ГЕТЕРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ Российский патент 2008 года по МПК H01L31/04 

Известен фотоэлемент [1], включающий металлическую пластину с нанесенным на эту пластину фоточувствительным слоем, содержащим слой полупроводника n-типа и слой поли-Т-эпоксипропилкарбазола, допированного SbCl₅, и полупрозрачную пленку золота. Недостатком указанного фотоэлемента является низкий кпд, достигающий в максимуме лишь 3,2%.

Известен также фотоэлемент [2], который выбран в качестве прототипа данного изобретения. Указанный фотоэлемент состоит из металлической пластины, на которой расположены слои полупроводника р- и n-типа с p - n-переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером, много меньшим длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10^-2 объемных долей, и прозрачного электропроводящего слоя.

Недостатком указанного фотоэлемента также является недостаточно высокий кпд преобразования энергии электромагнитного светового излучения в электрическую энергию в заданном спектральном диапазоне, который не превышает 10%, и низкий фотоЭДС, не превышающий 0,7 В.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и повышение кпд и фотоЭДС.

Поставленная цель достигается тем, что в известном фотоэлементе, преобразующем в электрическую энергию электромагнитное излучение, содержащем расположенные на металлической пластине слои полупроводника р- и n-типа с p - n-переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером, много меньшим длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10^-2 объемных долей, в указанный слой полупроводника n-типа указанные наночастицы введены заключенными в оболочку, имеющую форму, подобную форме поверхности указанных наночастиц, выполненную из полимера, например ПВП (поли 2-винилпиридина), толщиной порядка характерного размера указанных наночастиц, а также за счет того, что указанные наночастицы, заключенные в указанную оболочку, расположены в указанном слое упорядоченно, например в виде кубической решетки, и одинаково ориентированы относительно поверхности указанного слоя полупроводника n-типа.

На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого фотоэлемента, где

1 - металлическая пластина,

2 - слой полупроводника p-типа,

3 - слой полупроводника n-типа,

4 - область р - n-перехода,

5 - металлические наночастицы, заключенные в полимерную оболочку, закрепленные слоем прозрачного полимера,

6 - электрические контакты,

7 - падающее излучение,

8 - каскад фотоэлемента (р-n)-переход,

9 - каскад фотоэлемента (n-n⁺)-переход.

На фиг.2 для предлагаемого гетероэлектрического фотоэлемента изображена зависимость поглощения р падающего электромагнитного излучения от его длины λ волны.

Предлагаемый гетероэлектрический фотоэлемент (фиг.1) работает следующим образом.

Металлические, например золотые, наночастицы имеют плазменный резонанс в области длин волн около 550 нм. При заключении в ПВП полимерную оболочку область длин волн указанного резонанса уширяется и смещается в область больших длин волн. Полимерная оболочка как наночастица имеет плазменный резонанс в области около 900 нм, т.е. в области инфракрасного излучения. Таким образом, будучи введенными в полупроводник n-типа золотые заключенные в ПВП-оболочку наночастицы плюс сама ПВП-оболочка имеют две ярко выраженные области поглощения электромагнитного излучения (фиг.2).

Кроме того, при использовании наночастиц размера 40-50 нм возникает новый резонанс для квадрупольной составляющей излучения. Например, для случая сферической частицы условие резонанса есть 2Reε+3=0, где ε - диэлектрическая функция материала наночастицы.

Упорядоченно и однородно ориентированно внедренные в полупроводник наночастицы дают дополнительные узкие плазмонные резонансы.

Таким образом, эффективность гетероэлектрического фотоэлемента может достигать 80% и более в солнечную погоду и не менее 50% в пасмурную погоду при использовании кремниевого полупроводника.

Увеличение фотоЭДС в гетероэлектрическом фотоэлементе обусловлено возможностью пространственного разделения зарядов не только в полупроводниковом р - n-переходе, но и в переходной области полупроводник-полимер-металл, где как и в р - n-переходе возникают сильные внутренние электростатические поля двойного слоя зарядов [3]. Возникновение дополнительного (n-n⁺)-перехода на границе слоя n-типа и ПВП-оболочки наночастиц приводит к созданию «второго каскада» в гетероэлектрическом фотоэлементе, и именно в этой приповерхностной области происходит наиболее эффективная концентрация светового поля наночастицами.

