ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PHOTOELECTRIC CONVERTER (VERSIONS) AND METHOD OF MAKING SAID CONVERTER (VERSIONS)

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФП).
Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП в виде диодной структуры с р-n-переходом на всей рабочей поверхности, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне (книга Полупроводниковые фотопреобразователи./ Васильев A.M., Ландсман А.П. М.: Советское Радио, 1971 г.). Процесс изготовления ФП основан на диффузионном легировании рабочей поверхности фосфором, химическом осаждении никелевого контакта, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. Недостатком получаемых ФП является сравнительно большая глубина р-n-перехода и, как следствие, невысокое значение их КПД.
Известна конструкция и способ изготовления кремниевых ФП с мелкозалегающим р-n-переходом на большей части рабочей поверхности и глубоким р-n-переходом под металлическими контактами на рабочей поверхности (Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency// 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. - P.49-52). Процесс изготовления включает проведение следующих операций на рабочей поверхности: диффузионное легирование на глубину менее 0,5 мкм, термическое окисление, лазерное скрайбирование канавок, химическое травление кремния в канавках, диффузионное легирование поверхности канавок на глубину более 1 мкм и электрохимическое осаждение никеля и меди в канавки. Недостатком получаемых ФП является поглощение коротковолновой части падающего излучения легированным слоем, имеющим низкий коэффициент собирания носителей тока к р-n-переходу и, как следствие, недостаточно высокое КПД ФП.
th
Известна конструкция и способ изготовления ФП с пассивирующей антиотражающей (просветляющей) пленкой на фоточувствительной поверхности, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся, сильно легированных областей, образующих р-n-переходы и изотипные переходы (Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study ofSi point-contact concentrator solar cell// 19 IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. N.Y. 1987. - P. 1201-1208.). Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления с совмещением рисунка шаблона, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.
+
+
+
+
+
+
В качестве прототипа принята конструкция и способ изготовления ФП (патент РФ №2331 139) с двухсторонней фоточувствительной рабочей поверхностью с диодной n-р-p-структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане и не превышают 10% общей площади, а толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных скоммутированных контактами участков, совмещены в плане на рабочей и тыльной поверхности с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n-р (р-n)-переходами на рабочей поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области и на рабочей поверхности, свободной от n-р (р-n)-перехода, расположена пассивирующая антиотражающая пленка.
Недостатком прототипа является повышенные потери на сопротивлении металлических контактов, что снижает величину КПД, а также необходимость использования дорогостоящего кремния высокой степени чистоты, который имеет большую величину диффузионной длины неосновных носителей тока.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и снижение стоимости изготовления ФП.
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе, содержащем участки с n-р (р-n)-переходом, покрытые металлическими контактами, а на фоточувствительной поверхности базовую область р- или n-типа проводимости, с нанесенной пассивирующей просветляющей пленкой, n-р (р-n)-переход выполнен в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной 0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками 10-300 мкм содержат базовую область со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек, при этом расстояние между уровнями расположения n-р (р-n)-перехода и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм, а ширина микроучастков меньше промежутков по меньшей мере в 10 раз.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В варианте конструкции полупроводникового фотопреобразователя с двумя фоточувствительными сторонами, содержащем участки диодных структур с n-р (р-n)-переходом на одной стороне и изотипным р-p (n-n)-переходом на другой стороне, покрытых металлическими контактами, и базовую область р- или n-типа проводимости с нанесенной на ней пассивирующей просветляющей пленкой, n-р (р-n)-переход диодной структуры на одной стороне и изотипный р-p (n-n)-переход на противоположной стороне, выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков диодных структур шириной 0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками 10-300 мкм содержат базовую область со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек, при этом расстояние от уровня расположения n-р (р-n)-перехода и изотипного р-p (n-n)-перехода диодных структур до фоточувствительной поверхности не превышает 50 мкм, а ширина микроучастков меньше промежутков по меньшей мере в 10 раз.
