller i flere lag av A1GalnAsSb materialer på et substrat. Oppfinnelsen omhandler også multifunksjonelle solceller sammensatt av minst tre lag av III-V materialer, hvor minst to lag av III-V materialene er dopet med Te, Se, B eller Si. Fortrinnsvis er ett lag av det pentære materialet AlGalnAsSb og substratet av Si. Videre beskrives et konsentratorsystem slik at solcellen mottar primærstråling (direkte stråling fra solen) eller sekundærstråling (stråling fra et objekt som er varmet opp).
Description
Fremgangsmåte for fremstilling av fotoelektriske solceller og en multifunksjonell solcelle
Oppfinnelsen omhandler fremstilling av fotoelektriske solceller i samsvar med innledningen til patentkrav 1. Spesielt omhandler den foreliggende oppfinnelsen design, groing og prosessering av fotoelektriske solceller i flere lag av AlGalnAsSb materialer på et substrat.
Den foreliggende oppfinnelsen omhandler videre en multifunksjonell solcelle i samsvar med innledningen til patentkrav 15. Spesielt omhandler oppfinnelsen fotoelektriske solceller sammensatt av minst tre lag av lll-V materialer, hvor minst to lag av lll-V materialene er dopet med Te, Se, B eller Si. Fortrinnsvis er ett lag av det pentære materialet AlGalnAsSb og substratet av Si. Fortrinnsvis benyttes solcellen i et konsentratorsystem i et oppsett der den enten mottar primærstråling (direkte stråling fra solen) eller sekundærstråling (stråling fra et objekt som er varmet opp).
Bakgrunn
I dag benyttes ulike halvledermaterialer som Silisium, Ge, GaAs og lignende lll-V materialer for solceller. For Silisium benytter man tykke lag med materialer da dette er en indirekte overgangshalvleder, mens for direkte båndgap halvledere er det i hovedsak tynne lag. Forutsetningen for at begge skal fungere som en solcelle er at de har et udopet eller lavdopet absorpsjonsområde (intrinsikt - i) som ligger i kontakt med to områder av negativt (n-type) og positivt (p-type) dopet halvledermaterialer. Denne overgangen gjør det mulig å produsere strøm.
For Silisium solceller har utviklingen fokusert på å produsere tykke (200-500 u.m) skiver til en lav pris der man i høy grad har forbedret egenskapene ved å redusere mørkestrøm og tap av strøm ved å optimalisere kontakter og overflater, samt øke renheten til materialet. Siden materialene har indirekte båndgap, vil lyset absorberes i en stor del av dette materialet slik at man ikke kan benytte tynne lag. Silisium er derfor begrenset til solceller med en enkel overgang.
For solceller basert på lll-V materialer har man større muligheter da disse materialene har direkte båndgap, absorberer lyset mye sterkere, og følgelig kan produsere strøm ved mindre tykkelser. For tykke lag av lll-V baserte materialer vil lyset absorberes innenfor noen få u.m av det øverste laget, slik at tykke substrater av lll-V materialer ikke gir noen fordel.
En p-i-n (eller p-n) overgang av slike tynne lll-V lag med et gitt båndgap, absorberer lys med energi lik eller høyere enn båndgapet. Hvis energien på lyset blir mye høyere, vil kun en liten del av lyset absorberes og generere strøm. Figur 1 viser skjematisk hvordan absorpsjonen for en enkel p-i-n overgang er; sterk nær båndgapet, transparent i båndgapet og sterkt fallende over båndgapet.
En mulig måte å øke absorpsjonen av sollys i lll-V solceller har vært å benytte flere p-i-n overganger. Figur 2 viser en trippelovergang solcelle struktur der ulike lag absorberer lys med ulik energi/ bølgelengde. Lys med høyest energi absorberes av overgang 20 som er et materiale med relativt høyt båndgap. Figur 3 viser dette som båndgap 1. Lys som har energi som er lavere enn båndgap 1, går igjennom denne overgangen og treffer overgang 21 som har et middels båndgap (Figur 2). Figur 3 viser dette som båndgap 2. Nederst i Figur 2 (nærmest et substrat 23) ligger overgang 22 med lavest båndgap (båndgap 3 i Figur 3). Totalt sett vil trippelovergangen ha høy absorpsjon av lys i et større energiområde (slik som vist i Figur 3) enn for enkle p-i-n overganger.
Figur 4 viser typisk innstrålt soleffekt; energien i lyset er for spredt til å ligge nær et enkelt materiale sitt båndgap. Dette gjør at lll-V materialer ikke gir høy effektivitet hvis man kun benytter en sammensetning/p-i-n overgang. For å bedre på dette har man valgt å benytte flere sammensetninger på lll-V materialer for å lage to eller flere p-i-n overganger.
Tradisjonelt har lll-V materialer som Ga As, GalnAs, AlGaAs, GalnSb, AlGaAsSb, GalnAsSb eller lignende blitt brukt til solceller. Disse har blitt deponert på substrater av GaAs, GaSb, InAs, InP og lignende binære substrater. Nylig har man også begynt å benytte substrater for å deponere lll-V materiale på Silisium, men på grunn av at Silisium og lll-V materialer har ulik krystallstruktur, gir dette en mengde defekter som gjør dem mindre egnet som solceller.
Solceller av materialer som GalnAs og GaSb er blitt testet med ulike varmekilder for å kunne generere strøm fra slike. Effektiviteten av slike enkeltovergang solceller har ikke vist kommersiell verdi, og er derfor ikke noe som er i bruk i markedet for solcelleanlegg. Bakgrunnen er at enhver varmekilde kan oppfattes som et sort strålende legeme, og det har derfor vært mer effektivt å benytte solen som denne kilden.
Formål
Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å kombinere substrater med relative lave kostnader (eksempelvis Silisium, Germanium, GaAs el lign.) med lll-V solcellenes høyere effektivitet.
Et formål med oppfinnelsen er å skape en fremgangsmåte for fremstilling av fotoelektriske solceller som løser de ovenfor nevnte problemene med kjent teknikk.
Et formål med oppfinnelsen er å skape en fremgangsmåte som omfatter å gro lag av monokrystallinsk lll-V materialer direkte på substratet.
