КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ГРЕБЕНЧАТОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01L31/18 

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для солнечных батарей.

Известна «традиционная» однопереходная (ОП) конструкция ФЭП с перпендикулярно расположенным к направлению потока светового излучения светопринимающей поверхности р⁺-n^--n⁺(р⁺-р^--n⁺) перехода - горизонтальной диодной ячейки (ДЯ), на поверхности которого расположено светопросветляющее покрытие (рис.1а, б). Такие ФЭП имеют не высокий коэффициент полезного действия (КПД), около 14%, и не позволяют получить высокое значение выходного напряжения более 0,6 В, что ограничивает область их применения в солнечных батареях с концентраторами излучения [1. Зи. С. Физика Полупроводниковых приборов, 1972 г.].

Известна конструкция (рис.2) многопереходного (МП) кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них одиночными р⁺-n^--n⁺(р⁺-р^--n⁺) переходами, в направлении перпендикулярном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами [2. Тюхов И.И. и др. «Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя», Патент РФ №2127472, опубликованный 1999.03.10.; 3. Е.Г. Гук и др. Характеристики кремниевого много переходного солнечного элемента с вертикальными р-n переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников. 1997 г. Т.31, №7 стр.855-858].

Такой ФЭП обладают не высоким КПД, (менее 12%), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) р-n перехода примыкающего к фоточувствительной поверхности ФЭП.

Известна, выбранная за прототип (рис.3), конструкция МП кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки с расположенными в них, перпендикулярно горизонтальной (перпендикулярной к направлению света) светопринимающей поверхности, вертикальных одиночных n⁺-р^--р⁺(р⁺-n^--n⁺) переходов и расположенными в солнечных элементах параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальных n⁺-р^- (р⁺-n^-) переходов, все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей - n⁺(р⁺) типа перпендикулярных одиночных n⁺-р^--р⁺ (р⁺-n^--n⁺) переходов [4. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009].

Способ ее изготовления, включающий

- формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных р⁺-n^--n⁺ (р⁺-р^--n⁺) переходов, металлизацию поверхности пластин, сборки пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавления в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных р⁺-n⁺ переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.

Недостатками конструкции прототипа также является невозможность достижения максимально большого ОПЗ р-n-переходов и соответственно КПД фотопреобразователя, а также технологическая проблема формирования нескольких перпендикулярных к излучению р-n переходов ионным легированием с высокой энергией ионов (более 800 кэВ).

Целью изобретения является повышение КПД фотопреобразователя и упрощение технологии его изготовления.

Первая цель достигается, путем создания «гребенчатой» конструкции ФП с максимальным объемом области пространственного заряда (ОПЗ) создаваемыми р-n переходами, которые в значительной степени определяют эффективность сбора носителей заряда, создаваемых солнечным излучением.

«Гребенчатая» конструкция кремниевого монокристаллического ФЭП содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n^--р (р^--n) переходы, причем их области n (р) типа подсоединены соответственно областями - n⁺(р⁺) типа n⁺-р^- (р⁺-n^-) горизонтальных переходов к областям - n⁺(р⁺) типа вертикальных одиночных р⁺-n^--n⁺(р⁺-р^--n⁺) переходов.

Вторая цель - упрощение технологии изготовления ФЭП достигается тем, что до формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния одиночных вертикальных р⁺-n^--n⁺(р⁺-р^--n⁺) одиночных переходов, в объеме пластин формируются слаболегированные дополнительные вертикальные n^--р (р^--n) переходы, затем формируются вертикальные одиночные переходы, затем после резки пластин, формируются горизонтальные n^--р (p^--n), при этом концентрация примеси в дополнительных р^--n переходах более, чем на порядок величины меньше концентрации примеси в горизонтальных n⁺-р^-(р⁺-n^-) переходах, у которых в свою очередь концентрация примеси в на порядок величины меньше концентрации примеси в областях - n⁺(р⁺) типа вертикальных одиночных переходов.

Конструкция «гребенчатого» ФЭП поясняется рисунками (рис.4 и рис.5), на которых приведены возможные варианты конструкций ФП соответственно с 2-мя и 4-мя дополнительными вертикальными р-n переходами.

На рис.4а, б, в соответственно показаны структура (сечение), вид сверху и снизу, ФЭП который согласно изобретению, содержит диодные ячейки (ДЯ) - 1, с нанесенным на них светопросветляющим покрытием - 2, соединенные в единую конструкцию металлическими катодными - 3 и анодными - 4 электродами, с расположенными, соответственно на их поверхности полупроводниковыми областями - 5 n⁺(р⁺) типа и - 6 р⁺(n⁺) типа одиночных вертикальных n⁺-р^--р⁺(р⁺-n^--n⁺) переходов. На верхней и нижней поверхности ДЯ - 1 расположены соответственно полупроводниковые области - 7 n⁺(р⁺) типа - 8 р⁺(n⁺) типа, горизонтальных n⁺-р^- (р⁺-n^-) переходов. На поверхности областей - 5 n⁺(р⁺) типа и - 6 р⁺(n⁺) типа расположены соответственно области -9 р^-(n^-) типа и - 10 n^-(р^-) типа образующие с ними, соответственно, одиночный n⁺-р^- (р⁺-n^-) и дополнительные р⁺-n^- (n⁺-р^-) переходы.

