СТРУКТУРА ГЕТЕРОПЕРЕХОДНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ПРОТИВОЭПИТАКСИАЛЬНЫМ ПОДСЛОЕМ Российский патент 2018 года по МПК H01L31/747 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кремниевым полупроводниковым технологиям, в частности, к кремниевым фотовольтаическим преобразователям, изготовленным по гетероструктурной технологии (гетеропереходные фотоэлектрические преобразователи), при этом изобретение направлено на подавление эпитаксиального роста при нанесении пассивирующего слоя аморфного кремния методом плазмохимического осаждения.

Уровень техники

Среди возобновляемых источников энергии фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в настоящее время признано самым перспективным. Дальнейшее развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразующих устройств (солнечных элементов). Солнечный элемент служит для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для питания электронных приборов и электроприводов устройств и механизмов, применяющихся в электронике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др.

Из уровня техники известен солнечный элемент (см. [1] заявка США № 2007169808, МПК H01L31/00, опубл. 26.07.2007), включающий кристаллическую кремниевую пластину, пассивирующий слой и антиотражающее покрытие, нанесенное поверх пассивирующего слоя, при этом пассивирующий слой служит для минимизации плотности дефектов поверхности и, таким образом, уменьшает рекомбинацию носителей, в то время как антиотражающее покрытие служит для усиления захвата света. Антиотражающий слой и пассивирующее покрытие могут включать тонкопленочные слои диоксида кремния, нитрида кремния, диоксида титана, фторида магния, гидрированного аморфного кремния и гидрированного аморфного углерода. Однако данная конструкция не позволяет уменьшить поверхностную рекомбинацию до требуемых показателей, т.е. при отсутствии противоэпитаксиального слоя повышается вероятность процесса эпитаксиального роста кремния при нанесении пассивирующего слоя. Пассивирующий слой, выросший в результате эпитаксиального роста, не выполняет своей функции, из-за чего поверхностная рекомбинация не подавляется. Аналогичные конструкции описаны в патентах США и Китая (см. [2] патент США № 4366335, МПК H01L31/062, опубл. 28.12.1982. и [3] патент Китая № 1734793, МПК H01L31/18, опубл. 15.02.2006) обладающие таким же недостатком — высокой поверхностной рекомбинацией.

Из уровня техники известно фотоэлектрическое устройство (см. [4] патент РФ № 2435250, МПК H01L31/0224, опубл. 27.11.2011), содержащее переднюю стеклянную подложку; активную полупроводниковую пленку; и электропроводящий и, по существу, прозрачный фронтальный контакт, расположенный между, по меньшей мере, передней стеклянной подложкой и полупроводниковой пленкой; причем фронтальный контакт содержит (а) первую пленку из прозрачного проводящего оксида (ТСО), имеющую относительно низкую работу выхода, и (b) вторую ТСО-пленку, имеющую относительно высокую работу выхода; причем вторая ТСО-пленка, имеющая относительно высокую работу выхода, которая выше, чем работа выхода первой ТСО-пленки, располагается, по существу, сплошным слоем над первой ТСО-пленкой и контактирует с ней таким образом, что вторая ТСО-пленка находится между первой ТСО-пленкой и самой верхней частью полупроводниковой пленки и контактирует с ними; и причем вторая ТСО-пленка, имеющая относительно высокую работу выхода, содержит обогащенный кислородом оксид индия-олова (ITO). Слои пленки на основе аморфного кремния могут в некоторых случаях быть аморфным гидрогенированным кремнием, но также могут быть или включать аморфный гидрогенизированный сплав кремния с углеродом или аморфный гидрогенизированный сплав кремния с германием.

В данном аналоге говорится о тонкопленочном солнечном модуле, слои которого наносятся на стеклянную подложку, следовательно, нет проблемы пассивации. Их эффективность, при текущем уровне техники, ниже эффективности гетеропереходных фотоэлектрических преобразователей на основе кристаллического кремния.

Общим недостатком приведенных аналогов является отсутствие противоэпитаксиального слоя. Противоэпитаксиальный слой – это слой, который подавляет рост кристаллической пленки кремния, на подложке кристаллического кремния, т.к. для получения качественной пассивации нам нужна пленка аморфного кремния.

Наиболее близким аналогом является структура фотопреобразователя на основе кристаллического кремния (см. [5] патент РФ № 2632267, МПК H01L31/0236, опубл. 03/10/2017), включающая текстурированную поликристаллическую или монокристаллическую пластину кремния, пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния методом магнетронного распыления, p-слой, n-слой, контактные токосъемные слои в виде прозрачных проводящих оксидов, тыльный токосъемный слой в виде металлического непрозрачного проводящего слоя.