Et formål med oppfinnelsen er å benytte substratet som en mekanisk bærer for lll-V materialene, termisk kontakt og/eller elektrisk kontakt, mens de ulike lll-V lagene effektivt genererer strøm.
Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å skape en multifunksjonell solcelle som kan utnytte både primærstråling (direkte stråling fra solen) eller sekundærstråling (stråling fra et objekt som er varmet opp) for å generere strøm.
Et formål med oppfinnelsen er å benytte sekundærstråling der strålingen kommer fra sollys om dagen og annen varmekilde om natten, slik at et stort kommersielt anlegg kan produsere strøm hele døgnet.
Et formål med oppfinnelsen er å øke effektiviteten på et varmebasert solcellestrålesystem ved å bedre ivareta den varmeeffekt som stråler ut av varmekilden, ved å reflektere stråling som ikke kan benyttes tilbake til varmekilden.
Et formål med oppfinnelsen er å redusere kostnaden på strømproduksjon ved å kombinere den høye effektiviteten til lll-V solceller, øke effektiviteten ved å bruke sekundærstråling, redusere kostnad ved å bruke rimelige substrater til solcellene, og redusere kostnaden ved å benytte store speil i et konsentratorsystem.
Oppfinnelsen
En fremgangsmåte for fremstilling av fotoelektriske solceller i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Fordelaktige trekk ved fremgangsmåten er angitt i patentkravene 2-14.
En multifunksjonell solcelle i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 15. Fordelaktige trekk ved solcellen er angitt i patentkravene 16-41.
Oppfinnelsen beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av fotoelektriske solceller som omfatter å deponere pentære lll-V materialer på et substrat med et lavt innhold av defekter slik at det kan benyttes to eller flere overganger (se trippel-overgang, Figur 5) med AlGalnAsSb materiale på en celle/substrat for å produsere strøm. I Figur 5 er vist en skisse av båndgaps-område for AlGalnAsSb avgrenset med de binære ytterpunktene, hvor direkte båndgaps-overganger med unntak av AlAs og AlSb er merket med<*>, mens indirekte overganger er merket med #. Den stiplede linjen krysser heltrukne linjer i ulike ternære materialer med gitterkonstant på a=5.95Å. ;Fordelen ved å bruke det pentære materialet AlGalnAsSb fremfor andre lll-V materialer er at ;man kan endre både båndgap og gitterkonstant i et stort område, samtidig som man kan beholde samme type materiale i flere overganger. Dette er ikke mulig med andre typer materialer og er en fordel i både fremstillingen av materiale og etterbehandlingen av dette. Spesielt er dette viktig for enheter med flere enn to overganger (eksempelvis fem eller syv overganger) der man må gro materialer med både høyt båndgap (dvs. AlAs-lignende) og lavt båndgap (dvs. InSb-lignende). ;For fremstilling av en fotoelektrisk solcelle i samsvar med oppfinnelsen anlegges en skive av monokrystallinsk Silisium, fortrinnsvis med (221) overflate i et vakuumdeponeringsanlegg der det varmes opp og utsettes for damper fra ulike ovner med Gallium, Aluminium, Indium, Arsen og Antimon, Fosfor og/eller Nitrogen. For ulike lag tilsettes også en mindre mengde (<10 at%) med Silisium, Beryllium, Selen eller Tellur som påvirker det resulterende materialet slik at det tilføres ladningsbærere for elektroner (n-type doping) eller hull (p-type doping). Resultatet av deponeringsprosessen er ulike lag med lll-V materialer der noen av disse består av det sammensatte materialet AlGalnAsSb slik som i eksempelet vist i Figur 6. ;Figur 6 viser at AlGalnAsSb materialene deponeres direkte på Silisium, men man benytter et supergitter bestående av to lll-V materialer som mellomlag. Materiale 1 har en gitterkonstant som er større enn materiale 2, slik at de to materialene danner vekselvise lag med innbyrdes spenning. Denne spenningen reduserer antallet defekter i det øverste laget. ;I Figur 4 er vist et eksempel der man startet med et lav innhold av Al og As i det nederste laget. Dette laget har derfor et lavt båndgap og absorberer lys med lengst bølgelengde. I det mellomste laget ligger materiale med lavt innhold av Al, men høyt innhold av As. Materialet har således høyere båndgap og absorberer lys med middels energi. Det siste laget har omtrent samme gitterkonstant som det mellomste (se Figur 2), men med høyt innhold av Al og As og absorberer lys med høyest energi. De tre ulike lagene absorberer således lys innenfor tre ulike energiområder selv om de består av det samme materialet. ;Fremstillingen av strukturen i eksempelet over er ikke triviell siden man har Silisium nederst, et lag med en ny gitterkonstant over dette og to lag med en tredje gitterkonstant over dette igjen. Groteknikken for å løse dette går ut på å gro materiale med en gitt brøk av de innbyrdes gitterkonstanter (eksempelvis 15/14 for materiale med 5.660Å og 6.064Å gitterparametere). Slik kan man få inkorporert et sett med defekter i overgangen mellom de ulike materialene som løser brøken. I praksis vil man kunne få noen defekter selv etter dette, men ved justering av groprosessen kan man få de fleste til å stoppe. Slike defekter som ikke stopper, vil kunne propagere under groingen av materialet. Resultatet er da at de fungerer som elektriske "kanaler" igjennom halvlederstrukturen ogødelegger materialets evne til å fungere som en god solcelle. For å begrense dette problemet kan man legge inn overganger der materialsammensetningen endres gradvis fra en sammensetning til en annen. ;For å forhindre at de resterende defektene propagerer igjennom strukturen benytter man seg av en digital groteknikk der man gror tynne lag av AlGalnAsSb og kvartære, tærnære og/eller binære lag. Disse lagene må være tynnere enn elektronets bølgefordelingsfunksjon i materialet, slik at elektronene opplever materialet som et gjennomsnittlig materiale. De mange tynne lag vil av defektene oppleves som barrierer og fungerer som