+
+
+
+
Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из кремния, с металлическими контактами в качестве верхнего слоя из алюминия, меди или серебра толщиной свыше 0,5 мкм, а свободная от n-р (р-n)-переходов и изотипных p-p (n-n)-переходов фоточувствительная поверхность базовой области текстурирована и покрыта пассивирующей антиотражающей пленкой на основе нитрида кремния, легированной водородом.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из кремния с поликристаллической структурой с размерами зерен, превышающими ширину промежутков между микроучастками не менее 10 раз.
Еще большее снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что базовая область выполнена из пленки кремния толщиной 1-30 мкм.
Повышение КПД при использовании концентрированного солнечного излучения достигается тем, что базовая область выполнена в виде узкой полосы, ширина которой много меньше ее длины и микроучастки направлены поперек полосы.
Стабилизация высокого КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующая антиотражающая пленка содержит защитную прозрачную пленку толщиной более 0,1 мкм.
В способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем химическое травление и очистку поверхности базовой области, легирование разных сторон донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей антиотражающей пленки, легирование проводят на глубину более 0,2 мкм, наносят слой металлического контакта из алюминия, меди или серебра, формируют контактную сетку, в ячейках контактной сетки химическим путем травят поверхность до базовой области, наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом и наносят прозрачную защитную пленку, например, двуокись кремния.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что рисунок металлической контактной сетки формируют из пленки фоторезиста методом импринт-литографии.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом лазерного гравирования.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом механического фрезерования.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что металлическую контактную сетку формируют методом аэрозольной струйной печати металлосодержащей пасты толщиной свыше 1 мкм с последующим вжиганием контакта.
Дополнительное уменьшение вредных отходов при изготовлении полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что химическую обработку поверхности выполняют плазмохимическим путем.
Дополнительное увеличение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что при химической обработке поверхности базовой области выполняют текстурирование поверхности.
Дополнительное увеличение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующую пленку на основе окиси кремния или нитрида кремния создают атомно-слоевым осаждением.
В варианте способа изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающем химическое травление и очистку поверхности базовой области, легирование разных сторон донорной и акцепторной примесями, нанесение контактов в форме сетки и создание на поверхности базовой области пассивирующей антиотражающей пленки, пассивирующую антиотражающую пленку наносят на основе окиси кремния или нитрида кремния при температуре 350-850°С после химического травления и очистки поверхности базовой области, покрывают упомянутую пленку защитным слоем, создают в пленке и защитном слое окна в форме контактной сетки, легируют поверхность окон соответственно донорной и акцепторной примесями и всю поверхность окон покрывают металлическим контактом с верхним слоем из алюминия, меди или серебра.
Дополнительное увеличение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что пассивирующую антиотражающую пленку на основе окиси кремния или нитрида кремния создают атомно-слоевым осаждением.
Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что при химическом травлении выполняют текстурирование поверхности.
Дополнительное уменьшение вредных отходов при изготовлении полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что химическую обработку поверхности выполняют плазмохимическим путем.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что окна контактной сетки формируют из пленки фоторезиста методом импринт-литографии.
Дополнительное снижение себестоимости изготовления полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что окна контактной сетки формируют методом лазерного гравирования.
Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что легируют поверхность окон световой диффузией.
Дополнительное повышение КПД полупроводникового фотопреобразователя достигается тем, что легируют поверхность окон ионным легированием.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-6, где на фиг.1 и 3 в сечении показаны основные элементы конструкции двух вариантов ФП, имеющих одну фоточувствительную поверхность с изотипным переходом по всей тыльной поверхности; на фиг.2 и 4 представлены основные элементы конструкции двух вариантов ФП с фоточувствительной поверхностью на двух сторонах; на фиг.5 - фрагменты сечения фоточувствительной поверхности ФП из текстурированного кремния, на фиг.6 - вид фоточувствительной стороны ФП.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1
1
n
p
На фиг.1-6 ФП состоят из кристаллического полупроводника с базовой областью 1, n-р (р-n)-перехода 2, изотипного p-p (n-n)- перехода 3, металлических контактов 4 к p-n (n-р)-переходам 2 и металлического контакта 5 к изотипному n-n (р-р)-переходу 3. Металлические контакты 4 поверх n-р (р-n)-перехода 2 выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной l=0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками шириной L=10-300 мкм содержат базовую область 1 со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек, при этом расстояние h между уровнями расположения n-р (р-n)-перехода 2 и фоточувствительной поверхностью 6 не превышает 50 мкм. Суммарная величина L+h не превышает диффузионную длину неосновных носителей тока L или L в любом участке базовой области.
