Для того чтобы максимально эффективно использовать весь до­вольно широкий спектральный диапазон солнечного излучения, он может быть разделен на спектральные «слои», по частоте наилучшим образом соответству­ющие характеристикам полупроводниковых фотодиодов. Так, для кремния, ширина запрещенной зоны которого равна 1.1 эВ, фотоэффект может быть с наибольшей эффективностью реализован лишь в достаточно узком диапазоне частот, начиная с 265 ТГц (инфракрасная область). Излучение в другом спек­тральном диапазоне должно быть ориентировано на другие фотодиоды или на его преобразоьание в тепло.

12.4.1. Каскадные фотоэлементы

Концептуально простейшая система со спектральным разделени­ем светового потока реализуется в схеме с использованием двух фотодиодов с различной шириной запрещенной зоны, накладываемых один на другого. Пусть диод №1 с шириной запрещенной зоны Wgl размещен сверху (т. е. на него па­дает все излучение). Тогда он будет абсорбировать фотоны с энергией выше WgX и окажется прозрачным для фотонов, энергия которых ниже этого порога. Если под диодом №1 будет находиться диод №2 с шириной запрещенной зоны Wg2, которая меньше, чем у диода №1, то он будет абсорбировать часть фотонов, прошедших сквозь первый диод. Такой фотоэлектрический элемент, называ­емый каскадным, по очевидным причинам может иметь большую эффектив­ность, чем однослойные устройства на основе любого из входящих в каскад фотодиодов.

Например, если диод №1 имеет ширину запрещенной зоны 1,8 эВ, а диод №2 — 1,1 эВ, идеальная эффективность их комбинации при условиях освещения солнечным излучением, соответствующих заатмосферным, оказывается равной 0,56, в то время как идеальная эффективность единичного лучшего из рассмот­ренных однослойного элемента равна 0,43.

Одной из проблем, которые возникают при создании каскадных фотоди­одов, является соединение слоев. Обычно неосвещенная сторона устройства металлизируется, образуя токосъемник. Металлический слой непрозрачен для солнечного излучения и поэтому не может служить промежуточным слоем в каскадной структуре.

Одним из решений является построение многослойного преобразователя из одного полупроводникового кристалла, но с изменяющейся от слоя к слою ши­риной запрещенной зоной. Это может быть осуществлено, например, в четырех­компонентном химическом соединении AlInGaAs путем ступенчатого изменения его стехиометрического состава, вызывающего изменение ширины запрещенной зоны при сохранении единой кристаллической структуры.

Известно, что красные светоизлучающие диоды делаются на основе GaAsP. а зеленые — из GaP. Поиск возможностей создания синих и более коротковол­новых светодиодов привел к созданию тонкопленочных элементов из нитрида галлия, большая ширина запрещенной зоны которого (3,4 эВ) позволяла по­лучать практически ультрафиолетовое излучение. При легировании нитрида галлия индиевой присадкой оказалось возможным контролировать изменение W так, что удалось создать композицию, обеспечивающую синее свечение. Хотя в пленках из нитрида галлия имеется большое количество дефектов, выяснилось, что чувствительность характеристик таких пленок к количеству дефектов весьма мала, во много раз слабее, чем для GaAsP и GaP, светодиоды на основе которых при аналогичной плотности дефектов становятся практи­чески неработоспособными.

Путем варьирования относительного содержания индия ширина запрещенной зоны может быть уменьшена с 3,4 эВ (чистый GaN) до 0,7 эВ (чистый InN). Та­кой огромный диапазон изменения ширины запрещенной зоны (5:1) покрывает большую часть солнечного спектра.

Это открывает возможность для создания двойных каскадных фотоэлементов с оптимальной комбинацией толщин запрещенных зон 1,7/1,1 эВ. Отметим, что в настоящее время лучшие каскадные элементы характеризуются соотношением 1,83/1,43 эВ и соответственно имеют меньшую эффективность, чем элементы с соотношением 1,7/1,1.

Различия в кристаллических решетках различных слоёв каскадных элементов и соответственно в их геометрии способствуют возникновению внутренних на­пряжений и соответствующих дефектов в материалах, которые в свою очередь ведут к снижению эффективности преобразования энергии, а в некоторых случа­ях даже к разрушению материала. Существенным достоинством слоев lnAGa|xN является слабая чувствительность энергетических характеристик к количеству внутренних дефектов, что позволяет применять их при наличии больших внут­ренних напряжений.

Для получения полупроводника и-типа In^Gaj _J(N может быть легирован кремнием, однако задача поиска легирующей присадки для превращения его в полупроводник p-типа пока в должной степени не решена.

В добавление к изложенному следует заметить, что последние исследования показывают, что композиция In^AI^N характеризуется возможностью варьи­рования ширины запрещенной зоны в еще более широком диапазоне (от 0,7 до 6,2 эВ), чем это возможно для системы InxGa, xN.