et defektstoppgitter som avbøyer defektene og forhindrer at de propagerer igjennom strukturen. ;Etter at hele halvlederstrukturen er grodd, behandles materialet termisk for å utkrystallisere gjenværende defekter og eventuelt forbedre materialets ladningsbæreregenskaper. Dette bringer halvlederen mot termodynamisk likevekt slik at solcellen ikke endrer elektrisk karakter igjennom komponentens levetid. Prosessen forbedrer også ladningsbærerkonsentrasjonen og mobiliteten til ladningsbærere i materialet som vist for GaSb og GaAs i Figur 5. ;Solcellene beskrevet over kan både benyttes for synlig, i nærinfrarødt, infrarødt og mid-infrarødt lys. I kombinasjon med en konsentrator vil man kunne øke effektiviteten til solcellene, samtidig som arealet av solcellen kan reduseres til fordel for økt areal med speil. Det nye ved denne oppfinnelsen er at man i tillegg benytter en absorbator og et eller flere filtre for å generere sekundær infrarød varmestråling (evt. synlig lys hvis temperaturen er høy nok). Filtrene er fortrinnsvis multilags filtre som har lav refleksjon innenfor spektralområdet som solcellen har høyest reflektivitet. Utenfor dette spektralområdet har filteret høy reflektivitet, noe som gjør at varmestrålingen i dette området reflekteres tilbake til absorbatoren, og reabsorberes. Systemet ivaretar således strålingsenergi som solcellen ikke kan benytte seg av eller har lav konverteringseffektivitet for. ;Ytterligere fordeler og fordelaktige trekk ved den foreliggende oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen. ;Eksempel: ;Den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli detaljert beskrevet med henvisning til de ikke-begrensende vedlagte Figurene, hvor: Figur 1 viser en skjematisk fremstilling av absorpsjon av lys fra en enkel p-i-n eller p-n overgang, hvor absorpsjonslaget vil enten være i-laget (for p-i-n) eller et lavt-dopet lag (for p-n), ;Figur 2 viser et eksempel på trippel-overgang lll-V solcelle på et substrat, ;Figur 3 viser en skjematisk fremstilling av absorpsjon av lys fra en trippel p-i-n overgang, ;Figur 4 viser en typisk fordeling av solar innstrålt effekt, ;Figur 5 viser en skisse av båndgaps-område for AlGalnAsSb avgrenset med de binære ytterpunktene, hvor direkte båndgaps-overganger er merket med<*>og indirekte overganger er merket med #, Figur 6 viser et riss hvor AlGalnAsSb materialene deponeres direkte på Silisium, men man benytter et supergitter bestående av to lll-V materialer som mellomlag, Figur 7 viser et eksempel på et sett pentære lll-V materialer i trippel-overgang på Silisium, Figur 8 viser et riss som viser absorberende lag som består av to lag materialer 1 og 2 i en su pe rgitte rstru ktu r, Figur 9 viser en skjematisk skisse av kvantebrønn med to AlGalnAsSb halvledere av ulike båndgap 1 og 2, Figur 10 viser røntgenstråle-diffraksjon (XRD) fra den asymmetriske (226) toppen til lll-V solcelle grodd på (221) overflate av Silisium, Figur 11 viser en skjematisk fremstilling av absorpsjon for dobbel-overgang solceller av heterostruktur materiale eller kvantebrønner, Figur 12 viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en første utførelsesform av oppfinnelsen, Figur 13 viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en andre utførelsesform av oppfinnelsen, Figur 14 viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, Figur 15 viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en fjerde utførelsesform av oppfinnelsen,
Figur 16a-b viser alternativer for sekundærstrålingssolcellen i Fig. 15,
Figur 17 viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en femte utførelsesform av oppfinnelsen, Figur 18 viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en sjette utførelsesform av oppfinnelsen, Figur 19 viser en fotoluminesensmåling av solcellestruktur gitt i tabell 1, grodd på (221) overflate av monokrystallinsk Silisium, og Figur 20 viser en fotoluminesensmåling av solcellestruktur gitt i tabell 2, grodd på (221) overflate av monokrystallinsk Silisium.
Tabell 1 nedenfor viser en «enkel overgang» solcelle der strukturen er sammensatt av kun en p-n overgang. De ulike lagene er dog mer kompliserte enn solceller som er laget av flere homogene lag ettersom man gror «digitalt» ved å alternere to materialer (Materiale 1 og 2 i tabell 1). Gitterkonstanten under «Materiale 1» er nær GaAs, mens gitterkonstantene under «Materiale 2» velges mellom 50 at% og 95 at% As. Lag 1, 2, 3, 6, 7 og 8 har tynne supergitter-lag som gjør at elektronene «ser» materialene i disse lag som et homogene materialer. For lag 4 og 5 er lagene tykkere slik at man får en kvantebrønn struktur; brønnene er under «Materiale 2», mens barrierene er under «Materiale 1». Sammensetningen til lag 4 er avhengig av Indium mengden «3x».
Det nederste laget i dette eksempelet er sammensatt av materialene «GaAs» og «AlGalnAsSb», slik som skjematisk vist i Figur 6. Dette laget fungerer som heftlag mot Silisium-substratet, og de to materialene har en gitterkonstant som er meget forskjellig. Dette gir høy strekk i materialet, noe som hjelper til å stoppe defekter under MBE-groing av strukturen. Materiale 2 «AlGalnAsSb» i lag 1 har derfor lite As og/eller mye In for å gi en gitterkonstant som er mye større enn GaAs.
Lag nr 2. i eksempelet er et høyt Be-dopet lag av digitalt grodd «GaAs» og «GaAsSb» som brukes som kontaktlag mot p-kontakten som typisk er en metallkontakt av Ti/Pt/Au.
Lag nr. 3 i eksempelet er et Be-dopet lag av digitalt grodd «AlGaAs» og «AlGalnAsSb». Laget vil ha en gjennomsnittlig gitterkonstant som ligger midt imellom de to materialene, slik at absorpsjonslaget (lag 4) har et veldefinert bufferlag. Lag 2 fungerer også som et bufferlag, men siden materialene er forskjellige fra de som brukes i lag 3 og 4, er det alltid et avvik pga. unøyaktigheter i kalibrering. Dette unngår man ved at lag 3 har de samme materialene som lag 4.
