КРЕМНИЕВЫЙ ДВУХСТОРОННИЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01L31/42 H01L31/18 

Кремниевый двухсторонний солнечный элемент и способ его изготовления

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, в частности к кремниевым солнечным элементам и технологии их изготовления.

Известен кремниевый фотопреобразователь с двухсторонней фоточувствительностью? толщина которого соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области (Патент RU 2432639 от 27.10.2011). Фотопреобразователь содержит n⁺-p (p⁺-n) переход на лицевой стороне, изотипный p-p⁺(n-n⁺) переход в базовой области на тыльной стороне, просветляющую пленку и металлическую контактную сетку на лицевой и тыльной сторонах. Просветляющая пленка выполнена так, что плотность встроенного электрического заряда не менее 1·10¹¹ см^-2, знак этого заряда совпадает со знаком заряда основных носителей тока в базовой области, причем n⁺-p (p⁺-n) переход и изотипный p-p⁺ (n-n⁺) переход под контактной сеткой выполнены на большей глубине, чем в промежутках контактной сетки. Встроенный электрический заряд создают путем атомно-слоевого осаждения на поверхность кремния пленки оксида алюминия, получаемого посредством магнетронного или атомно-слоевого осаждения либо нитрида кремния. Изобретение обеспечивает повышение КПД и снижение стоимости изготовления фотопреобразователей.

Известен полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью и легированными областями п⁺-р-п⁺ (р⁺-n-р⁺) структур (Патент RU 2417482 от 27.04.2011). Плоскости р-n переходов и контактов к легированным n⁺ (р⁺) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне каждого микроэлемента расположены контакты к базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными р-р⁺ (n-n⁺) переходами, отделенными от р-n переходов промежутком, ширина которого по меньшей мере в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированной областей, свободные от контактов, содержат пассивирующую и просветляющую пленки. Использование нанокластеров и электростатических полей в пассивирующей пленке над изотипными р-n переходами обеспечивает повышение КПД и повышение эффективности фотопреобразования за счет снижения потерь на поверхностную рекомбинацию.

Известен полупроводниковый фотоэлектрический генератор, выполненный 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 n-p переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора (Патент RU 2336596). Такая конструкция получила название матричный солнечный элемент (МСЭ), а в зарубежной классификации vertical multi-junction solar cell (VMJ). На поверхности МСЭ, свободной от р-n переходов, имеется изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика. Нанокластеры металлов размером 10-40 нм размещены либо непосредственно на поверхности МСЭ, либо между пассивирующим и антиотражающим покрытием, либо внутри изолирующей пленки, совмещающей функции пассивирующего и антиотражающего покрытий.

Известен солнечный элемент с вертикальными переходами, перпендикулярными рабочей поверхности (Vertical Multijunction Solar Cell with Textured Surface, US Patent No. 12/536987 от 6.08.2009). Увеличение эффективности преобразования солнечного излучения достигается текстурированием светоприемной поверхности с кристаллографической ориентацией (100), выполненной в виде V и U-образных конфигураций, расположенных нормально плоскости р-n переходов микроэлементов. Недостатком аналогов является относительно невысокий КПД фотопреобразователей.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения принят полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-р-р⁺ (р⁺-n-n⁺) диодными структурами, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом от 30° до 150° к рабочей поверхности генератора (Патент RU 2494496 от 27.09.2013). По всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия. В другом варианте по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещены пассивирующая и просветляющая пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.

Недостатком полупроводникового фотоэлектрического генератора является недостаточно высокая эффективность преобразования принимаемого спектра солнечного излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения и КПД кремниевого двухстороннего солнечного элемента.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что на кремниевом двухстороннем солнечном элементе, содержащем матрицы из последовательно скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-р-р⁺ структурой с базовой областью p-типа, у которых ширина базы соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда, а плоскости p-n переходов перпендикулярны рабочим поверхностям, на рабочих поверхностях, ориентированных в кристаллографической плоскости (111), над областью базы микрофотопреобразователей размещено пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом, а сверху над рабочими поверхностями размещено просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления кремниевого двухстороннего солнечного элемента, включающего химическую отмывку пластин, диффузионное легирование, металлизацию, сборку пластин в столбик, сплавлении металлизированных дисков, резку столбиков на элементы, пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом наносят методом атомно-слоевого осаждения, а просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм с положительным встроенным зарядом методом магнетронного распыления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема кремниевого двухстороннего солнечного элемента с n⁺-p-p⁺ - микрофотопреобразователями с базовой областью p-типа.

Устройство содержит: последовательно соединенные n⁺-p-p⁺-микрофотопреобразователи 1, базовую областью p-типа 1, n⁺-p переходы 2, легированный изотипный p⁺-слой 3, рабочие поверхности 4 и 7, внутренние металлические контакты 5, пассивирующее покрытие 6, просветляющее покрытие 8, внешние металлические контакты 9.

При этом n⁺-p-переходы и изотипные p-p⁺-переходы расположены перпендикулярно рабочим поверхностям, а ширина базы микрофотопреобразователей соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области. Пассивирующее покрытие 6 расположено над p и p⁺ областями базы, а просветляющее покрытие 8 - над областью металлизации, n⁺-p-переходом и пассивирующим покрытием 6. Толщины пассивирующих и просветляющих покрытий соответствуют первому порядку четвертьволнового просветления на длине волны 600 нм.

