Солнечный элемент Советский патент 1993 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым фотопреобразователям, и может быть использовано при изготовлении солнечных батарей для электропитания электронной аппаратуры различного назначения (электронных игр, электронных часов, микрокалькуляторов, радиоприемников).

Известен солнечный элемент, содержащий подложку кремния р-типа проводимости, слой (фронтальный) кремния п -типа проводимости, локальный омический контакт к высоколегированному фронтальному слою, просветляющее покрытие и контакт к базовому слою. При этом отсутствие высоколегированного полупроводникового слоя (слоя р+-типа проводимости) вблизи тыловой поверхности элемента снижает фото ЭДС при преобразовании излучений высокой интенсивности, что связано с увеличением рекомбинационного тока тылового контакта. Однако, зависимость фото ЭДС от освещенности остается значительной: при изменении освещенности от 100 люкс до 70000 люкс фото ЭДС изменяется от 200 до 580 мВ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа солнечный элемент, содержащий подложку кремния р- типа проводимости, слой кремния п+-типа проводимости (фронтальный слой), охранное кольцо вокруг фронтального слоя, расположенное на базовом слое и выполненное из слоя кремния р -типа проводимости, просветляющее и пассивирую- щее покрытия, локальные омические контакты к фронтальному слою кремния п VI

ю о о

СП

типа проводимости и расположенный на тыльной стороне элемента металлический электрод к базовому слою.

Введение в структуру слоя кремния р+- типа проводимости, расположенного на базовом слое вокруг фронтального слоя кремния п+-типа проводимости, уменьшает обратный ток p-n-перехода, что несколько снижает,.зависимость фото ЭДС от изменения уровня освещенности (за счет повышения фото ЭДС..п рй низкой освещенности), однако 1та; зависимость все еще остается значительнб йТп рй увеличении освещенности до 70 000 л к фото ЭДС достигает 560- 600 мВ.

Целью изобретения является снижение зависимости фото ЭДС солнечного элемента от уровня освещенности.

Указанная цель достигается тем, что в известном солнечном элементе, содержащем подложку кремния р-типа проводимости, слой кремния п+-типа проводимости (фронтальный слой), охранное кольцо вокруг слоя п -типа, выполненное из кремния р -типа проводимости, просветляющее покрытие, локальный омический контакт, размещенные на фронтальной поверхности подложки, и расположенный на тыльной поверхности подложки металлический электрод, между металлическим электродом и базовым слоем дополнительно размещен нарушенный слой кремния толщиной от 600 до 3000 нм, отделенный от металлического электрода слоем двуокиси кремния толщиной 2-5 нм.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Слой двуокиси кремния образует с нарушенным слоем кремния и металлическим электродом туннельный МДП-диод. Барьер на туннельный МДП-диоде, расположенном на тыльной стороне солнечного элемента, смещен в обратном направлении, когда п - р-переход смещен в прямом. Так как ток солнечного элемента определяется током насыщения МДП-диода, возникает фото ЭДС, имеющая обратную полярность относительно фото ЭДС на п+-р-переходе, При дальнейшем увеличении интенсивности светового потока фото ЭДС МДП-диода меняется сильнее, чем фото ЭДС фронтального п+-р-переходе, в результате фото ЭДС солнечного элемента снижается.

Изменение фото ЭДС МДП-диода при изменении интенсивности светового потока сильно зависит от толщины слоя двуокиси кремния. Допустимая минимальная толщина слоя двуокиси кремния составляет 2...5 нм. При толщине слоя меньше 2 нм фото ЭДС солнечного элемента на высоких урознях освещенности почти не снижается - зависимость фото ЭДС от изменения освещенности остается незначительной. Это связано с тем, что слой двуокиси кремния

тоньше 2 нм практически не мешает движению носителей между металлом и полупроводником (структура представляет собой барьер Шоттки). При увеличении толщины слоя двуокиси кремния свыше 5 нм снижается фото ЭДС во всем диапазоне освещенности и, соответственно, падает КПД солнечного элемента.

Нарушенный слой кремния, расположенный между слоем двуокиси кремния и

5 базовым слоем р-типа проводимости, увеличивает захват излучения, повышает эффективность работы МДП-диода за счет увеличения его активной площади. Минимально допустимая толщина нарушенного

0 слоя кремния составляет 600 нм. При толщине нарушенного слоя меньше 600 нм снижается эффективность работы МДП-диода из-за уменьшения захвата излучения и уменьшения эффективной площади МДП

5 диода. В результате при высоких уровнях освещенности фото ЭДС солнечного элемента снижается незначительно. При увеличении толщины нарушенного слоя кремния свыше 3000 нм фото ЭДС МДП-диода на

0 высоких уровнях освещенности резко возрастает, что ведет к резкому снижению фото ЭДС солнечного элемента на высоких уровнях освещенности. Изобретение иллюстрируется, фиг. 1, где изображен солнечный

5 элемент в разрезе.