Lag nr. 4 er et absorpsjonslag av lavt Be-dopete materialer med barrierer av «AlGaAs» og
brønner av «AlGalnAsSb». Laget er således ikke et digitalt grodd lag, men benytter kvanteeffekten for å oppnå høyere båndgap enn et tykt, homogent lag av kvantebrønnmaterialet. En brønn tillater at man velger en gitterkonstant som er større uten at absorpsjonsbølgelengden øker for mye (selv om båndgapet reduseres). Den stiplede linjen i Figur 5 viser gitterkonstanten for eksempelet. Økt gitterkonstant er viktig for å kunne komme lavere i båndgap (ved tilsetning av In), slik at man trinnløst kan endre absorpsjonsbølgelengden over et større område. Større spenn i
absorpsjonsbølgelengden betyr at mer av sollyset absorberes, og resultatet er en mer effektiv solcelle. Det er to metoder for å benytte dette: i. Båndgapet på brønnmaterialet og/eller bredden på brønnen kan endres igjennom absorpsjonslaget slik at solcellen absorberer flere bølgelengder. Dette blir da en enkel-overgang solcelle. ii. Båndgapet på brønnmaterialet og/eller bredden på brønnen kan endres i ulike absorpsjonslag med ulike p-n eller p-i-n overganger. Dette blir da en fler-overgang solcelle.
I eksempelet i tabell 1 benyttes metode i) slik at man har en enkelt-overgang solcelle.
Lag nr. 5 og 6 er Te-dopede digitalt grodde lag med «AlGaAs» og «AlGaAsSb». De fungerer som elektrontransportlag mot lag 7 som er et kontaktlag. Lag nr. 6 fungerer i tillegg som et vindu da det har høyere Al-innhold (50 at%) slik at lyset ikke absorberes av dette (AlGaAs og AlGaAsSb har indirekte båndgap for Al-innhold over ca. 35 at%).
n-kontakten vil fortrinnsvis bestå av Ti/Pt/Au og være tilknyttet lag 7.
Henviser nå til Figur 7 som viser et eksempel på et sett pentære lll-V materialer i trippel-overgang på Silisium. De ulike absorberende lag er her representert som homogene lag av ett materiale. Over og under hvert absorberende lag er det et n- og p-type dopet lag som bidrar til henholdsvis elektron- og hull-transport. Overgangene mellom n-type og p-type lag er et sjikt som har en høy dopekonsentrasjon av n-type og/eller p-type, og som dermed danner et ledende sjikt mellom de ulike absorpsjonslag.
Henviser nå til Figur 8 som viser et absorberende lag som består av to lag materialer 1 og 2 i en supergitterstruktur. Lagene 1 er tynnere og har mindre båndgap enn lagene 2, slik at lagene 1 danner kvantebrønner med lagene 2 som barrierer.
Henviser nå til Figur 9 som viser en skjematisk skisse av en kvantebrønn med to AlGalnAsSb halvledere av ulike båndgap 1 og 2. Materiale 1 har et båndgap som er mindre enn materiale 2, men på grunn av kvantebrønn-strukturen vil båndgapet ligge nærmere materiale 2 enn hva det ville gjort uten brønnstrukturen.
Henviser nå til Figur 10 som viser røntgenstråle-diffraksjon (XRD) fra den asymmetriske (226) toppen. Sidetoppene kommer fra kvantebrønnstrukturen, og gjenspeiler en gitterperiode på 9 nm (lag 4 og 5 i tabell 1).
Tabell 2 nedenfor viser en dobbel-overgang solcelle, der nederste overgang er lik den som er gitt i tabell 1.1 hovedsak er dette å betrakte som to solceller som ligger oppå hverandre, der man benytter høydopede lag (lag 7 og 8) som en junction-kontakt. Dette gjør at n-kontakten til nederste celle (lag 2-7) er koblet til p-kontakten til øverste celle (lag 8-13). Således kan strukturen i tabell 2 sees på som to solceller i serie.
Den øverste solcellen i tabell 2 (lag 8-13) har samme oppbygning som nederste celle, men har materialer med høyere båndgap (AlAs-barrierer og AlGalnAsSb-brønner). Spesielt har brønnene
>50 at% Al og >30 at% In, noe som gir et absorberende båndgap som er høyere enn for den nederste cellen. Dette gjør at man oppnår to ulike absorpsjonsbånd som konverterer sollys i ulike bølgelengder. Figur 11 viser dette for både solceller med heterostruktur overganger og solceller med kvantebrønner. Figur 11 viser at innfallende sollys 32 absorberes i brede bånd av heterostruktur-solceller 34a, mens kvantebrønn-solceller 34b kun absorberer energier nær kvantebrønn-overgang. Absorpsjonseffektiviteten til kvantebrønner er dog høyere enn for heterostrukturer.
For å oppnå bredere absorpsjonsbånd for kvantebrønn-solcellene 34a i eksempelet vil man benytte ulike brønnbredder og/eller ulike innhold av materialer i brønnene. En gradert overgang vil tillate høy absorpsjonseffektivitet og bredere absorpsjonsbånd for innkommet lys.
Henviser nå til Figur 12 som viser en første utførelsesform av en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med oppfinnelsen. En konsentrator 31 fokuserer sollyset 32 ned på et absorberende medium/absorbator 33 som varmes opp. Mediet utstråler infrarød/synlig stråling når det blir varmt. Den infrarøde strålingen treffer et sett med solceller 34 som helt/delvis omslutter absorbatoren 33 og konverterer dette til strøm. Fordelen med et slikt design er at man kan lage systemer med sekundærstråling som ligger nærmere opp mot det en solcelle optimalt vil konvertere. Konsentratoren 31 kan enten være parabolsk i en retning eller to retninger.
Henviser nå til Figur 13 som viser en andre utførelsesform av en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med oppfinnelsen. En fresnel eller vanlig optisk linse 35 fokuserer sollyset 32 ned på et absorberende medium/absorbator 33 som varmes opp. Mediet/absorbatoren 33 utstråler infrarød/synlig stråling når det blir varmt. Den infrarøde strålingen treffer et sett med solceller 34 som omslutter absorbatoren 33 og konverterer dette til strøm.
Henviser nå til Figur 14 som viser en tredje utførelsesform av en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med oppfinnelsen. Sollyset 32 fokuseres inn i ei kule 36 som absorberer dette. En smal åpning 37 i denne kulen 36 gjør at lite av det innkommende lyset slipper ut og at mengden absorbert sollys derfor er høy. Varmen fra kulen 36 treffer solcellene 34 rundt 38. Kulen 36 kan også være en sylinder eller annet omsluttende kammer med åpning til innkommende stråling.