Кремниевый двухсторонний солнечный элемент работает следующим образом. Падающее на рабочие поверхности 4 и 7 электромагнитное излучение через просветляющее 8 и пассивирующее 7 покрытия поступает в объем фотопреобразователя. В эмиттерной 2 и базовой 1, 3 областях микрофотопреобразователей происходит поглощение фотонов, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем n⁺-р-переходов, что вызывает во внешней цепи солнечного элемента фототок,

Использование в качестве пассивирующих покрытий 6 материалов со встроенным электрическим зарядом, противоположным по знаку типу проводимости низлежащих слоев фотопреобразователя, приводит к созданию электрических полей, индуцирующих образование в приповерхностных слоях изотипных n⁺-n- и р⁺-р-переходов, отталкивающих неосновные носители заряда, генерируемые светом, от поверхности и снижающих эффективную скорость поверхностной рекомбинации. Чем больше величина встроенного электрического заряда, тем выше эффективность фотопреобразователя. Использование на рабочих поверхностях двухстороннего солнечного элемента кристаллографической ориентации (111) приводит к возрастанию в пассивирующих покрытиях величины встроенного заряда и увеличению, таким образом, эффективности преобразования электромагнитного излучения.

Применение двухслойных покрытий Al₂O₃-Si₃N₄ с толщинами, соответствующими первому порядку четвертьволнового просветления, и с оптимизированными для просветления кремния коэффициентами преломления (1,7 и 2,0 соответственно) приводит к дополнительному снижению потерь на отражение принимаемого солнечным элементом спектра солнечного излучения.

Одновременно с этим размер нанокластеров Al₂O₃ в пассивирующих покрытиях 6 (фиг. 1), полученных методом атомно-слоевого осаждения, подбирают таким, чтобы частота плазмонного резонанса нанокластеров соответствовала частоте падающего электромагнитного излучения, что позволяет переизлучать падающее излучение. Создается среда, в которой распространяется электромагнитная волна, что приводит к увеличению функции генерации неосновных носителей заряда и росту КПД кремниевого двухстороннего солнечного элемента.

Пример способа изготовления двухстороннего солнечного элемента

Двухсторонние солнечные элементы изготавливают из пластин монокристаллического кремния p-типа. Пластины отмывают, травят до толщины 0,3 мм и легируют фосфором и бором для образования основного n⁺-р- и изотипного p-p-переходов. Полученные диски с n⁺-р-р⁺ структурой металлизируют с двух сторон, собирают в столбики высотой b и сплавляют. Столбики режут на полоски по 0,4 мм, при этом плоскость реза ориентируют перпендикулярно плоскости пластин. Полученные заготовки размером a×b×0,4 мм (a - длина поперечного сечения) разрезают на элементы с нужной длиной 1 и общими габаритами кремниевого двухстороннего солнечного элемента 1×b×0,4 мм (ширина b=n×0,3 мм, n - количество последовательно соединенных микроэлементов фотопреобразователя). Плоскость реза ориентируют нормально плоскости сечения и длине микроэлементов. Первоначальная ориентация пластин и направление реза выбирают из условия получения рабочих поверхностей 1×b 4 и 7 (фиг. 1) с кристаллографической ориентацией плоскости (111). Торцы b×0,4 и рабочие поверхности полученных матричных структур травят. Рабочие поверхности пассивируют.

В качестве пассивирующего покрытий 6 над областью базы 1 используют пленку оксида алюминия толщиной 100 нм, полученную методом атомно-слоевого осаждения. Оксид алюминия Al₂O₃, нанесенный на рабочие поверхности, имеет плотность отрицательного заряда порядка 10¹³ см^-2, коэффициент преломления n=1,7. Геометрические размеры пассивирующего покрытия 6 выделяют с помощью метода фотолитографии.

В качестве просветляющего покрытия над областью базы и пассивирующего покрытия над n+-областью эмиттера 8 используют пленку нитрида кремния толщиной 80 нм с величиной положительного встроенного заряда 8×10 см^-2, полученную методом магнетронного распыления. Сочетание оптических, механических и диффузионных характеристик позволяет совмещать изолирующим пленкам 8 одновременно функции просветляющих и пассивирующих покрытий 9.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, в частности к кремниевым солнечным элементам и технологии их изготовления. В кремниевом двухстороннем солнечном элементе, выполненном в виде матрицы из последовательно скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структурой, у которых ширина базы соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда базовой области, а плоскости p-n переходов перпендикулярны рабочим поверхностям, на рабочих поверхностях солнечного элемента размещены пассивирующие покрытия из изолирующего материала со встроенным электрическим зарядом, противоположным по знаку типу проводимости низлежащих слоев кремния, рабочие поверхности ориентируются в кристаллографической плоскости (111). Для пассивации p-областей фотопреобразователя используется покрытие из оксида алюминия, для n-областей - покрытие из нитрида кремния. Наноструктурированное покрытие из оксида алюминия получают методом атомно-слоевого осаждения. Изобретение обеспечивает получение больших значений встроенного заряда и тем самым уменьшение скорости поверхностной рекомбинации и увеличение кпд кремниевого двухстороннего солнечного элемента. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кремниевый двухсторонний солнечный элемент, содержащий матрицы из последовательно скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-р-р⁺ структурой с базовой областью p-типа, у которых ширина базы соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда, а плоскости n⁺-р переходов перпендикулярны рабочим поверхностям, отличающийся тем, что на рабочих поверхностях, ориентированных в кристаллографической плоскости (111), над областью базы микрофотопреобразователей размещено пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом, а сверху над рабочими поверхностями размещено просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм.

2. Способ изготовления кремниевого двухстороннего солнечного элемента, включающий химическую отмывку пластин, диффузионное легирование, металлизацию, сборку пластин в столбик, сплавление металлизированных дисков, резку столбиков на элементы, отличающийся тем, что пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом наносят методом атомно-слоевого осаждения, а просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм с положительным встроенным зарядом - методом магнетронного распыления.