Солнечный элемент содержит кремниевую подложку р-типа проводимости (базовый слой) 1, высоколегированный фронтальный слой кремния п -типа прово0 димости 2, слой кремния р+-типа проводимости 3, расположенный на базовом слое и окружающий слой кремния п+-типа со всех сторон, просветляющее покрытие А, пас- сивирующее покрытие 5, расположенное

5 на краях элемента, локальный омический контакт 6 к слою кремния п+-типа проводимости, являющийся отрицательным электродом солнечного элемента, расположенный на тыльной стороне солнечного эле0 мента нарушенный слой кремния 7 толщиной ют 600 до 3000 нм, слой двуокиси кремния 8 толщиной от 2 до 5 нм и металлический электрод 9, который является положительным электродом солнечного

5 элемента.

Солнечный элемент работает следующим образом.

При освещении солнечного элемента со стороны слоя п+-типа проводимости 2, из-за поглощения света в p-n-переходе и области

полупроводника, прилегающего к р-п-пере- ходу, происходит генерация новых носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в p-n-переходе, производит разделение неравновесных носите- лей. Другими словами, с точки зрения энергетической диаграммы р-п-перехода, неравновесные электроны скатываются с потенциального барьера и попадают в п+- слой, а дырки - в р-слой (базовый слой) 1. В результате происходит накопление электронов в п+-слое и дырок в р-слое. Протекающий ток выводится с помощью электронов 6 и 9. При достижении фото ЭДС 0,4 В барьер на контакте металл-диэлектрик-полупро- водник, расположенный на тыльной стороне солнечного элемента, оказывается смещенным в обратном направлении, когда п+-р-переходе смещен в прямом. На переходе металл-диэлектрик-полулроводник воз- никает фото ЭДС, имеющая обратную полярность относительно фото ЭДС на п+-р- пёреходе. Эта фото ЭДС возрастает с увеличением интенсивности излучения сильнее, чем фото ЭДС фронтального п+-р-перехода, в результате фото ЭДС солнечного элемента снижается.

В предложенных солнечных элементах зависимость фото ЭДС от уровня освещенности в 5-8 раз меньше, чем у солнечного элемента-прототипа. При выходе за оптимальные значения толщин двуокиси кремния и нарушенного слоя кремния зависимость фотоЭДС от уровня освещенности увеличивается.

Пример. Изготовление солнечного элемента. Тыльную сторону кремниевой подложки типа КДБ-10 толщиной 300 ... 450 мкм шлифуют абразивной суспензией КЭМ- 7. В результате получаем нарушенный слой кремния толщиной 1000 ... 1500 нм.

На лицевой стороне кремниевой подложки формируют фронтальный слой кремния гЛ-типа проводимости и просветляющее покрытие. Для этого на лицевую сторону подложки наносят фосфоросодер- жащую композицию КФК-50-7Т (М), проводят термообработку подложки в диффузионной печи при температуре 350°С в течение 300 мин. в атмосфере кислорода при расходе газов 150 л/ч. Получили слой кремния п -типа проводимости глубиной от 0,4 до 0,6 мкм и просветляющее покрытие толщиной 0,1 мкм.

Для снижения токов утечки по перимет- ру солнечного элемента формируют р -слой. Для этого на поверхность подложки с сформированным п -слоем наносят позитивный фоторезист РН-7, сушат при 110 ± 5°С, экспонируют фоторезист с помощью УФ-излучения через фотошаблон, промывают в 0,7- 1,0 % водном растворе гидроокиси калия промывают подложку в каскадной ванне с деионизованной ванне с деионизованной водой, сушат на центрифуге в течение 2-3 мин., термообрабатывают фоторезист при 140 ± 10°С в течение 25-35 мин. В результате вышеперечисленных операций на поверхности подложки получили защитную фоторезистовую массу, в которой по контуру солнечного элемента имеется незакрытая фоторезистом замкнутая полоска шириной 200 мкм, с которой стравливают просветляющее покрытие и п+-слой. Травление просветляющего покрытия (фосфорно силикатного стекла) проводят BNH4F: H20: HF (3:6:1,25) в течение 45 ±5 сек. Травление п+-слоя проводят в НМОз : HF : H20 (19:1:8) в течение 40 с. Глубина вытравленную кольцевую канавку проводят имплантацию бора - получают р -слой. Для ионной имплантации бора используют ион- но-лучевую установку Везувий-6. Для стабилизации времени жизни неосновных носителей заряда и выращивания окисла на р+-слоя проводят термообработку подложки в атмосфере кислорода при 650 ± 1°С в течение 15 мин., затем при 850 ± 1°С в течение 40-60 мин.