Henviser nå til Figur 15 som viser en fjerde utførelsesform av en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med oppfinnelsen. Absorbatoren 33 stråler ut sekundærstråling 39 som et sort legeme eller som en emitter, og som treffer et filter 40. Dette filteret 40 er belagt med antirefleksjon-/refleksjons-belegg som kun slipper igjennom lys/infrarød stråling innenfor et smalt spektralt område. Dette lyset treffer solcellene 34 som konverterer lyset/infrarøde strålingen til strøm. Mye av lyset som ikke slipper igjennom filteret 40 vil reflekteres tilbake til absorbatoren 33 og bidra til oppvarmingen av denne. Sekundærstrålingscellen vil på denne måten konservere mer av energien og bli mer effektiv. Som alternativ kan filteret 40 være et belegg på solcellene 34.
Henviser nå til Figurene 16a-b som viser alternative utførelsesformer for sekundærstrålingssolcellen i Fig. 15. Istedenfor en rund eller sfærisk utforming, kan sekundærstrålingscellen
segmenteres i ulike geometriske deler som omslutter hverandre. Man får da enten solceller 34 og filtre 40 som omslutter absorbatoren 33 som en kuleaktig gjenstand, eller med en utstrekning som en sylinder. Ulike sidekantede geometriske former kan kombineres for å få en mest mulig effektiv sekundærstrålingscelle.
Henviser nå til Figur 17 som viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en femte utførelsesform i samsvar med oppfinnelsen. Lyset fokuseres inn mellom to plater 41 som fungerer som absorbator. Sekundærstrålingen fra de varme platene 41 treffer filteret 40 før et smalt bånd av denne strålingen treffer solcellene 34.
En konsentrator 31 fokuserer sollyset inn mot et absorberende medie (absorbator) 33, 37,41 som gitt i Figurene 11-17. Det absorberende mediet 33, 37,41 er fortrinnsvis laget av Silisiumcarbid, Tantal, Molybden eller Wolfram. Energien som mediet mottar kan være opp mot 1 sol pr. kvadratmeter konsentratorareal, og mesteparten av dette vil nå absorbatoren 33, 37,41. For å ha høyest mulig absorpsjon er en geometri med liten inngangsapertur (som i Figur 14,15,16 og 17) fordelaktig når overflaten som absorberer er lite reflektiv.
Et system kan oppnå en absorbatortemperatur på 1500 K. Hvis man antar at absorbatoren 33, 37, 41 stråler som et sort legeme, men med en emissivitet på 0,7 vil denne ha en emittans på 200 kW/m<2>og radians på 64 kW/m<2->sr for alle bølgelengder. Temperaturen gir en maks utstråling ved 1,93 u.m bølgelengde med en maks spektral radians på ca. 21,7 kW/m<2->sr-u.m.
Et system med løsning som gitt i Figur 17 og med en absorbatorplatestørrelse 41 på 100 cm<2>vil således avgi ca. 1000 Watt per side (totalt). Med et båndpassfilter som slipper igjennom 0,5 u.m nær 1,93 u.m, vil ca. 1/6 del av strålingen nå solcellen, dvs. ca. 166 Watt. Ved bruk av en fresnel linse, elliptisk speil eller lignende optisk oppsett, vil man kunne konsentrere dette ned på en 1 cm<2>stor solcelle.
Ved bruk av en kommersiell GaSb basert solcelle fra JX Crystals Inc. vil effektiviteten være 75-80 % fra 1,2 nm til 1,7 u.m. Ved 1500 K vil effekten som slipper igjennom et filter fra 1,2 u.m til 1,7 u.m være ca. 12 kW/m<2>pr. side dvs. ca. 120 Watt for en 10 cm-x 10 cm stor plate. Konsentrert ned til 1 cm2 kan man anta at noe effekt går tapt i linse/optisk komponent, slik at 70-75 % av denne effekten går over til strøm.
Henviser nå til Figur 18 som viser en slik mulig løsning ved bruk av et krumt speil og viser en sekundærstrålingssolcelle i samsvar med en sjette utførelsesform i samsvar med oppfinnelsen. Sekundærstrålingen fra de varme platene 41 treffer filteret 40 før et smalt bånd av denne strålingen treffer konsentratoren 31 og fokuseres ned på solcellen(e) 34. Sekundærstrålingen fra øvre absorpsjonsplate er ikke tatt med for å forenkle tegningen. Det reflekterende filteret 40 vil likeledes gi noe tap i form av absorpsjon, så man kan anta at dette vil gi en løsning med maksimalt 60-70 % utnyttelse av energien i innkommende lys i dette eksempelet. Dette er mye bedre enn dagens solcelleløsninger, og kan også optimaliseres med hensyn på emitter, filter og solcelle.
Henviser nå til Figur 19 som viser fotoluminescens-måling av en solcellestruktur som i tabell 1 ved bruk av en 532 nm pumpelaser. Tre brede topper på~750 nm,~880 nm og~980 nm stammer fra dopede lag av henholdsvis AI0.50Ga0.65(ln)AsSb:Te (n dopet), AI0.35Ga0.65(ln)AsSb:Be (p+ dopet) og GaAsSb (n+ dopet). Tynn emisjonslinje ved~800 nm er mest sannsynlig fra Alo.35Gao.65(ln)AsSb kvantebrønnene, mens emisjonslinjen ved~695 nm er fra Alo.5oGa0.5o(ln)AsSb supergitteret i lag nr.6.
Henviser nå til Figur 20 som viser fotoluminescens-måling av en solcellestruktur som i tabell 2 ved bruk av en 532 nm pumpelaser. Den brede topp på~980 nm stammer fra dopet lag av GaAsSb (n+ dopet). Strukturen i tabell 1 ligger underst i denne strukturen, og det er derfor sannsynlig at toppene i Figur 19 ikke fremkommer pga. at pumpelaseren absorberes før den kommer ned til disse lagene. Den tynne toppen ved~695 nm sees også i denne Figuren, noe som støtter at denne kommer fra Al0 50Ga0.50(ln)AsSb supergitteret i lag nr.6. Toppen ved~800 nm er også tilstede, men svakere enn i Figur 19.
