Структура фотопреобразователя на основе кристаллического кремния и линия по его производству Российский патент 2017 года по МПК H01L31/236 H01L31/747 H01L31/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к структуре фотопреобразователей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния и к линии по производству фотопреобразователей.

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.

В настоящее время для пассивации поверхности кремниевых пластин при производстве солнечных модулей на основе гетероперехода (HJT технологии) используется метод плазмохимического осаждения из газовой фазы. Данный метод подразумевает осаждение пленки аморфного гидрогенизированного кремния путем разложения силана, разбавленного водородом, в высокочастотной плазме тлеющего разряда. При этом особенности процесса и конструкции реактора исключают возможность использования конвейерной линии и требуют переворота пластин для пассивации каждой стороны. Данные ограничения замедляют процесс производства и вызывают необходимость применения дополнительного оборудования, такого как переворотчик пластин.

Из уровня техники известен солнечный элемент, описанный в заявке РСТ (см. [1] WO 2014148443 (А1), МПК H01L 31/0236, опубл. 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.

Известен способ получения фотоэлектрического элемента с нанесением пассивационного слоя методом PECVD процесса (см. [2] патент США №5935344, МПК H01L 31/04, опубл, 10.08.1999), однако недостатком такого нанесения является низкая производительность и необходимость переворота пластин для нанесения пассивационного покрытия с каждой стороны, а в случае применения реакторов большой площади необходимо применение дополнительных приспособлений, таких как держатели подложек.

Также из уровня техники известен солнечный элемент, описанный в заявке США (см. [3] US 2015090317, МПК H01L 27/142, H01L 31/0224, опубл. 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 аналога является ограниченный спектр материалов, который возможно получить PECVD технологией нанесения n-слоя.

Известны способы формирования и получения кремниевых тонкопленочных модулей солнечного элемента (см. [4] патент РФ №2454751, МПК H01L 31/042, опубл. 27.06.2012, [3] патент РФ №2435874, МПК H01L 31/18, опубл. 10.12.2011), включающие использования горелки с высокочастотной индуктивно-связанной плазмой с индукционной катушкой, введение плазменного газа, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона, аргона, водорода и их смесей, в упомянутую горелку с высокочастотной индуктивно-связанной плазмой для формирования плазмы внутри упомянутой катушки, впрыскивание химического реагента, например, состоящего из SiCl₄, SiH₄, SiHCl₃, SiF₄ соединений, содержащих кремний, в упомянутую горелку, и осаждение тонкопленочного слоя на поверхность кремниевой подложки при помощи горелки. Индуктивно-связанная плазма позволяет получить слои p-i-n и n-i-p типа.

Недостатком известного решения является использование атмосферного давления, что может затруднить получение пассивирующих слоев. При использовании горелки подразумевается наличие факела (его температура будет выше 200°С), что приведет к созданию дефектов на поверхности пластины.

Сущность изобретения

Задачей заявленной группы изобретений является применение металлических оксидов в качестве n- и р-слоя солнечного модуля на основе кристаллического кремния.

Техническим результатом является повышение производительности, уменьшение габаритов производственной линии, исключение необходимости переворота пластин кремния в процессе производства.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного результата предлагается структура фотопреобразователя на основе кристаллического кремния и линия по его производству.

Структура фотопреобразователя на основе кристаллического кремния включает: текстурированную поликристаллическую или монокристаллическую пластину кремния; пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния; р-слой; n-слой; контактные токосъемные слои в виде прозрачных проводящих оксидов; тыльный токосъемный слой в виде металлического непрозрачного проводящего слоя, при этом в качестве р-слоя и n-слоя применяют металлические оксиды соответственно р-типа и n-типа, при этом слои n-типа и р-типа, пассивирующий и токосъемный слои наносятся методом магнетронного распыления. В качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO), или SnO₂, Fe₂O₃, TiO₂, V₂O₇, MnO₂, CdO, или другие металлические оксиды n-типа. В качестве металлического оксида р-типа используют МоО, или СоО, Сu₂О, NiO, Сr₂О₃, или другие металлические оксиды р-типа.

