ФОТОЭЛЕМЕНТ
PHOTOCELL

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве фотоэлементов и солнечных батарей.
В последние годы в мире все более возрастает интерес к развитию и использованию альтернативной энергетики, в том числе солнечной. Это связано как с экономическими, так и экологическими аспектами. Солнечная энергетика является одной из самых перспективных ввиду общедоступности источника энергии (Солнца) и экологичности. Однако в настоящее время ее развитие сдерживается относительно высокой стоимостью производства энергии по сравнению с другими видами (атомная, тепловая и т.д.). Это обусловлено как относительно большими затратами на изготовление фотоэлектрических элементов, так и относительно низкой их эффективностью (КПД). Поэтому вопросы удешевления изготовления и увеличения КПД фотоэлектрических (солнечных) элементов являются ключевыми в развитии гелиоэнергетики.
Кремний является одним из наиболее используемых материалов для производства фотоэлементов в силу распространенности в природе, стабильности, отсутствия токсичности, относительной дешевизне и других свойств, при высоких показателях КПД по сравнению с другими материалами, используемыми для изготовления солнечных элементов.
Так как кремний является непрямозонным полупроводником, то поглощение им кванта света hν с переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости затруднено. Например, для энергии квантов света hν=1.5 эВ, ослабление излучения за счет поглощения в объемном кремнии в е раз происходит на толщине 10 мкм, в то время как в прямозонном арсениде галлия GaAs - на толщине 1 мкм [1]. Соответственно, для увеличения поглощения света однородным слоем кремния необходимо увеличивать его объем, что негативно сказывается на стоимости и эффективности кремниевого солнечного элемента.
Известны способы снижения расхода кремния, основанные на использовании монокристаллических частиц. В частности, известен фотоэлемент, состоящий из монослоя сферических частиц, внутреннее ядро которых выполнено с одним типом проводимости, в то время как внешняя тонкая оболочка выполнена с обратным типом проводимости, содержащий токосъемные контакты и диэлектрик, расположенный между контактами (аналог) [2]. Недостатком данного фотоэлемента является большой расход кремния из-за относительно большого размера частиц кремния (диаметр 650-850 мкм).
Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является фотоэлемент, состоящий из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости, содержащий токосъемные контакты и изолятор, расположенный между контактами. При этом изолирующий слой выбирают из оптически прозрачного диэлектрика, содержащего металлические частицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего электромагнитного излучения (прототип) [3].
Недостатком такого фотоэлемента является использование кремниевых частиц с диаметром порядка длины свободного пробега электрона в кремнии (50 мкм), и металлических частиц, внедренных в диэлектрический слой между контактами, что повышает стоимость и сложность изготовления фотоэлемента.
При поглощении электромагнитного излучения в полупроводнике возникает электродвижущая сила (фото-ЭДС), обусловленная пространственным разделением электрическим полем p-n перехода генерируемых излучением носителей заряда. Известно, что разделению подвергаются только те носители, которые генерируются в области пространственного заряда и прилегающих к ней областях, размеры которых примерно равны диффузионной длине для неосновных носителей [4]. Диффузионная длина электронов для большинства полупроводников как правило не превышает 1-5 мкм. Поэтому использование частиц кремния с размерами порядка длины свободного пробега электрона 50 мкм является неэффективным и приводит к увеличенному расходу полупроводникового материала.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании фотоэлемента на основе монокристаллических частиц кремния для преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию с увеличенной эффективностью преобразования, уменьшенными размерами частиц кремния, без использования металлических частиц.
Технические результаты, достигаемые при реализации заявляемого изобретения, заключаются в снижении размеров сферических полупроводниковых частиц до величины порядка диффузионной длины электронов в полупроводниковом материале 1-5 мкм, использовании нескольких монослоев таких частиц вместо одного; снижении затрат на изготовление - за счет снижения расхода полупроводникового материала. Кроме того, в заявляемом изобретении не используются частицы металла.
Указанные преимущества позволяют снизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии с помощью фотоэлементов за счет снижения стоимости ватта установленной мощности.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что фотоэлемент, состоящий из множества сферических частиц кремния, одна часть которых выполнена с одним типом проводимости, другая часть выполнена с обратным типом проводимости, содержащий прозрачные токосъемные электроды, диэлектрик, расположенный между ними и зонами проводимости и тыльный металлический электрод, выполнен из двух и более монослоев сферических частиц кремния с размерами порядка диффузионной длины электронов 1-5 мкм, расположенных друг над другом, покрытых прозрачными токосъемными электродами. Оптимальным с точки зрения расхода материала и эффективности поглощения на единицу площади поверхности представляется создание трехмонослойного фотоэлемента.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами, где:
на фиг.1 схематически показан предлагаемый фотоэлемент без межслойных прозрачных диэлектрических слоев (вариант 1);
на фиг.2 схематически показан предлагаемый фотоэлемент с межслойными прозрачными диэлектрическими слоями (вариант 2);
на фиг.3 схематически показана отдельная сферическая полупроводниковая частица, внедренная в прозрачный диэлектрик и покрытая прозрачными токосъемными электродами.