Figur 19 og 20 viser dermed at man ved teknikken omtalt heri kan gro de aktuelle lll-V strukturene på Silisium (221) substrat, og med optisk kvalitet som er god nok til å benytte dem til solceller.
Modifikasjoner
Absorbator og filtre kan konstrueres slik at absorbatoren har en temperatur opp mot 4000-6000 K, og at solcellen kan erstattes med vanlige solceller i markedet (Si, CdTe, Ge, GaAs, osv.).
Absorbator, filter, solcelle og andre optiske komponenter kan plasseres i et vakuum for å beskytte disse mot degradering fra luft, regn, salter, sand eller lignende.
Systemet kan utstyres med ytterligere optiske komponenter for å øke eller redusere mengden stråling fra sollys konsentrator og/eller mengden sekundærstråling fra absorbator.
Nye lag kan settes inn i solcellestrukturen for å forbedre effektiviteten ved infrarøde (1-3 u.m), nær infrarøde (700 nm-1 u.m) og/eller synlige (350-700 nm) bølgelengder.
Lag i solcellestrukturen kan være av andre materialer enn lll-V for å isolere eller passivere lll-V materialene eller overflatene til disse.
Si02, polymer, Ti02, Al203, Si3N4eller lignende materialer kan omslutte eller dekke solcellestrukturen for å passivere og/eller beskytte denne.
Solcellen kan være i kontakt med et aktivt eller passivt termisk kjøleelement for å redusere temperaturen på solcellen, forhindre oppvarming av denne eller kontrollere temperaturen på solcellen.
Absorbatoren kan være en gass, anordnet i en egnet beholder, eller et medium som holder en høyere temperatur enn hva faste materialer klarer, for enten å øke absorpsjonen og/eller redusere bølgelengden på sekundærstrålingen.
En ekstern varmekilde kan kobles til absorbatoren for enten å kontrollere temperaturen på denne eller varme opp denne når sollys ikke er tilgjengelig.
Absorbatoren kan varmes opp av en forbrenningsprosess mellom naturgass og luft/oksygen, drivstoff og luft/oksygen, hydrogen og luft/oksygen eller annen kjemisk reaksjon som utvikler varme.
Absorbatoren kan varmes opp fra flytende salter, metaller eller lignende materialer som transporterer varme fra en ekstern varmekilde som geotermisk varme, varmepumpe, forbrenningsanlegg eller radioaktiv kilde.
Et optisk belegg kan benyttes på konsentrator, filtre, solcelle eller absorbator for å endre på refleksjon eller transmisjon, evt. benyttes til å styre denne egenskapen.
Claims (41)
1. Fremgangsmåte for fremstilling av fotoelektriske solceller med hjelp av et vakuumdeponeringsanlegg,karakterisert vedat den omfatter: 1. Anbringelse av et tynt substrat i monokrystallinsk Silisium, Germanium, GaAs, GaSb eller lignende i vakuumdeponeringsanlegget, ii. Varme opp substratet og utsette det for damp fra ulike ovner med materialer fra gruppe III og V i periodesystemet, iii. Gro lll-V monokrystallinske halvlederlag på substratet, og iv. Danne minst ett lag av intrinsikt, p-type eller n-type materiale, som er sammensatt av minst to ulike lag med lll-V materialer i en alternerende superstruktur.
2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat den omfatter å tilsette Silisium, Beryllium, Selen eller Tellur i mengde(r) som er mindre enn 10 at% av det grodde materialet.
3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat man anvender en (221) overflate av monokrystallinsk Silisium for groing.
4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkravene 1-2,karakterisert vedat den omfatter å utsette substratet for damper fra Gallium, Aluminium, Indium, Arsen, Antimon, Fosfor og/eller Nitrogen.
5. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1-4,karakterisert vedat den omfatter dannelse av minst tre lag av lll-V materialer over substratet og hvor minst ett lag er av det sammensatte AlGalnAsSb pentære materialet
6. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 5,karakterisert vedat den omfatter dannelse av minst tre lag av det pentære materialet AlGalnAsSb over substratet.
7. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1-6,karakterisert vedat den omfatter å dope/tilsette minst to lag av lll-V materialene med Silisium, Beryllium, Selen eller Tellur for å danne n-type og p-type kontaktlag.
8. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1-7,karakterisert vedden omfatter innføring av metallkontakter av Pd, Sb, Ti, Pt, Au, Al, Cu og/eller Ag i kontakt med kontaktlagene på substratet.
9. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1-8,karakterisert vedden omfatter å benytte et lag av Silisium nederst, et lag av lll-V materiale med en ny gitterkonstant over dette og flere lag av to lll-V materialer med en tredje og fjerde gitterkonstant over dette igjen.
10. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedden omfatter å gro lll-V materialer med en gitt brøk av deres innbyrdes gitterkonstanter for å inkorporere et sett med defekter i overgangen mellom de ulike materialene som løser brøken.
11. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1-10,karakterisert vedden omfatter å legge inn overganger der materialsammensetningen endres gradvis fra en sammensetning til en annen.
12. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1-11,karakterisert vedden omfatter å gro tynne lag av AlGalnAsSb, kvartære, tærnære og/eller binære lag som fungerer som et defektstoppgitter som avbøyer defektene og forhindrer at de propagerer igjennom strukturen.
13. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 12,karakterisert vedat den omfatter å gro lag som er tynnere enn elektronets bølgefordelingsfunksjon i materialet, slik at elektronene opplever materialet som et gjennomsnittlig materiale.
14. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1-13,karakterisert vedat den omfatter å behandle materialet termisk for å utkrystallisere gjenværende defekter og eventuelt forbedre materialets ladningsbæreregenskaper etter at hele strukturen er grodd.
15. Multifunksjonell solcelle, hvilken omfatter en eller flere fotoelektriske solceller (34) hvilke er dannet av et substrat, på hvilket substrat er deponert lag av lll-V materialer,karakterisert vedat: - de(n) fotoelektriske solcellen(e) (34) er dannet av minst tre lag av lll-V materialer, hvor minst to lag av lll-V materiale er dopet med Te, Se, B eller Si,
samt at den omfatter: - et/en eller flere absorberende medium/absorbatorer (33, 36,41), og - minst ett konsentratorsystem (31) innrettet for å motta enten primærstråling/solstråling (32) eller sekundærstråling (39) for å generering av elektrisk effekt.
