СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2010 года по МПК H01L31/18 

Область техники

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в качестве кремниевого фотоэлемента для преобразования энергии излучения в электрическую энергию.

Уровень техники

Фотогальванические элементы представляют собой полупроводниковый диод. В полупроводниковых материалах поглощение падающих фотонов ведет к генерации электронно-дырочных пар. При данном процессе, решающим параметром является ширина запрещенной зоны полупроводника. Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, при котором примерно половина солнечной энергии уходит на образование электронно-дырочных пар, составляет ~1.1 эВ [1]. На втором этапе происходит разделение зарядов из-за внутреннего электрического поля, созданного диодной структурой. Эквивалентная схема устройства фотогальванического элемента представляет собой источник фотоэдс и параллельно соединенные резистор, отображающий рекомбинационные потери и шунтирование элемента, диод с потенциальным барьером, а также последовательно подключенное внутреннее сопротивление элемента. Вольтамперные характеристики (ВАХ) фотогальванического элемента при воздействии светового облучения повторяют темновые ВАХ со смещением по току на величину, равную фототоку короткого замыкания. Отношение максимальной выходной мощности в точке максимального кпд к произведению тока короткого замыкания J_sc на напряжение холостого хода V_oc называется фактором заполнения FF. J_sc, V_oc и FF являются тремя ключевыми электрическими характеристиками солнечных элементов. Максимальное значение J_sc определяется плотностью фототока солнечной ячейки J_ph.

К фотогальваническим элементам предъявляются следующие требования.

1. Высокий коэффициент полезного действия - доля энергии светового облучения, переведенная в электрическую энергию.

2. Высокие значения токов короткого замыкания и напряжения холостого хода.

3. Высокий фактор заполнения - отношение максимальной выходной мощности к произведению тока короткого замыкания и напряжения холостого хода.

4. Простота приготовления элемента, дешевая и эффективная технология производства при его массовом получении.

На данный момент основной метод производства кремниевых солнечных элементов включает следующие этапы:

- формирование р-n перехода (барьера Шоттки) на лицевой стороне n-Si подложки при помощи инжекции легирующей примеси,

- формирование омического контакта к p-Si при помощи силицида никеля, получаемого путем металлизации кремния никелем, с последующим спеканием (отжигом) в инертной атмосфере или вакууме,

- нанесение антирефрактивного слоя для уменьшения потерь, связанных с отражением.

Данные этапы изготовления могут быть в равной степени применены как для моно-, так и поликристаллического кремния. Более выгодным с точки зрения производства солнечных батарей являются последние. Однако, вследствие большого количества недостатков поликристаллического кремния, таких как потери на неосновных носителях на границах зерен, дислокации, и т.п., эффективность солнечных элементов на поликристаллическом кремнии в целом хуже, чем для монокристалла. Это обстоятельство можно улучшить путем введения моновалентных элементов, таких как водород, в структуру, с тем чтобы уменьшить явления, связанные со структурными дефектами, таким образом сводя к минимуму рекомбинационные потери на неосновных носителях. После водородной пассивации кремний подвергается термической обработке в вакууме, что возвращает количество внедренного водорода на уровень, предшествующий пассивации (см. патент US 4321283, 26 10.1979).

В патенте US 4321283, 26.10.1979 предложен метод электролитической металлизации никелем кремниевых пластин. В том числе предложен метод производства фотоэлементов с данным способом нанесения никеля, и последующим отжигом в водородной или азотной атмосфере и образованием силицида никеля в качестве омического контакта к p-Si слою. Основным компонентом для электролитической металлизации кремния являлся водный раствор хлорида никеля. Формированием слоев силицида никеля образуется омический контакт с кремнием р-типа. Кроме того, предложены диапазоны температур для формирования слоев силицида никеля различной стехиометрии (Ni₂Si, NiSi и NiSi₂).

В патенте US 4989059 30.06.1989 описан метод производства кремниевых солнечных элементов, в котором предлагается легирование кремниевой ленты с обоих поверхностей для образования р-n перехода. Для формирования n-Si слоя производится легирование фосфором, а для получения p-Si слоя - легирование алюминием. В качестве омических контактов к поверхностям кремния различных типов предлагается использовать нитрид кремния и силицид никеля.

Наиболее близким аналогом к настоящему объекту исследований является фотогальванический элемент, предложенный в патенте US 4609565, 13.12.1984. Указанный патент описывает методику создания кремниевого солнечного элемента путем формирования р-n перехода на кремнии легирующей примесью (Al). Силицид никеля используется для создания омического контакта к слою кремния р-типа. Напыленный слой никеля отжигается в атмосфере инертного газа или азота с образованием силицида никеля на границе с кремниевой подложкой. В качестве антирефрактивного покрытия используется напыленный TiO₂ или SiN.

Процедура изготовления фотогальванического элемента представлена следующим образом:

(1) легирование алюминием n-Si кремниевой подложки для создания потенциального барьера,

(2) формирование тонкой сетки никелевых электродов,

(3) пассивирование водородом р-прехода,

(4) спекание Si/Ni границы до образования силицида никеля,

(5) осаждение дополнительного металла на никелевые электроды,

(6) нанесение антирефрактивного покрытия.

Таким образом, данный способ создания фотогальванического элемента включает большое количество отдельных технологических этапов для формирования конечной структуры, что в свою очередь является одним из факторов высокой стоимости производства модулей солнечных элементов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание кремниевого фотоэлемента на основе структуры Si-NiO, имеющего основные показатели на уровне современных кремниевых фотоэлементов (кпд >10%, FF >40%) и обладающего сравнительно дешевой технологией получения.

