СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЯЧЕЙКИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2024 года по МПК H01L31/236 

Изобретение относится к лазерной физике и оптоэлектронике и может быть использовано для формирования ячейки солнечной батареи из монокристаллического кремния, сверхлегированного примесями.

Известен способ формирования ячейки солнечной батареи, включающий получение пластины монокристаллического кремния р-типа, текстурирование обеих ее поверхностей и формирование на них токопроводящих контактов (см., в частности, С.Wen, Y.J. Yang, Y.J. Ma et al. Sulfur-hyperdoped silicon nanocrystalline layer prepared on polycrystalline silicon solar cell substrate by thin film deposition and nanosecond-pulsed laser irradiation, Applied Surface Science 476 (2019), pp. 49-60 [1]). В известном способе текстурирование задней (относительно падения солнечных лучей) поверхности пластины осуществляют одновременно со сверхлегированием кремния серой, а затем покрывают заднюю поверхность пластины алюминиевой пастой.

Недостаток известного способа состоит в том, что рабочий диапазон сформированной им ячейки ограничен 1,1 мкм, что снижает ее эффективность, т.к. длина волны солнечного излучения достигает 2,5 мкм.

Известный из [1] способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании способа формирования ячейки солнечной батареи из монокристаллического кремния, обладающей повышенной эффективностью в широком диапазоне длин волн.

При этом достигается технический результат, заключающийся в возможности формирования ячейки солнечной батареи из монокристаллического кремния с высокой поглощательной способностью в диапазоне всего солнечного спектра (250-2500 нм) при одновременном упрощении технологического процесса ее формирования и сокращения его продолжительности.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа формирования ячейки солнечной батареи, в котором получают пластину монокристаллического кремния р-типа и осуществляют текстурирование обеих ее поверхностей и формирование на них токопроводящих контактов. Текстурирование осуществляют химическим травлением в 2%-ном растворе гидроксида калия при температуре 80°С в течение 25 минут. Затем на одну из поверхностей упомянутой пластины в инертной атмосфере наносят алюминий с образованием слоя толщиной 5 нм, после чего подвергают его воздействию пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 8 Дж/см², а противоположную поверхность упомянутой пластины подвергают отжигу в результате воздействия на нее пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 2,2 Дж/см² в инертной атмосфере с образованием области n-типа.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение ячейки солнечной батареи, полученной заявленным способом.

На фиг. 2 представлена зависимость поглощательной способности ячеек солнечных батарей, сформированных различными способами, от длины волны (1 - пластина монокристаллического кремния р-типа без текстурирования, 2 - пластина монокристаллического кремния р-типа с текстурированием ее поверхностей без лазерной обработки, 3 - пластина монокристаллического кремния р-типа, обработанная, согласно заявленному способу).

Заявленный способ реализуют посредством выполнения следующей последовательности действий (см. фиг. 1).

1. Получают пластину монокристаллического кремния р-типа (1) (см. ГОСТ 19658-81 [2]).

2. Осуществляют текстурирование обеих поверхностей пластины (1) химическим травлением в 2%-ном растворе гидроксида калия (KOH) при температуре 80°С в течение 25 минут. В результате травления по всей площади поверхностей образуются пирамидальные структуры (2) и (3).

3. Наносят на одну из поверхностей пластины (1) (в рабочем положении ячейки она является задней относительно падения солнечных лучей) в инертной атмосфере (любой инертный газ или смесь инертных газов) алюминий с образованием слоя (4) толщиной 5 нм, после чего подвергают его воздействию пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 8 Дж/см².

4. Противоположную поверхность пластины (1) подвергают отжигу в результате воздействия на нее пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 2,2 Дж/см² в инертной атмосфере (любой инертный газ или смесь инертных газов) с образованием области n-типа.