16. Multifunksjonell solcelle i samsvar med patentkrav 15,karakterisert vedat den omfatter et eller flere optiske filter(e) (40) innrettet for å fange opp sekundærstråling (39) som reflekterer og/eller transmitterer utvalgte bølgelengder til henholdsvis absorberende medium/absorbator (33, 36, 41) og fotoelektrisk solcelle (34), eller omvendt.
17. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-16,karakterisert vedat solcellen(e) (34) og/eller absorbatoren(e) (33, 36,41) er forsynt med et eller flere optiske antirefleksjons-/refleksjons-belegg for å fange opp sekundærstråling som reflekterer og transmitterer utvalgte bølgelengder henholdsvis tilbake mot absorbator (33, 36,41) og/eller mot/inn i solcellen(e) (34).
18. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-17,karakterisert vedat den fotoelektriske solcellens (34) substrat er av monokrystallinsk Silisium, Germanium, GaAs eller lignende.
19. Multifunksjonell solcelle i samsvar med patentkrav 15,karakterisert vedat substratet er en overflate (221) av monokrystallinsk Silisium.
20. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-19,karakterisert vedat den fotoelektriske solcellens (34) lag av det pentære materialet AlGalnAsSb er dannet ved at substratet er blitt utsatt for damp fra Gallium, Aluminium, Indium, Arsen, Antimon, Fosfor og/eller Nitrogen i et vakuumanlegg.
21. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-20,karakterisert vedat den omfatter metall kontakte r av Pd, Sb, Ti, Pt, Au, Al, Cu og/eller Ag i kontakt med kontaktlagene på substratet.
22. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-21,karakterisert vedat den fotoelektriske solcellen (34) omfatter et lag av lll-V materiale med en ny gitterkonstant anordnet over substratet og to lag av lll-V materiale med en tredje gitterkonstant over dette igjen.
23. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-22,karakterisert vedat lll-V materialene er grodd med en gitt brøk av deres innbyrdes gitterkonstanter for å inkorporere et sett med defekter i overgangen mellom de ulike materialene som løser brøken.
24. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-23,karakterisert vedat den fotoelektriske solcellen (34) omfatter overganger anordnet der materialsammensetningen endres gradvis fra en sammensetning til en annen.
25. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-24,karakterisert vedden fotoelektriske solcellen (34) omfatter tynne lag av AlGalnAsSb og kvartære, tærnære og/eller binære lag som fungerer som et defektstoppgitter som avbøyer defektene og forhindrer at de propagerer igjennom strukturen.
26. Multifunksjonell solcelle i samsvar med patentkrav 25,karakterisert vedat lagene av AlGalnAsSb og kvartære, tærnære og/eller binære lag er grodd tynnere enn elektronets bølgefordelingsfunksjon i materialet, slik at elektronene opplever materialet som et gjennomsnittlig materiale.
27. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-26,karakterisert vedat den fotoelektriske solcellen (34) er behandlet termisk for utkrystallisering av gjenværende defekter og eventuell forbedring av materialets ladningsbæreregenskaper etter at hele strukturen er grodd.
28. Multifunksjonell solcelle i samsvar med patentkravene 15-17,karakterisert vedat den/det absorberende mediumet/absorbatoren (33, 36) har en rund eller sfærisk utforming, så som en kule, sylinder eller annet omsluttende kammer, og er forsynt med en smal åpning (37) for innkommende solstråling (32).
29. Multifunksjonell solcelle i samsvar med patentkravene 15-17,karakterisert vedat den/det absorberende mediumet/absorbatoren (41) er plater.
30. Multifunksjonell solcelle i samsvar et av patentkravene 15-28,karakterisert vedat mediumet/absorbatoren (33) er segmentert i ulike geometriske deler som omslutter hverandre, slik at det er dannet solceller (34) og filtre (40) som omslutter absorbatoren (33) som en sfærisk gjenstand, eller med en utstrekning som en sylinder.
31. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-30,karakterisert vedat det absorberende mediet/absorbatoren (33, 37,41) er laget av og/eller belagt med Silisiumcarbid, Tantal, Molybden eller Wolfram.
32. Multifunksjonell solcelle i samsvar med patentkravene 15-17,karakterisert vedat konsentratorsystemet (31) omfatter en eller flere frensel-linse(r) (35), optisk linse(r), elliptisk(e) speil eller lignende optisk(e) oppsett.
33. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-32,karakterisert vedat absorbator (33, 36, 41), filter (40), fotoelektrisk(e) solcelle(r) (34) og andre optiske komponenter (35) er anordnet i et vakuum for beskyttelse mot miljøpåvirkning, så som degradering fra luft, regn, salter, sand eller lignende.
34. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-33,karakterisert vedat lag i den fotelektriske solcellestrukturen omfatter andre materialer enn lll-V for isolering eller passivering av lll-V materialene eller overflatene til disse.
35. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-34,karakterisert vedat den fotoelektriske solcellestrukturen er omsluttet eller dekket av Si02, polymer, Ti02, Al203, Si3N4eller lignende materialer for å passivering og/eller beskyttelse denne.
36. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-35,karakterisert vedat solcellen er anordnet i kontakt med et aktivt eller passivt termisk kjøleelement for reduksjon av temperaturen på solcellen, forhindre oppvarming av denne eller kontrollere temperaturen på solcellen.
37. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-36,karakterisert vedat absorbatoren er en gass, anordnet i en egnet beholder, eller et medium som holder en høyere temperatur enn hva faste materialer klarer, for enten å øke absorpsjonen og/eller redusere bølgelengden på sekundærstrålingen (39).
38. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-37,karakterisert vedat en ekstern varmekilde er koblet til absorbatoren (33) for enten å kontrollere temperaturen på denne eller varme opp denne når solstråling (32) ikke er tilgjengelig.
39. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-38,karakterisert vedat absorbatoren (33) er varmet opp av en forbrenningsprosess mellom naturgass og luft/oksygen, drivstoff og luft/oksygen, hydrogen og luft/oksygen eller annen kjemisk reaksjon som utvikler varme.
40. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-39,karakterisert vedat absorbatoren er varmet opp av flytende salter, metaller eller lignende materialer som transporterer varme fra en ekstern varmekilde, så som geotermisk varme, varmepumpe, forbrenningsanlegg eller radioaktiv kilde.
41. Multifunksjonell solcelle i samsvar med et av patentkravene 15-40,karakterisert vedat konsentrator (31), filtre (40), fotoelektrisk solcelle (34) eller absorbator (33) er forsynt med et optisk belegg for endring av refleksjon eller transmisjon, evt. benyttet til å styre denne egenskapen.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20093193A NO20093193A1 (no) | 2009-10-22 | 2009-10-22 | Fremgangsmate for fremstilling av fotoelektriske solceller og en multifunksjonell solcelle |
| PCT/NO2010/000371 WO2011062500A1 (en) | 2009-10-22 | 2010-10-22 | Method for manufacturing photovoltaic solar cell and a multifunctional photovoltaic solar cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20093193A NO20093193A1 (no) | 2009-10-22 | 2009-10-22 | Fremgangsmate for fremstilling av fotoelektriske solceller og en multifunksjonell solcelle |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20093193A1 true NO20093193A1 (no) | 2011-04-26 |
Family
ID=44059808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20093193A NO20093193A1 (no) | 2009-10-22 | 2009-10-22 | Fremgangsmate for fremstilling av fotoelektriske solceller og en multifunksjonell solcelle |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO20093193A1 (no) |
| WO (1) | WO2011062500A1 (no) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014027119A (ja) * | 2012-07-27 | 2014-02-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 太陽電池 |
| EP3238229A1 (en) * | 2014-12-23 | 2017-11-01 | Integrated Solar | A method of epitaxial growth of a material interface between group iii-v materials and silicon wafers providing counterbalancing of residual strains |
| NO20230297A1 (en) * | 2022-03-22 | 2023-09-25 | Integrated Solar As | A method of manufacturing group III-V based semiconductor materials comprising strain relaxed buffers providing possibility for lattice constant adjustment when growing on (111)Si substrates |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4002031A (en) * | 1975-07-07 | 1977-01-11 | Varian Associates, Inc. | Solar energy converter with waste heat engine |
| US4234352A (en) * | 1978-07-26 | 1980-11-18 | Electric Power Research Institute, Inc. | Thermophotovoltaic converter and cell for use therein |
| US4451691A (en) * | 1982-02-26 | 1984-05-29 | Chevron Research Company | Three-terminal ternary III-V multicolor solar cells and process of fabrication |
| JPS6191098A (ja) * | 1984-10-09 | 1986-05-09 | Daido Steel Co Ltd | シリコン基板上における砒素化ガリウム成長結晶体とその結晶成長方法 |
| US5932029A (en) * | 1997-02-21 | 1999-08-03 | Mcdonnell Douglas Corporation | Solar thermophotovoltaic power conversion method and apparatus |
| US6689949B2 (en) * | 2002-05-17 | 2004-02-10 | United Innovations, Inc. | Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies |
| US20070160100A1 (en) * | 2006-01-11 | 2007-07-12 | Huffaker Diana L | Misfit dislocation forming interfacial self-assembly for growth of highly-mismatched III-Sb alloys |
| EP2243166A1 (en) * | 2007-12-31 | 2010-10-27 | Rafael Nathan Kleiman | High efficiency silicon-based solar cells |
| EP2240966A2 (en) * | 2008-01-16 | 2010-10-20 | Technion Research & Development Foundation Ltd. | Spectrum manipulation device and method |
-
2009
- 2009-10-22 NO NO20093193A patent/NO20093193A1/no not_active Application Discontinuation
-
2010
- 2010-10-22 WO PCT/NO2010/000371 patent/WO2011062500A1/en not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2011062500A1 (en) | 2011-05-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Righini et al. | Solar cells' evolution and perspectives: a short review | |
| Razykov et al. | Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects | |
| US7199303B2 (en) | Optical energy conversion apparatus | |
| US8962376B2 (en) | Optoelectronic device with lateral pin or pin junction | |
| JP5283378B2 (ja) | 薄膜太陽電池および製造方法 | |
| US5626687A (en) | Thermophotovoltaic in-situ mirror cell | |
| US9450116B2 (en) | Thin film solar cell and manufacturing method therefor | |
| AU2022338576B2 (en) | Laminated solar cell and photovoltaic assembly | |
| NO822922L (no) | Fremgangsmaate og apparat for fremstilling av en lyselektrisk omformer, samt saaledes fremstilt omformer | |
| JPWO2001069690A1 (ja) | 光エネルギー変換装置 | |
| KR20100029676A (ko) | 태양전지의 반사방지막, 태양전지, 태양전지의 제조방법 | |
| US8852991B2 (en) | Methods of manufacturing solar cell | |
| WO2011119727A1 (en) | Antireflection coating for multi-junction solar cells | |
| Tervo et al. | Semiconductor-dielectric-metal solar absorbers with high spectral selectivity | |
| US20100043872A1 (en) | Photovoltaic Device With an Up-Converting Quantum Dot Layer and Absorber | |
| Santos et al. | Next‐Generation Solar‐Powering: Photonic Strategies for Earth and Space Systems | |
| US20160172514A1 (en) | Photovoltaic Microstructure and Photovoltaic Device Employing Nanowires with Single-Side Conductive Strips | |
| NO20093193A1 (no) | Fremgangsmate for fremstilling av fotoelektriske solceller og en multifunksjonell solcelle | |
| KR101190197B1 (ko) | 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법 | |
| US9614108B1 (en) | Optically-thin chalcogenide solar cells | |
| TWI381141B (zh) | 太陽能系統 | |
| KR20120060185A (ko) | 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법 | |
| KR20110003802A (ko) | 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법 | |
| CA2719962A1 (en) | Stationary solar spectrum-splitting system and method for stimulating a broad-band photovoltaic cell array | |
| JP2024543515A (ja) | タンデム光起電力デバイスのためのインターフェース調製 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FC2A | Withdrawal, rejection or dismissal of laid open patent application |