Заключенные в полимерную оболочку металлические наночастицы поглощают падающее излучение 7 и переизлучают его часть в виде сферической волны. При этом плотность энергии W переизлученного падающего излучения ближней зоны [4, 5] оказывается в несколько раз выше, чем плотность энергии падающего излучения. Таким образом, наночастицы «концентрируют» падающее излучение ближайшей зоны как обычные линзы или оптические резонаторы.

Чем ближе к поверхности полупроводника 3 наночастицы, тем сильнее увеличивается плотность энергии переизлученного электромагнитного излучения по сравнению с плотностью энергии падающего излучения 7. В связи с тем, что внутреннее поле в областях р - n переходов быстро разделяет фотоиндуцированные носители так, что они не успевают рекомбинировать, плотность фототока пропорциональна W [5].

Таким образом, гетероэлектрический фотоэлемент совмещает механизмы увеличения генерации фототока в многокаскадных фотоэлементах и «концентрацию» электромагнитных полей в области р-n, (n-n⁺)-переходов, что приводит к существенному увеличению фототока и фотоЭДС и соответственно кпд предлагаемого гетероэлектрического многокаскадного фотоэлемента.

Пример реализации предлагаемого диэлектрического фотоэлемента.

Стандартная р-типа полупроводниковая пластина, покрытая с одной стороны металлическим слоем (например, методом вакуумного напыления), легируется с другой стороны примесью n-типа на заданную глубину. Шарообразные наночастицы золота диаметром 40-50 нм, полученные методом адсорбции из гидрозоля, покрываются ПВП - оболочкой методом адсорбции в 0,5% растворе указанного полимера в хлороформе. Толщина оболочки 40-50 нм достигается за счет выбора времени пребывания наночастиц в указанном растворе. Далее указанные заключенные в ПВП оболочку наночастицы наносятся методом островковых пленок на легированную сторону указанной р-типа полупроводниковой пластины. После чего они закрепляются нанесением тонкого прозрачного полимера, в частности здесь использованного АПС (γ-аминопропилтриметоксилина).

Затем методом, например, вакуумного напыления наносятся полосковые металлические контакты. Изготовленный таким образом гетерогенный фотоэлемент имеет кпд около 70% в солнечную погоду и не менее 40% в пасмурную погоду и фотоЭДС не менее 1,5 В.

Литература

1. Н.Ф.Губа и В.Д.Походенко, AC SU 1806424 A3.

2. О.А.Займидорога, И.Е.Проценко и В.Н.Самойлов RU 2222846 С1.

3. Р.Бьюб «Фотопроводимость твердых тел» М.: Иностранная литература, 1962, стр.144.

4. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц «Теория поля» М.: Наука, 1988, стр.253.

5. С.Зи «Физика полупроводниковых приборов», книга 2, М.: Мир, 1984, стр.403.

Изобретение может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов. Гетероэлектрический фотоэлемент, преобразующий в электрическую энергию падающее на него электромагнитное излучение, содержит расположенные на металлической пластине слои полупроводника р- и n-типа с p-n-переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером, много меньшим длины волны указанного излучения, при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10^-2 объемных долей. В указанный слой полупроводника n-типа наночастицы введены заключенными в оболочку, имеющую форму, подобную форме поверхности указанных наночастиц, выполненную из полимера, например, ПВП (поли 2-винилпиридина), толщиной порядка характерного размера указанных наночастиц. Изобретение позволяет существенно повысить кпд. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гетероэлектрический фотоэлемент, преобразующий в электрическую энергию падающее на него электромагнитное излучение, содержащий расположенные на металлической пластине слои полупроводника р- и n-типа с pn переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером много меньше длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10^-2 объемных долей, отличающийся тем, что в указанный слой полупроводника n-типа указанные наночастицы введены заключенными в оболочку, имеющую форму, подобную форме поверхности указанных наночастиц, выполненную из полимера, например ПВП (поли 2-винилпиридина), толщиной порядка характерного размера указанных наночастиц.2. Гетероэлектрический фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что указанные наночастицы, заключенные в указанную оболочку, расположены в указанном слое упорядоченно, например, в виде кубической решетки, и одинаково ориентированы относительно поверхности указанного слоя полупроводника n-типа.