СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ БАРЬЕРА ШОТКИ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/07 

Изобретение относится к солнечным батареям, работающим на основе принципа прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей.

Областями применения изобретения являются энергетика, а также радио-, электронная промышленность, приборостроение, где используются автономные маломощные источники питания.

Известными солнечными элементами являются конструкции на основе р-n перехода и гетероструктур, использующих монокристаллические полупроводниковые материалы [1]. Однако они обладают высокой себестоимостью, что препятствует их широкому применению. Низкой себестоимостью обладают структуры, основанные на использовании нанесенных слоев аморфного кремния [2]. Существенными недостатками таких структур является невысокий КПД и нестабильность их во времени, что проявляется в постепенном еще большем снижении КПД.

В некоторых конструкциях солнечных элементов используется контакт с барьером Шотки. Основное достоинство контакта металл/полупроводник с барьером Шотки состоит в том, что обедненный слой примыкает непосредственно к поверхности полупроводника, вследствие чего ослабляется негативное влияние малых времен жизни и высокой скорости поверхностной рекомбинации [1].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ изготовления солнечной ячейки для преобразования падающей световой энергии в электрическую энергию на основе контакта к барьеру Шотки (КБШ), включающий осаждение на проводящую подложку или любую подложку с проводящим слоем базового слоя полупроводникового материала, рекристаллизацию указанного полупроводникового материала указанного базового слоя для повышения среднего размера зерна, осаждение активного слоя полупроводникового материала поверх указанного базового слоя и формирование поверх указанного активного слоя внешнего слоя, который включает в себя слой оксида, сформированный поверх указанного активного слоя, слой полупрозрачного металла, осажденный поверх указанного слоя оксида, и токособирающий толстый сеточный электрод, сформированный на поверхности указанного полупрозрачного металлического слоя [3].

Недостатком способа является то, что полупрозрачный металлический слой в составе внешнего слоя, благодаря которому в контакте с полупроводником собственно и возникает барьер Шотки, является полупрозрачным, т.е. в результате значительная часть поступающего светового потока отражается и поглощается указанным полупрозрачным металлическим слоем, что заметно снижает КПД указанного солнечного элемента. Другой недостаток этого способа состоит в том, что указанный полупрозрачный металлический слой является очень тонким (в пределах 10 нм) и, как следствие, достаточно быстро разрушается в процессе эксплуатации, учитывая, что солнечный элемент может нагреваться падающим световым потоком до температуры 300°С.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД солнечного элемента и повышение термической стабильности солнечного элемента.

Для достижения названного технического результата в способе изготовления солнечного элемента с барьером Шотки для преобразования падающей световой энергии в электрическую энергию, включающем осаждение на проводящую подложку или любую подложку с проводящим слоем базового слоя полупроводникового материала, рекристаллизацию указанного полупроводникового материала указанного базового слоя для повышения среднего размера зерна, осаждение активного слоя полупроводникового материала поверх указанного базового слоя и формирование внешнего слоя поверх указанного активного слоя, внешний слой включает в себя массив малоразмерных проводниковых кластеров (или нитей), каждый из которых находится в электрическом контакте с указанным активным слоем и изолирован от другого прозрачным диэлектрическим материалом, и поверх него многослойную периодическую структуру чередующихся слоев металл-оксид.

Преобразование сплошного контакта металл-полупроводник с барьером Шотки солнечного элемента в массив малоразмерных проводниковых кластеров (или нитей), каждый из которых находится в электрическом контакте с указанным активным слоем и изолирован от другого прозрачным диэлектрическим материалом, образуя массив параллельно включенных малоразмерных диодов Шотки, обеспечивает, во-первых, освещение области контакта металл-полупроводник световым потоком со всех сторон с минимальными его потерями и, во-вторых, создание дополнительного электрического поля контактной разности потенциалов, что приводит к увеличению КПД солнечного элемента.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что внешний слой включает в себя массив малоразмерных проводниковых кластеров (или нитей), каждый из которых находится в электрическом контакте с указанным активным слоем и изолирован от другого прозрачным диэлектрическим материалом.

Нижним слоем многослойной периодической структуры чередующихся слоев металл-оксид можно сделать оксид, поскольку это обеспечивает более высокую термическую стабильность внешнего слоя.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что нижним слоем многослойной периодической структуры чередующихся слоев металл-оксид является оксид.