ФЭП на рис.5 содержит солнечные ДЯ - 1, в которых содержится несколько (4-е) дополнительных вертикальных р⁺-n^- (n⁺-р^-) перехода, образуемых дополнительными областями - 11 р^-(n^-) типа и - 12 n^-(р^-) типа с областями - 6 р⁺(n⁺) типа и - 10 n^-(р^-) типа соответственно.

Технология изготовления.

ФЭП, согласно изобретению, может быть изготовлен по относительно простой технологии (без применения фотолитографического процесса, что снижает стоимость его изготовления). Например, по технологии, представленной на рис.6а-д:

а) - в пластины p^--типа КДБ 10 Ом·см проводят ионное легирование фосфора дозой 2-4 мкКул с последующей разгонкой примеси в течении 4 часов при температуре 950°С;

б) - затем формируют диффузией бора и фосфора р⁺- и n⁺-области;

в) - спекают (сплавляют, сращивают) пластины через прокладки из металлической фольги в стопу;

г) - режут стопку пластин на отдельные фотопреобразователи;

д) - имплантируют в нижнюю и верхнюю поверхности ФП фосфор и бор дозой 50 и 40 мкКул соответственно и проводят фотонный отжиг радиационных дефектов;

- наносят оксид кремния (SiO₂) и просветляющее покрытие (Si₃N₄).

По аналогичной технологии реализуется конструкция ФП с 4-мя параллельными переходами, для того на этапе - б) последовательной ионной имплантацией формируют три p-n-перехода (возможно также выполнение p-n-переходов с применением операции эпитаксиального наращивания).

Электрическая эквивалентная схема ФЭП.

Обычного ФП (рис.7, а) существенно отличается от предлагаемого ФЭП (рис.7, б) наличием, как последовательно, так и параллельно включенных р-n переходов, что обеспечивает также большую стабильность работы батареи при различной интенсивности излучения.

Здесь обозначены

-D₁- одиночные вертикальные n-р-переходы;

- D₂ - горизонтальные n-р-переходы;

- D₃, D₄ - дополнительные вертикальные n-р-переходы.

Технические преимущества изобретения.

Как видно из рис.4 и рис.5 n- и р-области фотопреобразователя образуют гребенчатую конструкцию, что дает возможность реализации максимального объема области пространственного заряда, в которой наиболее эффективно, по сравнению с квазинейтральной областью, собираются генерированные светом носители заряда, как на поверхности, так и в объеме полупроводникового материала солнечных элементов ФЭП. При этом оптимальный вариант по эффективности ФЭП достигается при расстоянии между границами р-n-переходов конструкции равном суммарному значению толщины областей пространственного заряда образуемых контактной разностью потенциалов р-n-переходов.

Теоретические оценки показывают возможность достижения КПД до 32% в преобразователях данного типа.

Несмотря на несколько более высокую стоимость, по сравнению с традиционными планарными батареями, многопереходные ФЭП вполне конкурентно способны и перспективны, учитывая их высокую термостойкость ФП и соответственно возможность их работы с концентраторами излучения.

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Согласно изобретению предложено создание «гребенчатой» конструкции фотоэлектрического преобразователя, которая позволяет реализовать в его диодных ячейках максимально возможный объем области пространственного заряда p-n переходов, в котором сбор неосновных носителей заряда происходит наиболее эффективно. Предложены конструкция и способ изготовления этой конструкции гребенчатого кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя. Данное изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия фотоэлектрических преобразователей до 32%. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Конструкция гребенчатого кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя, содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности, вертикальных одиночных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов и расположенными в диодных ячейках, параллельно к светопринимающей поверхности, горизонтальных n⁺-р^-(р⁺-n^-) переходов, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей - n⁺(р+) типа перпендикулярных одиночных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, отличающаяся тем, что содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n^--р (р^--n) переходы, причем их области n(р) типа подсоединены соответственно областями - n⁺(р⁺) типа n⁺-р^-(р⁺-n^-) горизонтальных переходов к областям - n⁺(р⁺) типа вертикальных одиночных р⁺-n^--n⁺(р⁺-р^--n⁺) переходов.

2. Способ изготовления конструкции гребенчатого кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных p⁺-n^--n⁺(p⁺-p^--n⁺) переходов металлизацию поверхности пластин, сборки пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавления в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных р⁺-n⁺ переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия, отличающийся тем, что до формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния одиночных вертикальных р⁺-n^--n⁺(р⁺-р^--n⁺) одиночных переходов, в объеме пластин формируются слаболегированные дополнительные вертикальные n^--р (р^--n) переходы, затем формируются вертикальные одиночные переходы, затем после резки пластин, формируются горизонтальные n^--р (р^--n), при этом концентрация примеси в дополнительных р^--n переходах более чем на порядок величины меньше концентрации примеси в горизонтальных n⁺-р^- (р⁺-n^-) переходах, у которых в свою очередь концентрация примеси в на порядок величины меньше концентрации примеси в областях - n⁺(р⁺) типа вертикальных одиночных переходов.