Низкая скорость поверхностной рекомбинации на фоточувствительной поверхности 6 достигается с помощью пассивирующей антиотражающей пленки 7 из окиси или нитрида кремния. Для стабилизации свойств поверхности базовой области 1 пленка 7 покрыта достаточно толстым (более 0,1 мкм) прозрачным слоем 8, например, из двуокиси кремния или кремнеорганики.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1
2
n
p
1
2
n
p
n
p
1
2
ФП на фиг.2 и 4 обладают фоточувствительными поверхностями на двух сторонах. Это достигается тем, что конфигурация и площадь контактов 4 и 5 совпадают в плане между собой и с конфигурацией и площадью участков с р-n (n-р)-переходами 2 и изотипным р-р(n-n)-переходом 3. Металлические контакты 4 и 5 поверх n-р (р-n)-переходов 2 и изотипных р-p (n-n)-переходов 3 выполнены в виде множества периодически повторяющихся микроучастков шириной l=0,1-30 мкм, промежутки между микроучастками шириной L=10-300 мкм содержат базовую область 1 со скоростью поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек. Низкая скорость поверхностной рекомбинации на фоточувствительной поверхности 6 достигается с помощью пассивирующей антиотражающей пленки 7 из окиси или нитрида кремния. При этом расстояние h и h от уровней расположения p-n (n-р)-перехода 2 и изотипного р-р (n-n)-перехода 3 до фоточувствительной поверхности 6 не превышает 50 мкм. Толщина базовой области 1 не превышает диффузионную длину электронов L в базовой области 1 р-типа или диффузионную длину дырок L в базовой области 1 р-типа, а суммы величин L+h и L+h не превышают диффузионную длину неосновных носителей тока L или L в любом участке базовой области. В случае снижения диффузионной длины неосновных носителей тока L или L в любом из объемов базовой области это сопровождается соответствующим уменьшением величин L, h, h и l.
ФП на фиг.5 отличается формированием на фоточувствительной поверхности 6 базовой области 7 текстуры, что повышает КПД ФП. Нанесенные пассивирущая антиотражающая пленка 7 и защитный слой 8 повторяют рельеф текстуры.
Для эффективной работы в условиях концентрированного светового излучения ФП на фиг.6 выполнен в виде узкой полосы, где микроучастки шириной 1 с промежутком L расположены поперек полосы.
Примеры изготовления ФП.
1
+
+
+
+
Пример 1. При изготовлении ФП, соответствующих фиг.1 и 2, используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния толщиной 200-300 мкм р- или n-типа проводимости с диффузионной длиной в любом месте базовой области не менее 200 мкм. Термической диффузией легируют обе стороны на глубину свыше 0,2 мкм для создания р-n-перехода и изотипного перехода на тыльной стороне и наносят на обе стороны сплошной слой контакта с верхним слоем из алюминия, меди или серебра толщиной более 0,5 мкм. С фточувствительной стороны с помощью приемов фотолитографии, а для размеров микроучастков ниже 1 мкм с применением импринт-литографии, избирательно стравливают слои контакта и легированного кремния, создавая множество чередующихся микроучастков шириной 5-10 мкм с промежутками размером 100-150 мкм. Плазмохимическим травлением создают текстурированную поверхность (см. фиг.5, область А). При этом суммарные глубины легирования и травления кремния таковы, что расстояние между уровнями расположения n-р (р-n)-перехода и изотипным р-р (n-n)-переходом (см. фиг.2) и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм. Для снижения скорости поверхностной рекомбинации ниже 100 см/сек на фоточувствительную поверхность наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например на основе нитрида кремния, легированного водородом, а сверху покрывают прозрачной защитной пленкой, например двуокись кремния или кремнеполимер. В результате получены ФП с КПД 19-20%.