Многослойная периодическая структура чередующихся слоев металл-оксид, если в качестве оксида использован проводящий оксид, такой как оксид индий-олово (ITO), является прозрачным низкоомным покрытием. Так, например, двухпериодная структура Cu/ITO имеет прозрачность 75% при поверхностном сопротивлении 2,5 Ом/□ и является термически стабильной при 300°С, что позволяет применить ее в качестве прозрачного токособирающего электрода внешнего слоя и обеспечить необходимую термическую стабильность солнечного элемента в процессе эксплуатации.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что внешний слой включает в себя многослойную периодическую структуру чередующихся слоев металл-оксид, расположенную поверх массива малоразмерных проводниковых кластеров (или нитей), каждый из которых находится в электрическом контакте с указанным активным слоем и изолирован от другого прозрачным диэлектрическим материалом.

Можно сформировать просветляющий оксидный слой с меньшим показателем преломления, чем у материала оксида многослойной периодической структуры, поверх многослойной периодической структуры чередующихся слоев металл-оксид с целью повышения прозрачности периодической структуры.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что поверх многослойной периодической структуры чередующихся слоев металл-оксид формируется просветляющий оксидный слой с меньшим показателем преломления, чем у материала оксида многослойной периодической структуры.

Полупроводниковый материал активного слоя может иметь запрещенную зону шире, чем полупроводниковый материал базового слоя, что необходимо для эффективной сепарации носителей заряда, генерируемых световым потоком.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что полупроводниковый материал активного слоя имеет запрещенную зону шире, чем полупроводниковый материал базового слоя.

Также имеется возможность использования массива малоразмерных кластеров внешнего слоя, сформированных в порах слоя анодного оксида, поскольку анодный оксид является технологичным, хорошо воспроизводимым материалом, в котором периодичность и размер пор могут хорошо регулироваться.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что массив малоразмерных кластеров внешнего слоя сформирован в порах слоя анодного оксида.

Целесообразно использовать пористый оксид алюминия, полученный анодным окислением слоя алюминия, в качестве пористого анодного оксида внешнего слоя, поскольку пористый оксид алюминия - это известный оксид, поры которого имеют упорядоченное расположение.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что пористый анодный оксид внешнего слоя является пористым оксидом алюминия, полученным анодным окислением слоя алюминия.

В том числе целесообразно в качестве проводникового материала массива малоразмерных кластеров внешнего слоя использовать силицид металла, т.к. силициды металла являются стабильными химическими соединениями, обеспечивающими большую высоту барьера Шотки при контакте с полупроводником n-типа.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что проводниковым материалом массива малоразмерных кластеров внешнего слоя является силицид металла.

Желательно материалом металлических слоев многослойной периодической структуры внешнего слоя выбрать металл из группы: Cu, Ag, Au, поскольку указанные металлы обладают наиболее низкими значениями удельного сопротивления и наиболее высоким коэффициентом отражения, что обеспечивает высокую прозрачность и низкое сопротивление указанных металлических слоев многослойной периодической структуры.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что материалом металлических слоев многослойной периодической структуры внешнего слоя является металл из группы: Cu, Ag, Au.

С целью уменьшения электрической проводимости многослойной периодической структуры внешнего слоя эффективно применение проводящего оксида индий-олово (In₂O_з-SnO) или проводящего оксида цинка.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что материалом оксидного слоя многослойной периодической структуры внешнего слоя является оксид индий-олово (In₂O₃-SnO) или оксид цинка.

На фиг.1.a-1.в. показаны этапы формирования структуры солнечного элемента с барьером Шотки для преобразования падающей световой энергии в электрическую, выполненные в соответствии с прототипом.

На фиг.1.а представлен разрез структуры после формирования базового слоя 3 на проводящей подложке 1 или любой подложке с проводящим слоем 2.

На фиг.1.б представлен разрез структуры после формирования активного полупроводникового слоя 4 и термической обработки структуры.

На фиг.1.в представлен разрез структуры после формирования внешнего слоя 5, включающего в себя оксидный слой 6, слой полупрозрачного металла 7 и токособирающий электрод 8.

На фиг.2.а-2.в приведены этапы предлагаемого способа формирования структуры солнечного элемента с барьером Шотки для преобразования падающей световой энергии в электрическую.

На фиг.2.а представлен разрез структуры после формирования базового слоя 3 на проводящей подложке 1 или любой подложке с проводящим слоем 2.

На фиг.2.б представлен разрез структуры после формирования активного полупроводникового слоя 4 и термической обработки структуры.

На фиг.2.в представлен разрез структуры после формирования внешнего слоя 9, включающего в себя массив малоразмерных проводниковых кластеров (или нитей) 10, каждый из которых находится в электрическом контакте с активным слоем 4 и изолирован от другого прозрачным диэлектрическим материалом 11, и прозрачную многослойную периодическую структуру 12 чередующихся слоев металла 14 и оксида 13.