5. Формируют (типовым способом, раскрытым, например, в A.S. Abramov, D.A. Andronikov, S.N. Abolmasov, E.I. Terukov. Silicon Heterojunction Technology: A Key to High Efficiency Solar Cells at Low Cost, High-Efficient Low-Cost Photovoltaics, pp.113-132 [3]) на обоих поверхностях пластины (1) токопроводящие контакты (5) и (6).

Возможность реализации заявленного способа подтверждена следующим экспериментом, принятым в качестве примера.

Использовалась пластина монокристаллического кремния (бор-легированного), выращенная методом Чохральского. Пластина имела кристаллографическую ориентацию <100>, удельное сопротивление составляло 1-3 Ом⋅см, толщина - 120 мкм, размеры - 157×157 мм².

Дальнейшая обработка пластины осуществлялась следующим образом.

Сначала осуществлялось химическое травление обеих поверхностей пластины в 2%-ном растворе KOH при температуре 80°С в течение 25 минут. Затем на одну из поверхностей пластины наносился алюминий с образованием пленки толщиной 5 нм с помощью установки магнетронного распыления в инертной атмосфере (аргон).

После этого данная поверхность подвергалась воздействию пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и мощностью 0,1 мДж, сфокусированного на поверхности пластины в пятно с радиусом ≈20 мкм, что соответствовало пиковой плотности мощности лазера 8 Дж/см².

Противоположная поверхность пластины подвергалась лазерному отжигу в инертной атмосфере (аргон) в результате воздействия на нее пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 2,2 Дж/см². Пучок лазерного излучения фокусировался на поверхности пластины в пятно с радиусом ≈0,5 мм, что соответствовало пиковой плотности мощности лазера 2,2 Дж/см².

В обоих случаях использовался волоконный наносекундный лазер на основе иттербия HTF Mark, разработанный ОКБ «Булат» (Москва, Россия). Лазер имел центральную длину волны λ=1064 нм, максимальную энергию в импульсе E_max до 1 мДж. Частота следования импульсов равнялась 20-80 кГц.

Заявленный способ обеспечивает возможность создания ячейки солнечной батареи, обладающей повышенной эффективностью как следствие возрастания поглощательной способности такой ячейки в широком диапазоне солнечного спектра (250-2500 нм) (см. фиг. 2).

Изобретение относится к лазерной физике и оптоэлектронике и служит для формирования ячейки солнечной батареи из монокристаллического кремния, сверхлегированного примесями. Технический результат - обеспечение высокой поглощательной способности в диапазоне всего солнечного спектра (250-2500 нм). Результат достигается тем, что предложен способ формирования ячейки солнечной батареи, включающий получение пластины монокристаллического кремния р-типа, текстурирование обеих ее поверхностей и формирование на них токопроводящих контактов, отличающийся тем, что текстурирование осуществляют химическим травлением в 2%-ном растворе гидроксида калия при температуре 80°С в течение 25 минут, а затем на заднюю поверхность упомянутой пластины в инертной атмосфере наносят алюминий с образованием слоя толщиной 5 нм, после чего подвергают его воздействию пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 8 Дж/см², а переднюю поверхность упомянутой пластины подвергают отжигу в результате воздействия на нее пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 2,2 Дж/см² в инертной атмосфере с образованием области n-типа. 2 ил.

Способ формирования ячейки солнечной батареи, включающий получение пластины монокристаллического кремния р-типа, текстурирование обеих ее поверхностей и формирование на них токопроводящих контактов, отличающийся тем, что текстурирование осуществляют химическим травлением в 2%-ном растворе гидроксида калия при температуре 80°С в течение 25 минут, а затем на заднюю поверхность упомянутой пластины в инертной атмосфере наносят алюминий с образованием слоя толщиной 5 нм, после чего подвергают его воздействию пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 8 Дж/см², а переднюю поверхность упомянутой пластины подвергают отжигу в результате воздействия на нее пучка лазерного излучения с длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 2,2 Дж/см² в инертной атмосфере с образованием области n-типа.