Гетероструктурный фотоэлектрический преобразователь на основе кристаллического кремния Российский патент 2017 года по МПК H01L31/04 H01L31/747 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к изготовлению активных слоев солнечных модулей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния.

Уровень техники

Среди возобновляемых источников энергии фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в настоящее время признано самым перспективным. Дальнейшее развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразовательных устройств (солнечных элементов). Наиболее успешным направлением развития технологий повышения КПД солнечных элементов представляется использование гетеропереходов между аморфным гидрогенизированным и кристаллическим кремнием (a-Si:H/c-Si), которые обладают всеми преимуществами солнечных элементов на основе кристаллического кремния, но могут быть изготовлены при низких температурах, что позволяет существенно снизить стоимость изготовления солнечных элементов на основе гетеропереходов.

Из уровня техники известен солнечный элемент, описанный в заявке РСТ (см. [1] WO 2014148443 (А1), МПК H01L 31/0236, опубликованная 25.09.2014), содержащий монокристаллическую подложку кремния, текстурированную с двух сторон, на которые нанесен слой аморфного кремния толщиной 2-3 нм, на одном из слоев аморфного кремния нанесен слой легированного аморфного кремния р-типа толщиной 10-30 нм, а на другом слое аморфного кремния нанесен слой легированного аморфного кремния n-типа толщиной 10-30 нм.

В качестве наиболее близкого аналога принят солнечный элемент, описанный в заявке США (см. [2] US 2015090317, МПК H01L 27/142, H01L 31/0224, опубликованная 02.04.2015), содержащий фотоэлектрический преобразователь в виде пластины кристаллического кремния, покрытый проводящими слоями в виде аморфного кремния. В общем, заявка описывает HIT технологию с получением слоев p-i-n- и n-i-p-типа, при этом слои n- и р-типа получают PECVD методом.

Недостатком прототипа является ограниченный спектр материалов, который возможно получить PECVD технологией нанесения n-слоя.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является применение металлических оксидов в качестве n-слоя солнечного модуля на основе кристаллического кремния.

Техническим результатом является повышение производительности процесса производства фотопреобразователей, вызванное возможностью применение таких методов формирования n-слоя структуры, как магнетронное напыление, атомное наслаивание (ALD), газофазное осаждение при пониженном давлении (LPCVD).

Технический результат достигается за счет солнечного модуля, включающего пластину поликристаллического или монокристаллического кремния; пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния; р-слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на верхнюю сторону пассивирующего слоя; n-слой, нанесенный на нижнюю сторону пассивирующего слоя; токосъемные слои, нанесенные на р-слой и n-слой. В качестве n-слоя применяют металлические оксиды n-типа, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания (ALD), или методом газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD). В качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO) или SnO₂, Fе₂О₃, ТiO₂, V₂О₇, МnО₂, CdO и другие металлические оксиды n-типа.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - структура солнечного модуля с использованием n-слоя, выполненного на основе металлического оксида.

Позиции, указанные на фигуре:

1 - пластина кристаллического кремния;

2 - пассивирующий слой;

3 - р-слой;

4 - n-слой металлического оксида, выполненный путем магнетронного распыления или методом атомного наслаивания, или методом газофазного осаждения при пониженном давлении;

5 - токосъемные слои.

Осуществление изобретения

Данное изобретение представляет собой солнечный модуль на основе кристаллического кремния, состоящий из пластины кремния (1), пассивирующих слоев (2), р-слоя (3), n-слоя на основе металлического оксида (4), токосъемных слоев (5).

Пластина кремния (1) может быть поликристаллической или монокристаллической с базовой областью n- или р-типа проводимости.

Пассивирующие слои (2) выполняют на основе аморфного гидрогенизированного кремния, карбида кремния, оксидных или прочих слоев, выполняющих функцию стабилизации поверхности кремниевой пластины и снижения поверхностной рекомбинации. В качестве р-слоя (3) применяют аморфный гидрогенизированный кремний р-типа ((р) a-Si:H), карбид кремния р-типа ((р) a-Si:Cl), оксид молибдена р-типа или другие материалы р-типа. В качестве токосъемных слоев (5) используют прозрачные проводящие оксиды (например, слой ITO). В качестве других элементов токосъема могут выступать дополнительные слои металлов, выполняющие так же функцию заднего отражателя (на пример серебряные или алюминиевые), медные или иные проводящие структуры, функцией которых является снижение последовательного сопротивления структуры. Под последовательным сопротивлением в данном случае подразумевается характеристика солнечного модуля, зависящая в том числе от элементов токосъема и способа их монтажа. Проводящие слои металлов, как правило, наносятся методом магнетронного распыления. Возможно также применение метода электролизного осаждения из раствора. Контактная сетка наносится методами трафаретной печати.

Основным отличием данного изобретения от аналогов является применение в качестве n-слоя металлического оксида (например, n-ZnO, или n-SnO₂, n-Fе₂О₃, n-ТiO₂, n-V₂O₇, n-МnО₂, n-CdO и другие металлические оксиды n-типа), полученного методом магнетронного распыления, атомным наслаиванием (ALD), газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD) или иным способом.

