ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК H01L31/42 B82B1/00 B82B3/00 

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФП).

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с р-n-переходом на всей рабочей поверхности, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга «Полупроводниковые фотопреобразователи». Васильев A.M., Ландсман А.П., М., «Советское Радио», 1971 г.). Процесс изготовления ФП основан на диффузионном легировании рабочей поверхности фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина р-n-перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.

Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим р-n-переходом на большей части рабочей поверхности и глубоким р-n-переходом под металлическими контактами на рабочей поверхности (Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency // 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). Процесс изготовления включает проведение следующих операций на рабочей поверхности: диффузионное легирование на глубину менее 0,5 мкм, термическое окисление, лазерное скрайбирование канавок, химическое травление кремния в канавках, диффузионное легирование поверхности канавок на глубину более 1 мкм и электрохимическое осаждение никеля и меди в канавки. Недостатком получаемых ФП является поглощение коротковолновой части падающего излучения легированным слоем, имеющим низкий коэффициент собирания носителей тока к р-n-переходу и, как следствие, недостаточно высокое КПД ФП.

Известна конструкция и способ изготовления ФП с пассивирующей, антиотражающей (просветляющей) пленкой на фоточувствительной поверхности, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, сильно легированных областей, образующих р-n-переходы и изотипные переходы (Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell // 19^th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. N.Y., 1987. - P.1201-1208). Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления с совмещением рисунка шаблона, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.

Известна конструкция и способ изготовления ФП из кремния с гетеропереходом на лицевой стороне и изотипным гетеропереходом на обратной стороне (Kanno H. at ol. Over 22% efficient HIT solar cell // 23^rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 September 2008, Valencia. Spain, p.1136-1139). Широкозонные слои из аморфного кремния наносят на пластины кремния из паровой фазы, активированной плазменным разрядом. Поверх широкозонного слоя наносят прозрачную электропроводящую просветляющую пленку и сетчатые токосъемные контакты. Недостатком этих ФП является не фотоактивное поглощение излучения в широкозонных слоях, что снижает величину фототока и КПД.

Известна конструкция и способ изготовления ФП (патент РФ №2331139) с двухсторонней фоточувствительной рабочей поверхностью с диодной n⁺-р-р⁺ структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на рабочей и тыльной стороне совпадают в плане и не превышают 10% общей площади, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещены в плане на рабочей и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n⁺-р (р⁺-n) переходами на рабочей поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области и на рабочей поверхности, свободной от n⁺-р (р⁺-n) перехода, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.

Недостатком этой конструкции является повышенные потери на сопротивлении металлических контактов и недостаточно высокое значение напряжения на р-n-переходе, что снижает величину КПД, а также необходимость использования при изготовлении высоких температур и дорогостоящего кремния высокой степени чистоты, который должен иметь большую величину диффузионной длины неосновных носителей тока.

В качестве прототипа принята конструкция и способ изготовления фотоэлектрического генератора (А.с. №288163 СССР, 1967 г., МПК H01L 31/042), выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости p-n переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора. Известный способ изготовления состоит из приготовления на пластинах полупроводника путем диффузионного легировании диодной структуры с р-n переходом и изотипным переходом на разных сторонах, металлизации двух сторон пластин, соединения пластин с помощью контактов в стопку, резки стопки пластин на матричные структуры, обработки поверхности и нанесения просветляющего покрытия.

Недостатками указанного фотоэлектрического генератора являются недостаточно высокие значения тока и напряжения и низкая эффективность преобразования солнечного излучения. Кроме того, необходимость использования высокой температуры при диффузионном легировании повышает себестоимость изготовления.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение стоимости изготовления фотоэлектрических генераторов, состоящих из множества микрофотопреобразователей.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе, выполненном в виде скоммутированных контактами матрицы из микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области р- или n-типа проводимости, а плоскости p-n переходов и изотипных переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, р-n переходы и изотипные переходы выполнены в виде гетероперехода с широкозонным n⁺ или (р⁺) слоем с подслоем туннельно-тонкой широкозонной пленки собственной проводимости, и вся рабочая поверхность покрыта просветляющей, пассивирующей пленкой с содержанием до 5% водорода.

Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотоэлектрического генератора достигается тем, что туннельно-тонкие широкозонные пленки собственной проводимости и широкозонные n⁺ или (р⁺) слои толщиной свыше 0,2 мкм выполнены на кристаллическом кремнии из пленок аморфного или карбида кремния.

Дополнительное расширение области фоточувствительности полупроводникового фотоэлектрического генератора достигается тем, что туннельно-тонкие широкозонные пленки собственной проводимости и широкозонные n⁺ или (р⁺) слои толщиной свыше 0,2 мкм выполнены на кристаллическом германии из пленок арсенида галлия.

Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотоэлектрического генератора достигается тем, что рабочая поверхность содержит пленку нитрида кремния, легированную водородом.

В способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора, включающем создание на пластинах полупроводника диодной структуры с р-n переходом и изотипным переходом на разных сторонах, металлизацию двух сторон пластин, соединение пластин с помощью контактов в стопку, резку стопки пластин на матричные структуры, обработку поверхности и нанесение просветляющего покрытия, снижение себестоимости процесса достигается тем, что диодные структуры с p-i-n гетеропереходом и изотипным гетеропереходом создают путем низкотемпературного (150-250°C) нанесения широкозонных слоев полупроводника толщиной более 0,2 мкм в плазмо-химическом реакторе.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где в сечении показаны основные элементы конструкции. Фотоэлектрический генератор состоит из множества микрофотопреобразователей с диодной структурой, соединенных последовательно. Каждый микрофотопреобразователь содержит базовую область 1 из кристаллического кремния или германия. Ширина базовой области 1 соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока и составляет около 300 мкм. Диодная структура содержит p⁺-i-n или n⁺-i-p переход на одной стороне базовой области 1 и изотипный n-i-n⁺ или р-i-p⁺ переход на другой стороне. На границе с базовой областью i-области 2 выполнены в виде туннельно-тонкой толщиной около 4 нм пленки собственной проводимости из широкозонного полупроводника. Сильнолегированные широкозонные слои 3 p⁺ или n⁺ типа проводимости расположены со стороны р-n перехода, а сильнолегированные широкозонные слои 4n⁺ или p⁺ типа расположены со стороны изотипного перехода и имеют толщину свыше 0,2 мкм. Сильнолегированные слои 3 и 4 полностью покрыты металлическими контактами 5, обеспечивающими механическое и электрическое соединение микрофотопреобразователей в фотоэлектрический генератор. Толщина металлических слоев 5 составляет около 2 мкм. Внешняя поверхность генератора с двух сторон покрыта просветляющей пассивирующей пленкой 6 из нитрида кремния, легированной водородом с концентрацией не более 5%, что обеспечивает низкую скорость поверхностной рекомбинации (менее 100 см/с). Световое излучение поступает на обе рабочие поверхности 7, которые практически равны по величине фоточувствительности.

С целью повышения фото-ЭДС, в случае применения кристаллического кремния, в качестве широкозонных туннельно-тонких пленок 2 используются аморфные кремний или карбид кремния собственной проводимости, а в случае кристаллического германия используются нелегированные пленки арсенида галлия. В качестве широкозонных легированных p⁺ или n⁺ типа проводимости слоев 3 и 4 используются достаточно толстые (более 0,2 мкм) слои аморфного кремния или карбида кремния для кремния и арсенида галлия для германия. Большая толщина широкозонных легированных слоев предохраняет от шунтирования р-n перехода после нанесения металлических контактов 5.

Пример выполнения полупроводникового фотоэлектрического генератора.