Недостатком прототипа, также, как и в указанных аналогов, является отсутствие противоэпитаксиального слоя, что приводит к повышению вероятности эпитаксиального роста слоя пассивации, что снижает его качество, в результате чего поверхностная рекомбинация остается на высоком уровне.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков известных аналогов, направленное на подавление эпитаксиального роста при нанесении пассивирующего слоя аморфного кремния методом плазмохимического осаждения

Техническим результатом является снижение поверхностной рекомбинации и повышение качества пассивации поверхности кремниевой пластины, в результате чего возрастает эффективность ФЭП.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет структуры гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя включающего подложку в виде пластины кремния, на обе стороны которой нанесены слои пассивации в виде слоев аморфного гидрогенизированного кремния, при этом на одну сторону кремниевой подложки с нанесенными пассивирующими слоями нанесен слой полупроводника n-типа, а на противоположную сторону нанесен слой полупроводника p-типа, при этом перед слоями пассивации на поверхность пластины кремния нанесен противоэпитаксиальный слой в виде аморфного гидрогенизированного германия или аморфного гидрогенизированного кремний-германия толщиной до 10 нм. Подложка может быть выполнена в виде кремниевой пластина n-типа или р-типа.

Краткое описание чертежей

Фигура 1. Схема слоев одной из сторон гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя.

Фигура 2. Схематическое изображение процесса формирования пленок на кристаллической подложке.

На фигурах обозначены следующие позиции:

1 — кремниевая пластина; 2 — противоэпитаксиальный слой из аморфного гидрогенизированного германия или аморфного гидрогенизированного кремний-германия; 3 — пассивирующий слой аморфного гидрогенизированного кремния; 4 — легированный слой.

Осуществление изобретения

В процессе изготовления гетеропереходных фотоэлектрических преобразователей на основе кремния возникает необходимость пассивации поверхности пластины, при этом необходимо снизить поверхностную рекомбинацию. Как правило, для этого используется слой аморфного гидрогенизированного кремния, наносимый на поверхность кремниевой пластины методом плазмохимического осаждения. Однако, в процессе формирования слоя аморфный кремний может перейти в эпитаксиальный рост слоя (т.е. может начаться процесс эпитаксиального роста). При этом, вместо слоя аморфного гидрогенизированного кремния, будет формироваться слой кристаллического кремния. Данный слой не может обеспечить необходимого качества пассивации, что не дает необходимого снижения поверхностной рекомбинации.

В заявленном изобретении, для исключения данного процесса (т.е. эпитаксиального роста) применяют противоэпитаксиальный подслой, постоянная кристаллической решетки которого будет отличаться от постоянной кристаллической решетки кремния. Применение данного подслоя позволит снизить вероятность эпитаксиального слоя. В качестве такого подслоя можно применить слой аморфного карбида кремний. Однако данный материал обладает плохими электрическими качествами. Подслой из аморфного гидрогенизированного германия или кремний-германия обладает лучшими свойствами, по сравнению со слоем карбида кремния, при этом отличия в постоянной кристаллической решетки позволяют добиться снижения вероятности эпитаксии. Эпитаксиальный подслой представляет из себя слой материала, толщиной до 10 нм, с отличной от кремния периодической решеткой (другой постоянной решеткой). Противоэпитаксиальный слой обладает внутренними дефектами и высоким сопротивлением и если сделать его толстым (больше 10 нм), то так же не будет эффекта пассивации поверхности (т.к. поверхностная рекомбинация останется на высоком уровне), дополнительно повысится последовательное сопротивление ячеек гетеропереходных фотоэлектрических преобразователей, что снизит эффективность ячеек. В результате этого различия в процессе формирования данного подслоя эпитаксиальный рост не начинается (из-за разницы в постоянных решетки), так же не начинается эпитаксиальный рост при формировании слоя пассивации, на данный подслой (по той же причине). При эпитаксиальном росте кремния, на поверхности кремниевой пластины, атомы, осаждающиеся на поверхность, формируют кристаллическую решетку. Данному факту способствует одинаковое расстояние между атомами (постоянная решетки) подложки и формирующейся пленки. В случае разницы между постоянными решетки подложки и растущей пленки, эпитаксиальный слой подавляется тем, что атомы в процессе роста не могут занять позиции, требуемые для формирования правильной кристаллической решетки. В результате формируется аморфная пленки. На фигуре 2 приведены схемы для случаев эпитаксиального и не эпитаксиального роста.