Результатом данного технического решения является отказ от применение в качестве n-слоя аморфного кремния n-типа, что ограничивает диапазон возможных способов нанесения слов n-типа при изготовлении солнечного модуля на основе кремния.

Примером данного технического решения может служить нанесение оксида цинка n-типа методом магнетронного распыления.

1. Для этого пластина (1) проходит предварительную подготовку, включающую очистку. Так же возможно применение текстурированных пластин кремния.

2. Далее, на обе стороны пластины, наносятся пассивационный слои (2), которые могут быть представлены в виде слоев аморфного гидрогенизированного кремния, полученного методом PECVD (данный пример не ограничивает способы получения пассивирующих слоев).

3. Далее, на одну из сторон наносится р-слой (3), который может быть выполнен в виде аморфного гидрогенизированного кремния р-типа, полученного методом PECVD осаждения (данный пример не ограничивает способы нанесения р-слоев).

4. Далее, на сторону, противоположную стороне нанесения р-слоя, наносится слой металлического оксида n-типа, например оксида цинка, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания (ALD), или методом газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD).

5. После этого наносятся токосъемные слои, например слои ITO, методом магнетронного распыления. Далее производится нанесение дополнительных токосъемов, включая тыльный отражатель и другие элементы токосъема (например, металлические шины). Пример такой структуры представлен на Фиг. 1.

Пример

Структура состоит из пластины монокристаллического кремния n- или р-типа (фигура 1, поз. 1). Пластина проходит химическую очистку, в ходе которой с поверхности удаляется загрязнения и слой естественного оксида. Далее производится химическая пассивация поверхности водородом. После этого на пластину с каждой из сторон методом PECVD осаждения наносится слой аморфного гидрогенизированного кремния, толщиной порядка 3-5 нм (фигура 1, поз. 2), который стабилизирует и пассивирует поверхность пластины. Метод нанесения пассивирующего слоя может варьироваться. Например, для пассивации может использоваться метод ALD (при этом не используется слой аморфного кремния - Duttagupta S. et al. Excellent boron emitter passivation for high-efficiency Si wafer solar cells using AlOx/SiNx dielectric stacks deposited in an industrial inline plasma reactor //Progress in Photovoltaics: Research and Applications. - 2013. - T. 21. - №. 4. - C. 760-764.) или магнетронное распыление. Метод пассивации может зависеть от типа проводимости использованной пластины.

На следующем этапе с помощью магнетронного напыления на одну из сторон производится осаждение оксида молибдена, служащего р-слоем фотопреобразующей структуры (фигура 1, поз. 3). После нанесение р-слоя на противоположную сторону пластины наносится n-слой. В качестве n-слоя используется оксид цинка, легированный бором (фигура 1, поз. 4). Слой наносят методом магнетронного распыления. Для контактирования к полученной структуре наносятся слои токосъема, выполненные из индий-оловянного оксида (фигура 1, поз. 5). Для получения дополнительного просветляющего эффекта слои индий-оловянного оксида выполняются толщиной порядка 120 нм.

Отказ от применения в качестве n-слоя аморфного кремния n-типа в пользу металлических оксидов n-типа позволяет расширить диапазон возможных способов нанесения слоев n-типа при изготовлении солнечных модулей на основе кремния. Замена материала n-слоя с кремния на металлический оксид позволяет управлять напряжением на получаемой структуре путем изменения ширины запрещенной зоны n-слоя (ширина запрещенной зоны различна у различных оксидов).

Применение магнетрона позволяет применить конвейер и в случае применения двухстороннего магнетрона исключить необходимость переворота пластин. Уменьшение габаритов также является следствием применения магнетронов вместо PECVD реакторов (при применении PECVD реактора невозможно применение конвейера и в процессе необходимо переворачивать пластины (т.к. PECVD реакторы устроены таким образом, что пластины подложек должны быть расположены на одном из электродов)).

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к изготовлению активных слоев солнечных модулей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния. Солнечный модуль на основе кристаллического кремния включает пластину поликристаллического или монокристаллического кремния; пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния; р-слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на верхнюю сторону пассивирующего слоя; n-слой, нанесенный на нижнюю сторону пассивирующего слоя; токосъемные слои, нанесенные на р-слой и n-слой. В качестве n-слоя применяют металлические оксиды n-типа, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания, или методом газофазного осаждения при пониженном давлении. В качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO) или SnО₂, Fе₂О₃, TiΟ₂, V₂O₇, МnO₂, CdO и другие металлические оксиды n-типа. Изобретение позволяет повысить производительность процесса производства фотопреобразователей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гетероструктурный фотоэлектрический преобразователь на основе кристаллического кремния, включающий

- пластину поликристаллического или монокристаллического кремния;

- пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния;

- р-слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на верхнюю сторону пассивационного слоя;

- n-слой, нанесенный на нижнюю сторону пассивационного слоя;

- токосъемные слои, нанесенные на р-слой и n-слой.

отличающийся тем, что

в качестве n-слоя применяют металлические оксиды n-типа, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания (ALD), или методом газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD).

2. Гетероструктурный фотоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO) или SnO₂, Fe₂O₃, ТiO₂, V₂O₇, MnO₂, CdO или другие металлические оксиды n-типа.