Линия по производству фотопреобразователя на основе кристаллического кремния, включающая последовательные операции, такие как: очистку и текстурирование пластин кристаллического кремния; нанесение пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния на каждую сторону пластины кремния; нанесение р-слоя фотопреобразователя; нанесение n-слоя фотопреобразователя; нанесение контактных токосъемных слоев фотопреобразователя; нанесение тыльного токосъемного слоя; окончательная сборка, при этом выполняют последовательное магнетронное напыление пассивирующего слоя, р-слоя в виде металлического оксида р-типа, n-слоя в виде металлического оксида n-типа и токосъемных слоев методом магнетронного распыления. При этом может осуществляться магнетронное распыление кремниевой мишени в атмосфере силана и аргона с добавлением водорода. Ключевыми отличиями заявленного решения от аналогов является:

1. Исключение из технологической цепочки CVD методов (включая PECVD и LPCVD) и использование магнетронного распыления для получения всех слоев структуры (пассивирующего, р-слоя, n-слоя, токосьемных слоев). В связи с этим появляется возможность уменьшения габаритов производственной линии и повышения производительности.

2. Использование для получения пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния метода магнетронного распыления.

3. Использование оксидов металлов для создания n- и р-слоев структуры фотопреобразователя.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Технический процесс изготовления фотопреобразователя на основе кристаллического кремния.

Осуществление изобретения

Техническое решение представляет собой технологическую линейку, основанную на последовательном магнетронном напылении слоев, для изготовления фотопреобразователей на основе кристаллического кремния.

Линия по производству структуры фотопреобразователя на основе кристаллического кремния включает в себя подготовительные процессы, напыление пассивационных слоев, напыление р-слоя структуры фотопреобразователя, напыление n-слоя структуры фотопреобразователя, напыление контактных слоев фотопреобразователя, окончательную сборку фотопреобразователя.

В качестве исходных кремниевых кристаллических пластин кремния могут использоваться поликристаллические или монокристаллические пластины, полученные методом Чохральского, методом зонной плавки или другим методом.

Этап подготовительных процессов является стандартным процессом, содержащим очистку и текстурирование пластин кристаллического кремния, и может быть реализован различными способами, включая плазменные, химические и прочие процессы очистки и травления. Далее выполняют нанесение пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния путем магнетронного распыления кремниевой мишени в атмосфере аргона с добавлением водорода и (или) силана, или других кремнийорганических соединений. Данная процедура в процессе производства фотопреобразователей на основе кристаллического кремния необходима для повышения времени жизни носителей заряда в пластине кремния. Затем производят нанесение р-слоя фотопреобразователя на основе металлического оксида р-типа методом магнетронного распыления. Данный этап необходим для формирования в объеме фотопреобразователя встроенного поля, служащего для разделения фотоиндуцированных носителей заряда и генерации фототока. В качестве металлического оксида р-типа используют МоО, или СоО, или Сu₂О, или NiO, или Сr₂О₃, или другие металлические оксиды р-типа. Следом выполняют нанесение n-слоя фотопреобразователя на основе металлического оксида n-типа методом магнетронного распыления. Данный этап необходим для формирования в объеме фотопреобразователя встроенного поля, служащего для разделения фотоиндуцированных носителей заряда и генерации фототока. В качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO), или SnО₂, или Fe₂О₃, или ТiO₂, или V₂O₇, или МnО₂, или CdO, или другие металлические оксиды n-типа. Затем производят нанесение контактных токосъемных слоев фотопреобразователя также методом магнетронного распыления. Данный этап является стандартной процедурой, необходимой для эффективного токосъема с изготовленного фотопреобразователя. Как правило, используются прозрачные оксиды металлов, такие как оксид олова или индий-оловянный оксид (ITO). Также в качестве тыльного токосъема могут применяться металлические слои, играющие так же роль отражателя.

Этап окончательной сборки также является стандартным процессом и, в значительной, мере варьируется. Для снижения контактного сопротивления может использоваться сетка, нанесенная с помощью трафаретной печати или другим способом. Также контактные шины могут быть изготовлены по различным технологиям. Окончательная сборка может производиться по различным технологиям, с применением различных способов коммутации и капсуляции.

Отличительной чертой данного изобретения от аналогов является совокупное применение в процессе нанесения слоев на этапах пассивации, нанесения р- и n-слоев и нанесения токосъемных слоев исключительно магнетронного напыления. Данное техническое решение позволяет повысить производительность процесса производства фотопреобразователей на основе кристаллического кремния, за счет:

1. Сокращение технологического процесса и исключение этапа переворота пластин, необходимого при PECVD процессе осаждения.

2. Возможность применение конвейерной системы.

3. Высокая технологичность процессов магнетронного осаждения.

Стоит также отметить, что данная технологическая цепочка не требует высокотоксичных газов, таких как фосфин или диборан, необходимых при формировании структуры методом PECVD осаждения.

