ФОТОЭЛЕМЕНТ Российский патент 2010 года по МПК H01L31/42 B82B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве фотоэлементов.

Уровень техники

В настоящее время в мире все большее внимание уделяется развитию альтернативной энергетики, в том числе солнечной энергетики. Начиная с 2005 года, производство фотоэлектрических элементов растет на 30% ежегодно и, по прогнозам Fraunghofer Institute, солнечная энергетика будет производить более 50% потребляемой электроэнергии в мире.

Кремний является основным материалом производства фотоэлементов (более 90% рынка) в силу распространенности в природе, стабильности, отсутствия токсичности и др. побочных свойств, при высоких показателях КПД.

Однако ввиду непрямого характера запрещенной зоны кремния и, как следствие, низкой абсорбции, толщина фоточувствительного слоя кремния в фотоэлементе значительно превышает толщину фоточувствительных слоев материалов, используемых в тонкопленочных фотоэлементах (CdTe, CIGS). Увеличенный расход материала негативно влияет на стоимость кремниевых фотоэлементов.

Из уровня техники известны способы снижения расхода кремния на основе технологий тонких пленок на аморфном и микрокристаллическом кремнии. Однако КПД полученных фотоэлементов (6-8%) значительно уступает фотоэлементам на монокристаллах (13-15%).

Для снижения расхода кремния на монокристаллах, известны способы изготовления фотоэлементов на основе монокристаллических частиц. В частности, из уровня техники известен фотоэлемент, состоящий из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости, содержащий токосъемные контакты и изолятор, между контактами и зонами проводимости (патент US 3,998,659, публ. 21.12.1976, прототип).

Недостатком данного фотоэлемента является высокий расход кремния из-за значительного диаметра сферических частиц 650-850 мкм, обусловленного технологическими особенностями производства и низкими показателями абсорбции кремния.

Из уровня техники известно, что размещение частиц серебра на поверхности кремниевого фотоэлемента увеличивает коэффициент абсорбции по всему спектру электромагнитного излучения, с пиками в ближней области ИК-диапазона за счет эффекта поверхностного плазмонного резонанса (Surface Plasmon enhanced silicon solar cells. S.Pillai et.al, Journal of Applied Physics 101, 093105, 2007). Увеличение абсорбции позволяет снизить толщину кремниевого фоточувствительного слоя.

Однако предложенная методика нанесения серебряных частиц требует нанесения дополнительного слоя диэлектрика (SiO₂) толщиной 30 нм поверх фоточувствительного слоя, что увеличивает стоимость и количество операций по изготовлению фотоэлемента.

Сведения, раскрывающие сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании монокристаллического кремниевого фотоэлемента для преобразования электромагнитного излучения в электроэнергию со сниженной толщиной фоточувствительного слоя и расходом сырья.

Технические результаты, достигаемые при реализации заявляемого изобретения, заключаются в снижении толщины фоточувствительного слоя за счет увеличения абсорбции по всему спектру электромагнитного излучения и концентрации электромагнитного излучения в области фоточувствительного слоя с помощью эффекта поверхностного плазмонного резонанса; снижении затрат на изготовление фотоэлемента - за счет снижения расхода сырья и уменьшения операций по его изготовлению.

Вышеизложенные преимущества позволяют значительно снизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии с помощью автономных источников на фотоэлементах - за счет снижения стоимости ватта установленной мощности.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что фотоэлемент характеризуется тем, что фотоэлемент, состоящий из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости, содержащий токосъемные контакты и изолятор, расположенный между контактами и зонами проводимости, отличается тем, что изолирующий слой выбирают из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения.

Указанный фотоэлемент работает следующим образом: электромагнитное излучение возбуждает в металлических частицах на поверхности металл-диэлектрик коллективные колебания свободных электронов (поверхностный плазмонный резонанс), которые в свою очередь обеспечивают излучение волн и их концентрацию в области фоточувствительного слоя. Таким образом диаметр сфер может быть снижен до длины свободного пробега электрона в кремнии (30-50 мкм) без потерь в абсорбции.

Сопряжение фотоэлемента с нагрузкой в виде работающего электрического устройства или аккумулятора позволяет создать автономный источник электроэнергии со значительно сниженным показателем стоимости ватта установленной мощности.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы размером 2-10 нм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы размером 11-20 нм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы размером 21-1200 нм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, изолирующий слой содержит металлические частицы нескольких типоразмеров, оптимизированных под соответствующие максимумы спектра падающего излучения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент может содержать инкапсулирующий слой, выполненный из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент может содержать антиотражательный слой.

Краткое описание чертежа

Вышеуказанные и иные признаки и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем описании предпочтительных вариантов его осуществления, приводимых со ссылками на чертежи, на которых изображено:

схематическое изображение фотоэлемента, где:

1 - инкапсулирующий слой поликарбоната

2 - прозрачный фронтальный электрод

3 - n-слой

4 - p-слой

5 - изолирующий слой с металлическими частицами

6 - тыльный электрод.

Осуществление изобретения

Для изготовления фотоэлемента в соответствии с чертежом, осуществляют следующие операции.

Сферы p-проводимости методом прессования помещают в поликарбонат, содержащий серебряные частицы. На выступающих верхушках формируют n-слой методом ионной имплантации фосфором. Полученный слой n-типа покрывают прозрачным электродом, например оксидом титана. Проводник покрывают инкапсулирующим слоем поликарбоната. Нижний слой поликарбоната стравливают до появления частиц и укладывают на алюминиевую фольгу. Через фольгу пропускают электрический ток, чтобы приварить частицы кремния к фольге методом контактной сварки.

Возможность реализации подтверждается приведенным выше примером, но не ограничивается им.

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных элементов. Фотоэлемент состоит из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости. Фотоэлемент содержит токосъемные контакты и изолятор, расположенный между контактами, при этом изолирующий слой выбирают из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения. Изобретение обеспечивает снижение толщины фоточувствительного слоя за счет увеличения абсорбции по всему спектру электромагнитного излучения и концентрации электромагнитного излучения в области фоточувствительного слоя с помощью эффекта поверхностного плазменного резонанса, а также снижение затрат на изготовление фотоэлемента за счет снижения расхода сырья и уменьшения операций по его изготовлению. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фотоэлемент, состоящий из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости, содержащий токосъемные контакты и изолятор, расположенный между контактами и зонами проводимости, отличающийся тем, что изолирующий слой выбирают из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения.

2. Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой содержит металлические частицы размером 2-10 нм.

3. Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой содержит металлические частицы размером 1-20 нм.

4. Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой содержит металлические частицы размером 21 -1200 нм.

5. Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой содержит металлические частицы нескольких типоразмеров, оптимизированных под соответствующие максимумы спектра падающего излучения.

6. Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что фотоэлемент может содержать инкапсулирующий слой, выполненный из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения.

7. Фотоэлемент по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что фотоэлемент может содержать антиотражательный слой.