Задача изобретения решается путем создания элемента на основе диода Шоттки, где барьер обеспечивается границей n-Si/NiSi, в качестве антирефрактивного слоя служит МО, причем получение как NiSi, так и NiO слоев происходит в одном технологическом процессе. Кроме того, предложенное изобретение является тонкопленочной структурой, с толщиной слоя NiO на кремниевой подложке не более 100 нм.

Физический принцип функционирования настоящего объекта исследований как фотогальванического элемента заключается в следующем. При формировании тонких пленок оксида никеля методом термического отжига в атмосфере между оксидом и кремниевой подложкой образуется промежуточный слой силицида никеля. Получение омического контакта к промежуточному слою можно осуществлять как с помощью канала металлического Ni, получаемого в результате пробоя пленки NiO, так и стандартными методами литографии. Внутренний фотоэффект в исследуемой структуре связан с формированием барьера Шоттки между промежуточным слоем NiSi и n-Si подложкой. В данном случае генерация электронно-дырочных пар при воздействии облучения в видимом диапазоне происходит в промежуточном слое NiSi, области пространственного заряда и кремнии.

Технический результат изобретения по сравнению с прототипом US 4609565, 13.12.1984, заключается в том что, NiSi создающий барьер Шоттки с n-Si, а также антирефрактивное покрытие NiO, служащее для уменьшения потерь, связанных с отражением, осуществляются на одном технологическом этапе. Таким образом в сравнении с прототипом исключается этап легирования алюминием для получения p-Si слоя, а также отдельный этап покрытия лицевой поверхности элемента антирефрактивным покрытием.

Отжиг структуры производится при температурах от 350 до 450°С, время отжига составляет 30-60 мин. Данный температурный режим обоснован тем, что для формирования силицида никеля необходима температура не менее 350°С. При температурах выше 450°С происходит окисление слоя NiSi, что ведет к разрушению структуры и исчезновению фотогальванического эффекта. Время отжига определяется временем окисления NiO пленки до кремниевой подложки, при времени отжига менее 30 мин остается слой недоокисленного никеля, который препятствует попаданию света в рабочую область фотогальванического элемента. Увеличение времени отжига более 60 мин является нетехнологичным.

Осуществление изобретения

Металлизация n-Si осуществляется путем осаждения Ni вакуумными методами распыления. Следующим этапом является термический отжиг на воздухе при нормальных условиях. Температурный режим в процессе отжига составляет от 350 до 450°С, что позволяет проводить окисление никеля до NiO, а также спекание на границе никель-кремний с образованием NiSi. Время отжига составляет 30-60 мин, после чего полученная структура остывает до комнатной температуры. Создание омических контактов к рабочей области фотогальванического элемента может осуществляться как с помощью напыления сетки электродов из благородного металла (золото, платина) на поверхность никеля перед отжигом (что препятствует окислению никеля под электродом), так и после отжига, с помощью напыления сетки никелевых электродов с использованием литографического процесса, с локальным вытравливанием NiO.

Пример осуществления:

Напыление металлической пленки Ni толщиной ~60 нм производится методом DC магнетронного распыления в промышленной установке ВУП-5М. Формирование омических контактов осуществляется с помощью напыления сетки электродов из благородного металла (золото, платина) на поверхность никеля перед отжигом. Затем образцы помещаются в печь и термически окисляются на воздухе при температуре Т_ох=400°С в течение 60 мин, после чего остывают до комнатной температуры. Толщина конечной пленки NiO составляет около 80 нм, а удельное сопротивление ρ~3·10⁴ Ом·см. После этого в структуре, при ее освещении, фиксируется фототок. При этом плотность тока короткого замыкания J_sc=4.28 мА/см², напряжение холостого U_oc=95.3 мВ, кпд η=11.2% и фактор заполнения FF=40,3%.

Таким образом, данный способ получения фотогальванического элемента позволяет уменьшить количество технологических этапов, тем самым позволяя удешевить стоимость производства солнечных модулей. При этом основные показатели, такие как η и FF, остаются на уровне современных кремниевых фотогальванических элементов.

Литература

1. A.Shah, P.Tascharner, N.Wyrsch, H.Keppner // ISNN 0036-8075 692, 285, (1999).

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в качестве кремниевого фотоэлемента для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. Способ получения фотогальванического элемента, при котором рабочую область фотодиода и антирефрактивное покрытие создают путем формирования барьера Шоттки через напыление металлической пленки никеля на кремний n-типа с последующим отжигом при температуре от 350° до 450°С в течение 30-60 минут. Контакты к рабочей области фотодиода создают либо перед отжигом с помощью напыления сетки электродов из благородного металла (золото, платина) на поверхность никеля, либо после отжига с помощью напыления сетки никелевых электродов с использованием литографического процесса, с локальным вытравливанием NiO. Данный способ получения фотогальванического элемента позволяет уменьшить количество технологических этапов, тем самым позволяя удешевить стоимость производства солнечных модулей, сохраняя при этом основные показатели, такие как кпд и фактор заполнения, на уровне показателей современных кремниевых фотогальванических элементов. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ получения фотогальванического элемента, включающий создание рабочей области фотодиода, омических контактов к ней, а также антирефрактивного покрытия, отличающийся тем, что рабочую область фотодиода и антирефрактивное покрытие создают путем формирования барьера Шоттки через напыление металлической пленки никеля на кремний n-типа с последующим отжигом при температуре от 350 до 450°С в течение 30-60 мин.

2. Способ получения фотогальванического элемента по п.1, отличающийся тем, что контакты к рабочей области фотодиода создают перед отжигом с помощью напыления сетки электродов из благородного металла (золото, платина) на поверхность никеля.

3. Способ получения фотогальванического элемента по п.1, отличающийся тем, что контакты к рабочей области фотодиода создают после отжига с помощью напыления сетки никелевых электродов с использованием литографического процесса с локальным вытравливанием NiO.