Структура фотопреобразователя на основе кристаллического кремния, полученная по вышеописанной линии, представляет из себя текстурированную поликристаллическую или монокристаллическую пластину кремния, которая со всех сторон пассивирована слоем в виде аморфного гидрогенизированного кремния. На верхнюю сторону пластины нанесен р-слой в виде металлического слоя р-типа. На нижнюю сторону пластины нанесен n-слой в виде металлического оксида n-типа. Поверх n- и р-слоев нанесены контактные токосъемные слои в виде прозрачных проводящих оксидов. С тыльной стороны нанесен тыльный токосъемный слой в виде металлического непрозрачного проводящего слоя. Причем слои n-типа и р-типа, пассивирующий и токосъемный слои наносятся методом магнетронного распыления.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к структуре фотопреобразователей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния и к линии по производству фотопреобразователей. Структура фотопреобразователя на основе кристаллического кремния включает: текстурированную поликристаллическую или монокристаллическую пластину кремния; пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния; р-слой; n-слой; контактные токосъемные слои в виде прозрачных проводящих оксидов; тыльный токосъемный слой в виде металлического непрозрачного проводящего слоя, при этом в качестве р-слоя и n-слоя применяют металлические оксиды соответственно р-типа и n-типа, при этом слои n-типа и р-типа, пассивирующий и токосъемный слои наносятся методом магнетронного распыления. В качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO), или SnO₂, Fe₂О₃, ТiO₂, V₂O₇, МnО₂, CdO, или другие металлические оксиды n-типа. В качестве металлического оксида р-типа используют МоО, или СоО, Сu₂О, NiO, Сr₂О_3, или другие металлические оксиды р-типа. Линия по производству фотопреобразователя на основе кристаллического кремния, включающая последовательные операции, такие как: очистку и текстурирование пластин кристаллического кремния; нанесение пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния на каждую сторону пластины кремния; нанесение р-слоя фотопреобразователя; нанесение n-слоя фотопреобразователя; нанесение контактных токосъемных слоев фотопреобразователя; нанесение тыльного токосъемного слоя; окончательная сборка, при этом выполняют последовательное магнетронное напыление пассивирующего слоя, р-слоя в виде металлического оксида р-типа, n-слоя в виде металлического оксида n-типа и токосъемных слоев методом магнетронного распыления. При этом может осуществляться магнетронное распыление кремниевой мишени в атмосфере силана и аргона с добавлением водорода. Изобретение позволяет повысить производительность, уменьшить габариты производственной линии, исключить необходимость переворота пластин кремния в процессе производства. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Структура фотопреобразователя на основе кристаллического кремния, включающая:

- текстурированную поликристаллическую или монокристаллическую пластину кремния;

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

- p-слой;

- n-слой;

- контактные токосъемные слои в виде прозрачных проводящих оксидов;

- тыльный токосъемный слой в виде металлического непрозрачного проводящего слоя,

отличающаяся тем, что

в качестве p-слоя и n-слоя применяют металлические оксиды соответственно p-типа и n-типа, при этом слои n-типа и p-типа, пассивирующий и токосъемные слои наносятся методом магнетронного распыления.

2. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO), или SnO₂, Fe₂O₃, TiO₂, V₂O₇, MnO₂, CdO, или другие металлические оксиды n-типа.

3. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве металлического оксида p-типа используют MoO, или CoO, Cu₂O, NiO, Cr₂O₃, или другие металлические оксиды p-типа.

4. Линия по производству фотопреобразователя на основе кристаллического кремния, включающая последовательные операции:

- очистка и текстурирование пластин кристаллического кремния,

- нанесение пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния на каждую сторону пластины кремния,

- нанесение p-слоя фотопреобразователя,

- нанесение n-слоя фотопреобразователя,

- нанесение контактных токосъемных слоев фотопреобразователя,

- нанесение тыльного токосъемного слоя,

- окончательная сборка,

отличающаяся тем, что

выполняют последовательное магнетронное напыление пассивирующего слоя, p-слоя в виде металлического оксида p-типа, n-слоя в виде металлического оксида n-типа и токосъемных слоев методом магнетронного распыления.

5. Линия по п. 4, отличающаяся тем, что выполняют последовательное магнетронное напыление пассивирующего, p-типа и n-типа слоев методом магнетронного распыления кремниевой мишени в атмосфере силана и аргона с добавлением водорода.