ФОТОЭЛЕМЕНТ Российский патент 2010 года по МПК H01L31/04 B82B1/00 

Изобретение относится к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ).

Известен фотоэлемент RU 2222846 от 08.08.2002 г., преобразующий в электрическую энергию электромагнитного излучения заданного спектрального диапазона, содержащий расположенные на металлической пластине слои полупроводника n- и р- типа с р-n-переходом между ними и прозрачный электропроводящий слой, отличающийся тем, что в указанный слой полупроводника n-типа дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)·10^-2 объемных долей.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является гетерогенный фотоэлемент RU 2217845 от 04.09.2002 г., включающий расположенный на металлической пластине фоточувствительный слой, содержащий полупроводниковые наночастицы, прозрачный проводящий слой и электроконтактную сетку, отличающийся тем, что указанный фоточувствительный слой представляет собой полупроводниковый полимер n-типа, а указанные полупроводниковые наночастицы выполнены в виде полупроводниковых нанокристаллов р-типа и в указанный фоточувствительный слой дополнительно введены металлические наночастицы размером 10-30 нм при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-10)×10^-2 объемных долей и при среднем расстоянии между указанными нанокристаллами и указанными наночастицами на более 100 нм.

Недостатками указанных выше конструкций является низкая стабильность параметров, возможная деградация в течение короткого времени, отсутствие хорошего просветления и сложность технологического процесса. Кроме того, металлические наночастицы фиксируются только за счет диэлектрической среды, и существует вероятность их слипания с течением времени и вследствие этого происходит значительная деградация параметров фотопреобразователя.

Предлагаемый фотоэлемент решает задачу получения высокоэффективного фотоэлемента с улучшенной фиксацией данных наночастиц на поверхности кремниевой подложки и увеличением площади взаимодействия металлических наночастиц с диодной структурой, так как каждая частица находится в углублении (ямке). Между наночастицей и поверхностью р-n-перехода подложки находится тонкий диэлектрический слой, который выполняет одновременно роль пассивирующего слоя.

Предлагаемый фотоэлемент содержит монокристаллическую подложку кремния дырочной или электронной проводимости, на которой с тыльной стороны расположен изотипный переход (р+ или n+). На лицевой стороне расположен р-n-переход глубиной не более 0,5 мкм. Данные переходы формируются методом высокотемпературной диффузии легирующих примесей. На нанопористую, формируемую методом электрохимического травления лицевую поверхность подложки дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длинны волны воспринимаемого излучения. Расстояние между наночастицами должно быть соизмеримо с размером частиц.

На чертеже схематично представлено изображение данного фотоэлемента, содержащее подложку монокристаллического кремния р- или n-типа (1); р+ или n+ слой (2); n или р слой (3); диэлектрический слой (4); металлическая наночастица (5); электродная собирающая система (6), просветляющий слой (7).

Диэлектрический слой выполняет две функции: изоляция наночастиц от поверхности кремния, пассивация поверхности p-n перехода. Он должен иметь толщину менее 10 нм.

Сверху данная структура покрыта слоем диэлектрика с показателем преломления n=2-2,4 и толщиной 70-80 нм. Данная конструкция, при использовании явлений плазменного резонанса (Пр) и резонанса оптической проводимости (РоП), позволит увеличить КПД кремниевого монокристаллического СФЭ до 40%-70%, повысить временную стабильность диодной структуры, сформированной со слоем наночастиц до 20 лет.

Принцип работы предлагаемого фотоэлемента состоит в следующем: падающий на фотоэлемент свет (электромагнитное излучение - ЭМИ) взаимодействует с поверхностью с нанесенными наночастицами металла, имеющими размеры менее длины волны падающего излучения. При этом, если указанные металлические наночастицы выбраны так, что частота их плазменного резонанса находится вблизи максимума спектра поглощения света, то диэлектрическая проницаемость среды фоточувствительного слоя существенно возрастает, что приводит к возрастанию эффективности генерации электронов и тока, а также к значительному увеличению напряжения холостого хода. Кроме того, за счет создания на поверхности кремния определенной шероховатости в виде наноразмерных (порядка 100 нм) периодических углублений (ямок) при взаимодействии с падающим светом дополнительно удается существенно увеличить плотность тока в фотоэлементе. При обеспечении оптимальных условий токосбора данная конструкция фотоэлемента позволит увеличить КПД по сравнению с прототипом.

Пример реализации предлагаемого фотоэлемента.

На лицевой поверхности кремниевой монокристаллической подложки методом электрохимического травления формируются углубления (ямки) глубиной до 100 нм. Методом термической диффузии формируются тонкий р-n-переход на лицевой поверхности и изотипный переход (р+ или n+) на тыльной стороне структуры. Затем наносится пассивирующий туннельный слой диэлектрика 7-10 нм и слой просветляющего прозрачного диэлектрического материала, например ZnO, имеющего показатель преломления ≈2,0-2,4. Эти два слоя наносятся методом напыления.

Далее в углубления (ямки) различными методами осаждаются наночастицы серебра диаметром 30-80 нм в силикатной или другой среде с использованием золь-гель технологий.

Для сбора токов на поверхности структуры методом тонкопленочной или толстопленочной технологии формируется электродная система и проводится лазерное вжигание проводников.

Изобретение может быть использовано в производстве солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ). Фотоэлемент содержит монокристаллическую подложку кремния дырочной или электронной проводимости, на которой расположены слои полупроводника n+ и p+ типа с p-n-переходом и прозрачный полупроводящий слой, в который введены наночастицы металла, при этом каждая частица находится в углублении (ямке), а между наночастицей и поверхностью p-n-перехода подложки находится тонкий, менее 10 нм, диэлектрический слой. Предлагаемый высокоэффективный фотоэлемент с улучшенной фиксацией металлических наночастиц на поверхности кремниевой подложки и увеличенной площадью взаимодействия металлических наночастиц с поверхностью кремния, так как каждая частица находится в углублении (ямке), кроме того, такая упорядоченная структура поверхности (порядка 100 нм) позволит получить дополнительный просветляющий слой. 1 ил.

Фотоэлемент, содержащий монокристаллическую подложку кремния дырочной или электронной проводимости, на которой расположены слои полупроводника n+ и p+ типа с p-n-переходом и прозрачный полупроводящий слой, в который введены наночастицы металла, отличающийся тем, что каждая частица находится в углублении (ямке), а между наночастицей и поверхностью p-n-перехода подложки находится тонкий, менее 10 нм, диэлектрический слой.