После получения кольцевого р+-слоя с помощью фотолитографических приемов вскрывают окна под контакты к п+-слою. Вскрытие окон проводят следующим образом..

На лицевую поверхность подложки наносят позитивный фоторезист РН-7, сушат при 110°С, экспонируют фоторезист с помощью источника УФ-излучения через фотошаблон, проявляют в 0,7-1,0% растворе гидроокиси калия водного, промывают подложку в каскадной ванне с деионизованной водой, сушат на центрифуге, дубят фоторезист при 140°С в течение 25-30 мин. Получили защитную фоторезистовую маску, в которой имеются незакрытые фоторезистом окна под контакты к п -слою кремния. Затем проводят травление просветляющего покрытия на участках, не защищенных фоторезистом. Травление проводят в буферном травителе состава: : H20 : HF (3:6:1,25) в течение 45 с.

После промывки подложки в деионизованной воде снимают фоторезист в нагретом до 65-75°С щелочно-перекисном растворе, вновь промывают подложку в деионизованной воде и сушат на центрифуге.

Затем на тыльной стороне подложки (базовом слое) выращивают тонкий окисел.

Для этого проводят термообработку подложки в диффузионной печи в потоке кислорода при температуре 550°С в течение . 45-60 мин. Образовавшийся окисел в окнах под контакты к п+-слою снимают в буферном травителе, предварительно защитив просветляющее покрытие фоторезистовой маской. После снятия фоторезиста к фронтальному высоколегированному слою п -типа проводимости формируют контак- ты. Для улучшения адгезии в качестве материала контактов используют сплав никеля с алюминием следующего состава: 20-35 мас.% алюминия, остальное - никель. С целью обеспечения пайки контактов сверху наносят никель с небольшим содержанием алюминия (2-6 мас.%). Контакты наносят термическим испарением в вакууме.

Затем на лицевую сторону подложки наносят фоторезист РН-7, который экс- понируют УФ-излучением через фотошаблон, проявляют фоторезист и дубят при 120 ± Ю°С в течение 20-30 мин. Получили фоторезистовую маску, в которой кон- такты закрыты задубленным слоем фоторезиста. После этого проводят травление слоев алюминий никелевого сплава. Травление ведут в смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 2:1 соответственно в течение 1-2 мин, фоторезистовую маску удаляют в диметил- формамиде, промывают подложку в деиони- зованной воде и сушат на центрифуге. Получили локальные двуслойные металлизированные контакты к п+-слою кремния.

После формирования контактов к фронтальному слою на слой двуокиси кремния, расположенный на тыльной стороне подложки, наносят сплошной металлический электрод. Для этого подложку помещают в вакуумную камеру установки типа Оратория-9, наносят слой алюминия толщиной 100 нм, затем наносят слой алюминий никелевого сплава с содержанием алюминия в сплаве от 2 до 6 мас.% толщиной 200-300 нм по режимам, приведенным для нанесения контактов к фронтальному слою.

С целью снижения последовательного сопротивления контактов и возможности присоединения выводов пайкой на контакты (электроды) наносят слой оловосодержащего припоя.

Использование: изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым фотопреобразователям. Сущность: солнечный элемент содержит подложку из кремния р-типа проводимости, слой кремния п+-типа проводимости, охранное кольцо вокруг слоя, выполненное из кремния р+-типа проводимости, просветляющее покрытие, локальный омический контакт к слою кремния п -типа проводимости, размещенные на фронтальной поверхности подложки, и расположенный на тыльной поверхности подложки металлический электрод на тыльной поверхности подложки дополнительно размещен нарушенный слой кремния толщиной 600-3000 мм, отделенный от металлического электрода слоем двуокиси кремния толщиной 2-5 мм. 1 п.ф., 1 ил. ел С

Формулаизобретения30

Солнечный элемент, содержащий подложку кремния р-типа проводимости, слой кремния п+-типа проводимости, охранное кольцо вокруг слоя п -типа, выполненное из 35 кремния р -типа проводимости, просветляющее покрытие, локальный омический контакт, размещенные на фронтальной поверхности подложки, и расположенный

на тыльной поверхности подложки металлический электрод, отличающийся тем, что, с целью снижения зависимости фото- ЭДС солнечного элемента от изменения уровня освещенности, на тыльной поверхности подложки дополнительно размещен нарушенный слой кремния толщиной 600- 3000 нм, отделенный от металлического электрода слоем двуокиси кремния толщиной 2-5 нм.