+
+
+
+
Пример 2. При изготовлении ФП, соответствующих фиг.3 и 4, используются пластины из моно- или мультикристаллического кремния толщиной 200-300 мкм р- или n-типа проводимости с диффузионной длиной в любом месте базовой области не менее 200 мкм. Поверхность кремния травят для удаления механически нарушенного слоя и создания текстуры. С фточувствительной стороны с помощью активации плазменным разрядом и нагревания до температуры 350-850°С наносят пассивирующую антиотражающую пленку, например, на основе нитрида кремния, легированного водородом, а сверху покрывают прозрачной защитной пленкой, например фоторезистом, толщиной свыше 0,1 мкм. Лазерной гравировкой прорезают пленки на поверхности кремния и создают в кремнии множество чередующихся канавок (микроучастков) шириной 5-15 мкм с промежутками 100-150 мкм. Стенки канавок травят химически, очищают и легируют термической диффузией или ионным легированием на глубину свыше 0,2 мкм. Перед высокотемпературной обработкой удаляют пленку фоторезиста. При этом суммарные глубины лазерного гравирования, травления и легирования кремния таковы, что расстояние между уровнями расположения n-р (р-n)-перехода и изотипного р-р (n-n)-перехода (см. фиг.4) и фоточувствительной поверхностью не превышает 50 мкм. В результате получены ФП с КПД 19-20%.
В обоих примерах изготовления выход р-n-перехода на поверхность защищен пассивирующей просветляющей пленкой.
Пример 3. Для работы в условиях концентрированного светового излучения изготовлены ФП с увеличенной толщиной контактного слоя до 2-4 мкм в форме узкой полосы (см. фиг.6). В остальном процесс изготовления аналогичен примерам 1 и 2. В результате получены ФП с КПД 22-25% в условиях 20-кратной концентрации излучения света.
Пример 4. При использовании дешевого солнечного кремния с невысокой степенью чистоты получается мультикристаллический кремний с низким значением (менее 100 мкм) диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области. В этом случае размер микроучастков снижают до минимальной величины (менее 5 мкм, что много меньше размера кристаллических зерен в базовой области) и при их формировании используют технологию фотолитографии, в том числе импринт-литографии. Это обеспечивает получение ФП с КПД 15%.
Пример 5. При использовании в качестве базовой области тонких пленок эпитаксиального кремния толщиной менее 30 мкм на дешевой подложке, процесс изготовления соответствует примеру 4, но обязательно проводят текстурирование поверхности для повышения коэффициента поглощения света в базовой области. Это обеспечивает получение ФП с КПД более 15%.
Во всех примерах изготовления ФП ключевыми технологическими процессами являются легирование кремния для создания диодной структуры с достаточно высоким потенциальным барьером на р-n-переходе и пассивация поверхности базовой области на фоточувствительной поверхности. В этой связи предпочтение отдается известным методам термической диффузии, в том числе световой диффузии при ламповом нагреве, а также ионному легированию с последующим термическим отжигом. Улучшить пассивирующие свойства поверхности кремния можно с помощью известного процесса атомно-слоевого осаждения пленки.
При химическом травлении базовой области для снижения расхода химических реагентов и повышения избирательности процесса обработку поверхности кремния целесообразно вести методом плазмохимического травления.
0
0
Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, рассмотренные конструкции и технологии изготовления ФП позволяют создавать ФП с двухсторонней рабочей поверхностью, у которых фототек и КПД отличаются при освещении с каждой стороны не более чем на 20%, а также ФП, прозрачные для инфракрасной части спектра излучения, лежащей за краем λ собственного поглощения, λ≥1,11 мкм для кремния.
+
ФП работает следующим образом. Излучение попадает на одну или обе поверхности ФП, проникает в базовую область 1 и создает неравновесные пары носителей заряда: электроны и дырки. Генерированные избыточные неравновесные неосновные носители заряда ускоряются электрическим полем изотипного p-р-перехода 3 по направлению к р-n-переходу 2, разделяются в электрическом поле р-n-перехода 2 и через контактные участки 4 и 5 поступают в электрическую цепь (на фиг. не показана).
Достоинством предложенных конструкций и способов изготовления ФП является снижение себестоимости изготовления и достижение высокого КПД с высоким процентом выхода годных, в том числе из дешевого мультикристаллического кремния и пленок кремния.