СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H01L27/142 B82Y30/00 

Изобретение относится к области фотоэлектроники, а именно к фотоэлектрическим преобразователям (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Наиболее эффективными устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую, с энергетической точки зрения, являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших лабораторных образцов до 25% [см. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989. - 310 с. - ISBN 5-02-024384-1].

Известен способ изготовления фотопреобразователя, на передней стороне которого образуется оксидная пленка, а легированный слой и контакты находятся на стороне в виде чередующихся точечных областей с p-n переходами [Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell \\ 19 th IEEE Photo volt Special conference, New Orleans, 1987, p 1201-1208].

Недостатком этих фотопреобразователей является сложность процесса изготовления за счет фотолитографического травления и деградации физических свойств под действием солнечного излучения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления фотопреобразователя, включающий изготовление пористой пластины с размерами пор, равными нанометрам (нм) [см. патент РФ 2410794, МПК⁹ H01L 27/142, H01L 31/18, опубл. 27.01.2011].

Недостатком прототипа является высокая сложность изготовления легированных слоев и контактов между микроуглублениями, величины которых 5-10 нм.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности преобразователей солнечной энергии, упрощение технологии изготовления при одновременном снижении ее себестоимости.

Технический результат заключается в увеличении светоприемной поверхности фотопреобразователя.

Решение технической задачи достигается тем, что в способе изготовления фотопреобразователя на основе оксида алюминия, включающем изготовление пористой пластины с размерами пор, равными нанометрам (нм), согласно изобретению, в качестве пористой пластины используют оксид алюминия, в поры которого осаждают и заполняют полупроводниковый материал, при этом заполнение пор осуществляют при импульсном напряжении прямоугольной формы амплитудой 650-720 В и плотностью тока 8-10 А/см² в электролите диметилсульфоксида следующего состава, г/л:

хлорид цинка 8,2-8,35 сера 6,5-7,0

Данный способ позволит увеличить эффективность преобразования солнечной энергии до 25% за счет значительного увеличения светоприемной поверхности при достаточно несложной технологии изготовления и одновременном снижении стоимости технологии.

Сущность изобретения поясняется таблицей, в которой представлены результаты экспериментальных данных лабораторных образцов фотопреобразователей.

Способ изготовления фотопреобразователя на основе оксида алюминия реализуется следующим образом.

Способом двухстороннего электрохимического анодирования изготавливали пластины структурированного пористого оксида алюминия толщиной до 100 мкм и диаметром пор до 600 нм [см. патент РФ №2448202, 20.04.2012]. Анодирование осуществляли в электролите, содержащем борную кислоту 8-12 г/л, щавелевую кислоту - 15-20 г/л, буру - 10-12 г/л, сульфид магния - 15-20 г/л и паравольфрамат аммония - 5-7 г/л при температуре 18-22°C. При этом амплитуда импульса тока анодного полупериода при частоте следования 30-110 Гц и скважности 10-4000. Плотность тока 1,2-1,6 А/см². Затем в электролите на основе диметилсульфоксида, содержащем диметилсульфоксид - 1 л; хлорид цинка - 8,2÷8,35 г/л; серу - 6,5÷7,1 г/л, в поры оксида алюминия осаждали полупроводниковый материал - сульфид цинка. Температура электролита в процессе осаждения составляла 90-135°C. На рабочий электрод подавали анодное импульсное напряжение прямоугольной формы амплитудой 650-720 В и плотностью тока 8-10 А/см². Затем на одну из сторон пластины оксида (предварительно обработанных) наносили прозрачный проводящий слой ITO (SnO₂ и In₂O₃), а на другую - проводящий слой алюминия.

Как видно из таблицы, данный способ увеличивает эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую на 40-50% по сравнению с прототипом за счет использования наноструктурированного пористого оксида алюминия, заполненного полупроводниковым материалом, и состава компонентов электролита.

Использование предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя на основе оксида алюминия позволит по сравнению с прототипом увеличить эффективность преобразования солнечной энергии, за счет значительного увеличения светоприемной поверхности при достаточно несложной технологии изготовления и одновременном снижении стоимости технологии.

Таблица Результаты экспериментальных данных лабораторных образцов фотопреобразователей №
п/п Размеры образцов алюминия Толщина оксидной пленки мкм Диаметр пор нм Состав электролита Амплитуда импульсов, В Плотность тока, А/см Температура, °C КПД, % Толщина мкм Диаметр нм     Диметилсульф оксид, л Хлорид цинка, г/л Сера, г/л 1 90 180 102 550 1 8,3 6,4 700 8,05 125 13,5 2 95 180 105 600 1 8,3 7,2 700 9,95 125 14 3 98 180 110 580 1 8,27 6,85 700 9,7 125 24,5 4 100 180 112 570 1 8,1 6,9 700 8,4 125 18 5 100 180 108 600 1 8,4 6,9 700 8,8 125 15 6 100 180 110 600 1 8,27 6,85 700 9,8 85 X 7 100 180 111 590 1 8,27 6,85 700 9,7 140 XX X - осаждение отсутствует;
XX - диметилсульфат начинает испаряться.

Изобретение относится к области фотоэлектроники, а именно к фотоэлектрическим преобразователям (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразователей солнечной энергии, упрощении технологии изготовления при одновременном снижении ее себестоимости и увеличении светоприемной поверхности фотопреобразователя. Способ изготовления фотопреобразователя на основе оксида алюминия включает изготовление пористой пластины с размерами пор, равными нанометрам, в качестве пористой пластины используют оксид алюминия, в поры которого осаждают и заполняют полупроводниковый материал, при этом заполнение пор осуществляют при импульсном напряжении прямоугольной формы амплитудой 650-720 В и плотностью тока 8-10 А/см² в электролите диметилсульфоксида следующего состава в г/л: хлорид цинка - 8,2-8,35, сера - 6,5-7,0. 1 табл.

Способ изготовления фотопреобразователя на основе оксида алюминия, включающий изготовление пористой пластины с размерами пор, равными нанометрам, отличающийся тем, что в качестве пористой пластины используют оксид алюминия, в поры которого осаждают и заполняют полупроводниковый материал, при этом заполнение пор осуществляют при импульсном напряжении прямоугольной формы амплитудой 650-720 В и плотностью тока 8-10 А/см² в электролите диметилсульфоксида следующего состава, г/л:
Хлорид цинка 8,2-8,35 Сера 6,5-7,0