Заявленное изобретение представляет из себя подложку в виде пластины кремния (1), на обе стороны которой нанесены слои пассивации в виде слоев аморфного гидрогенизированного кремния (3), на одну сторону кремниевой подложки с нанесенными пассивирующими слоями нанесен слой полупроводника n-типа, а на противоположную сторону нанесен слой полупроводника p-типа. Перед слоями пассивации на поверхность пластины кремния (1) нанесен противоэпитаксиальный слой (2) в виде аморфного гидрогенизированного германия или аморфного гидрогенизированного кремний-германия толщиной до 10 нм. Подложка может быть выполнена в виде кремниевой пластина n-типа или р-типа.

Далее приведены примеры изготовления гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя.

Пример 1.

1. На поверхность кремниевой пластины, с каждой из сторон, методом плазмохимического осаждения наносится слой аморфного гидрогенизированного германия собственного типа проводимости.

2. После этого, методом плазмохимического осаждения, наносится слой гидрогенизированного аморфного кремния собственного типа проводимости.

3. После нанесения слоя аморфного кремния на одну из сторон пластины наносится слой микрокристаллического кремния n-типа.

4. На противоположную сторону от слоя микрокристаллического кремния n-типа наносится слой микрокристаллического кремния p-типа.

Пример 2.

1. На поверхность кремниевой пластины, с каждой из сторон, методом плазмохимического осаждения наносится слой аморфного гидрогенизированного кремний-германия собственного типа проводимости.

2. После этого, методом плазмохимического осаждения, наносится слой гидрогенизированного аморфного кремния собственного типа проводимости.

3. После нанесения слоя аморфного кремния на одну из сторон пластины наносится слой микрокристаллического кремния n-типа.

4. На противоположную сторону от слоя микрокристаллического кремния n-типа наносится слой микрокристаллического кремния p-типа.

Пример 3.

1. На поверхность кремниевой пластины, с каждой из сторон, методом плазмохимического осаждения наносится слой аморфного гидрогенизированного германия собственного типа проводимости.

2. После этого, методом плазмохимического осаждения, наносится слой гидрогенизированного аморфного кремния собственного типа проводимости

3. После нанесения слоя аморфного кремния на одну из сторон пластины наносится слой аморфного гидрогенизированного кремния n-типа.

4. На противоположную сторону от слоя аморфного гидрогенизированного кремния n-типа наносится слой микрокристаллического кремния p-типа.

Пример 4.

1. На поверхность кремниевой пластины, с каждой из сторон, методом плазмохимического осаждения наносится слой аморфного гидрогенизированного кремний-германия собственного типа проводимости.

2. После этого, методом плазмохимического осаждения, наносится слой гидрогенизированного аморфного кремния собственного типа проводимости.

3. После нанесения слоя аморфного кремния на одну из сторон пластины наносится слой аморфного гидрогенизированного кремния n-типа.

4. На противоположную сторону от слоя аморфного гидрогенизированного кремния n-типа наносится слой микрокристаллического кремния p-типа.

Изобретение относится к кремниевым полупроводниковым технологиям, в частности к кремниевым фотовольтаическим преобразователям, изготовленным по гетероструктурной технологии. Структура гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) включает подложку в виде пластины кремния, на обе стороны которой нанесены слои пассивации в виде слоев аморфного гидрогенизированного кремния, при этом на одну сторону кремниевой подложки с нанесенными пассивирующими слоями нанесен слой полупроводника n-типа, а на противоположную сторону нанесен слой полупроводника p-типа, при этом перед слоями пассивации на поверхность пластины кремния нанесен противоэпитаксиальный слой в виде аморфного гидрогенизированного германия или аморфного гидрогенизированного кремний-германия толщиной до 10 нм. Изобретение позволяет снизить поверхностную рекомбинацию и повысить качество пассивации поверхности кремниевой пластины, в результате чего возрастает эффективность ФЭП. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.

1. Структура гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя, включающая подложку в виде пластины кремния, на обе стороны которой нанесены слои пассивации в виде слоев аморфного гидрогенизированного кремния, при этом на одну сторону кремниевой подложки с нанесенными пассивирующими слоями нанесен слой полупроводника n-типа, а на противоположную сторону нанесен слой полупроводника p-типа, отличающаяся тем, что перед слоями пассивации на поверхность пластины кремния нанесен противоэпитаксиальный слой в виде аморфного гидрогенизированного германия или аморфного гидрогенизированного кремний-германия толщиной до 10 нм.

2. Структура гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя по п. 1, отличающаяся тем, что подложка может быть выполнена в виде кремниевой пластины n-типа.

3. Структура гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя по п. 1, отличающаяся тем, что подложка может быть выполнена в виде кремниевой пластины p-типа.