Основные компоненты фотоэлемента: 1 - прозрачный токосъемный электрод; 2 - межзонный прозрачный диэлектрический слой, разделяющий зоны проводимости частиц в монослое; 3 - тыльный электрод; 4 - межслойный прозрачный диэлектрический слой, разделяющий соседние монослои частиц; штриховыми линиями обозначены p-n переходы.
Указанный фотоэлемент работает следующим образом: часть электромагнитного излучения, падающего на фотоэлемент, поглощается верхним монослоем полупроводниковых сферических частиц, а часть проходит далее, где частично поглощается следующими монослоями. В результате большая часть падающего на фотоэлемент излучения поглощается полупроводниковыми частицами. Увеличение эффективности преобразования излучения в электрическую энергию (КПД) достигается как за счет более эффективного использования падающего потока излучения несколькими монослоями частиц по сравнению с одним слоем, так и за счет размеров частиц, сопоставимых с диффузионной длиной носителей заряда в полупроводнике. Таким образом, диаметр частиц уменьшен до 1-5 мкм. Тыльный металлический электрод служит как для отвода сгенерированных зарядов, так и для отражения излучения обратно в фотоактивные слои фотоэлемента.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент в разных монослоях содержит кремниевые частицы разного диаметра для обеспечения лучшего поглощения излучения по спектру.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент может содержать частицы другого полупроводникового материала.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент может содержать антиотражающий слой на лицевой поверхности.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, фотоэлемент может не иметь сплошного металлического тыльного электрода - для создания частично прозрачных тонкопленочных солнечных элементов.
Изготовление фотоэлемента в соответствии с вариантом 1.
Сначала формируют первый (нижний) монослой частиц кремния. Сферы p-проводимости помещают в прозрачный диэлектрик, например методом прессования. На выступающих верхушках формируют n-слой, например методом ионной имплантации. Полученный слой n-типа покрывают прозрачным электродом. Нижний слой диэлектрика стравливают до появления частиц, после чего помещают на металлическую фольгу (тыльный электрод). Через фольгу может быть пропущен электрический ток, чтобы приварить частицы кремния к фольге методом контактной сварки. В случае изготовления фотоэлемента без тыльного металлического электрода частицы помещают на прозрачный электрод, который покрывают снизу слоем диэлектрика. Далее формируют второй монослой кремниевых частиц. На верхнем прозрачном электроде, покрывающем первый монослой частиц кремния, располагают второй монослой сфер n-проводимости, внедренных в прозрачный диэлектрик, на верхушках которых сформирован p-слой, который покрывают следующим прозрачным электродом. Процедура, описанная для второго монослоя частиц, повторяется до окончательной сборки многослойного фотоэлемента с учетом чередования типа проводимости сфер в монослоях. На последний (верхний) слой наносится прозрачный диэлектрик, на который может быть нанесено антиотражающее покрытие.
Изготовление фотоэлемента в соответствии с вариантом II. Сначала формируют первый (нижний) монослой частиц кремния. Сферы p-проводимости помещают в прозрачный диэлектрик, например методом прессования. На выступающих верхушках формируют n-слой, например методом ионной имплантации. Полученный слой n-типа покрывают прозрачным электродом. Нижний слой диэлектрика стравливают до появления частиц, после чего помещают на металлическую фольгу (тыльный электрод). Через, фольгу может быть пропущен электрический ток, чтобы приварить частицы кремния к фольге методом контактной сварки. В случае изготовления фотоэлемента без тыльного металлического электрода частицы помещают на прозрачный электрод, который покрывают снизу слоем диэлектрика. Далее формируют второй монослой кремниевых частиц. На верхний прозрачный электрод, покрывающий первый монослой частиц, наносят слой диэлектрика, на который снова наносят прозрачный электрод для второго монослоя частиц. На этом электроде располагают второй монослой частиц, внедренных в прозрачный диэлектрик, который покрывают следующим прозрачным электродом. Процедура, описанная для второго монослоя частиц, повторяется до окончательной сборки многослойного фотоэлемента. На последний (верхний) слой наносится прозрачный диэлектрик, на который может быть нанесено антиотражающее покрытие.
Источники информации, принятые во внимание:
1. В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989, с.16.
2. Патент US 3998659, публ. 21.12.1976.
3. Патент RU 2390881, публ. 27.05.2010.
4. В.Ф. Гременок, М.С. Тиванов, В.Б. Залесский. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов. - Мн., Изд. Центр БГУ, 2007, с.46.