В процессе изготовления фотоэлектрического генератора используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния или германия толщиной 300 мкм р- или n-типа проводимости с диффузионной длиной в базовой области не менее 300 мкм. Осаждением из паровой фазы, инициированным плазменным разрядом или методом молекулярной эпитаксии при температуре 150-250°C, наносят широкозонные пленки на обе стороны пластин кремния или германия. Для образования р⁺-n или (n⁺-р) гетероперехода с одной стороны и изотипного p-p⁺ (n⁺-n) гетероперехода на другой стороне пластин в начале создают нелегированную туннельно-тонкую пленку аморфного кремния собственной проводимости толщиной около 4 нм (или нелегированные пленки арсенида галлия на германий), а затем сильно легированный широкозонный n⁺ или (р⁺) слой толщиной свыше 0,2 мкм. На обе стороны наносят сплошной слой контакта с верхним слоем из алюминия, меди или никеля толщиной более 0,5 мкм. Пластины складывают в стопку и соединяют пластины между собой с помощью контактов. Стопку разрезают на пластины толщиной около 0,3 мм и удаляют с поверхности механически нарушенный слой. После очистки на обе стороны матрицы наносят пассивирующую, просветляющую пленку нитрида кремния.

Фотоэлектрический генератор работает следующим образом. Световое излучение практически без потерь на затенение контактами, которые занимают менее 1% поверхности, поглощается в базовой области. Генерированные светом в базовой области неосновные носители тока практически полностью проходят через p⁺-i-n или n⁺-i-p переход и создают фототок, близкий к теоретическому пределу. Высокому собиранию неосновных носителей тока p⁺-i-n или n⁺-i-p переходом способствует их низкая скорость рекомбинации на изотипном n-i-n⁺ или p-i-р⁺ переходе и пассивированной поверхности базовой области. Использование при формировании p⁺-i-n или n⁺-i-p переходов и изотипных n-i-n⁺ или p-i-р⁺ переходов слоев широкозонных полупроводников обеспечивает создание гетеропереходов с высоким значением высоты потенциального барьера, что увеличивает величину фото-ЭДС на кремнии при солнечном излучении до 0,7 B на одном микрофотопреобразователе и повышает общее КПД генератора до 25%.

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор выполнен в виде скоммутированных контактами матрицы из микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области р- или n-типа проводимости, а плоскости p-n переходов и изотипных переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, р-n переходы и изотипные переходы выполнены в виде гетероперехода с широкозонным n⁺ или (р⁺) слоем с подслоем туннельно-тонкой широкозонной пленки собственной проводимости. Вся рабочая поверхность покрыта просветляющей, пассивирующей пленкой с содержанием до 5% водорода. Также предложен способ изготовления полупроводниковых фотоэлектрических генераторов. Изобретение обеспечивает повышение КПД и снижение стоимости изготовления фотоэлектрических генераторов, состоящих из множества микрофотопреобразователей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, выполненный в виде скоммутированных контактами матрицы из микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n переходов и изотипных переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что р-n переходы и изотипные переходы выполнены в виде гетероперехода с широкозонным n⁺ или (р⁺) слоем с подслоем туннельно-тонкой широкозонной пленки собственной проводимости и вся рабочая поверхность покрыта просветляющей, пассивирующей пленкой с содержанием до 5% водорода.

2. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что туннельно-тонкие широкозонные пленки собственной проводимости и широкозонные n⁺ или (р⁺) слои толщиной свыше 0,2 мкм на кристаллическом кремнии выполнены из пленок аморфного кремния или карбида кремния.

3. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что туннельно-тонкие широкозонные пленки собственной проводимости и широкозонные n⁺ или (р⁺) слои толщиной свыше 0,2 мкм на кристаллическом германии выполнены из пленок арсенида галлия.

4. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность покрыта пленкой нитрида кремния, легированной водородом.

5. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора, включающий создание на пластинах полупроводника диодной структуры с р-n переходом и изотипным переходом на разных сторонах, металлизацию двух сторон пластин, соединение пластин с помощью контактов в стопку, резку стопки пластин на матричные структуры, обработку поверхности и нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что диодные структуры с р-n гетеропереходом и изотипным гетеропереходом создают путем низкотемпературного (150-250°С) нанесения широкозонных слоев полупроводника толщиной более 0,2 мкм.