На фиг.3 приведен разрез структуры по способу формирования структуры солнечного элемента с барьером Шотки для преобразования падающей световой энергии в электрическую с просветляющим покрытием. Фиг.3 демонстрирует разрез структуры после формирования внешнего слоя 9, включающего в себя массив малоразмерных проводниковых кластеров (или нитей) 10, каждый из которых находится в электрическом контакте с активным слоем 4 и изолирован от другого прозрачным диэлектрическим материалом 11, прозрачную многослойную периодическую структуру 12 чередующихся слоев металла 14 и оксида 13 и просветляющего покрытия 15.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну способа изготовления солнечного элемента на основе барьера Шотки. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

Пример выполнения способа. На стеклянную подложку методом магнетронного распыления наносится слой титана. Далее формируется базовый слой полупроводника сильнолегированного p⁺ кремния толщиной 1 мкм и производится термообработка структуры при температуре 600°С с целью повышения среднего размера зерна базового слоя. Далее методом осаждения из газовой фазы выращивается активный слой слаболегированного n-Si толщиной 2 мкм. После этого поверх активного слоя методом магнетронного распыления наносится слой алюминия толщиной 1 мкм, из которого методом электрохимического анодного окисления формируется слой пористого оксида алюминия со средним размером пор порядка 0,2 мкм. Потом методом химического или электрохимического осаждения в поры анодного оксида алюминия высаживается металлический палладий и производится отжиг структуры при температуре 350°С, при которой металлический палладий взаимодействует с кремнием активного слоя и трансформируется в силицид палладия Pa₂Si. После этого методом магнетронного распыления в одном вакуумном цикле последовательно наносится пятипериодная структура, состоящая из слоев меди толщиной 10 нм, чередующихся с оксидом индия-олова толщиной 100 нм, поверх которой методом магнетронного распыления формируется просветляющее покрытие из SiO₂ толщиной 100 нм.

Источники информации

1. S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices, A Wiley-Intersience publication John Wiley & Sons, New York Chichester Brisbane Toronto Singapore 1981, 455 p.

2. Патент США №4,163,677.

3. Патент США №4,321,099 - прототип.

Использование: энергетика, радио-, электронная промышленность, приборостроение, где используются автономные маломощные источники питания. В способе изготовления солнечного элемента с барьером Шотки, включающем осаждение на проводящую подложку или любую подложку с проводящим слоем базового слоя полупроводникового материала, рекристаллизацию указанного полупроводникового материала указанного базового слоя для повышения среднего размера зерна, осаждение активного слоя полупроводникового материала поверх указанного базового слоя и формирование поверх указанного активного слоя внешнего слоя, при этом внешний слой включает в себя массив малоразмерных проводниковых кластеров (или нитей), каждый из которых находится в электрическом контакте с указанным активным слоем и изолирован от другого прозрачным диэлектрическим материалом, а поверх него формируют многослойную периодическую структуру чередующихся слоев металл/оксид. Способ согласно изобретению позволяет изготавливать солнечные элементы с большими КПД и термической стабильностью. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления солнечного элемента на основе барьера Шотки, включающий осаждение на проводящую подложку или любую подложку с проводящим слоем базового слоя полупроводникового материала, рекристаллизацию полупроводникового материала базового слоя для повышения среднего размера зерна, осаждение активного слоя полупроводникового материала поверх базового слоя и формирование поверх активного слоя внешнего слоя, отличающийся тем, что внешний слой включает в себя массив малоразмерных проводниковых кластеров, каждый из которых находится в электрическом контакте с указанным активным слоем и изолирован друг от друга прозрачным диэлектрическим материалом, и поверх него многослойную периодическую структуру чередующихся слоев металл-оксид.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нижним слоем многослойной периодической структуры чередующихся слоев металл-оксид является оксид.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверх многослойной периодической структуры чередующихся слоев металл-оксид формируется просветляющий оксидный слой с меньшим показателем преломления, чем у материала оксида многослойной периодической структуры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый материал активного слоя имеет запрещенную зону шире, чем полупроводниковый материал базового слоя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что массив малоразмерных кластеров внешнего слоя сформирован в порах слоя анодного оксида.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что анодный оксид внешнего слоя является пористым оксидом алюминия.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводниковым материалом массива малоразмерных кластеров внешнего слоя является силицид металла.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом металлических слоев многослойной периодической структуры внешнего слоя является металл из группы: Cu, Ag, Au.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом оксидных слоев многослойной периодической структуры внешнего слоя является оксид индий-олово (In₂O₃-SnO) или оксид цинка.