ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к области полупроводниковой фотоэлектроэнергетики, конкретно к области прямого преобразования энергии света в электроэнергию, к гелиоэнергетике, к возобновляемым источникам энергии.
Перспективным направлением в области разработки фотопреобразователей (ФП), или солнечных элементов, является создание вертикальных многопереходных (ВМП) ФП, в которых отдельные кристаллы монокристаллического кремния с плоскими диффузионными p-n-переходами располагаются стопой последовательно один над другим, образуя плоскую светоприемную поверхность с чередующимися p- и n-областями (Патент РФ №2127009, кл. H01L 31/18 [1]). Светоприемная поверхность ВМП ФП, как и традиционных ФП (горизонтальных), не должна содержать нарушенного слоя. Это достигается полировкой или/и химическим травлением.
При поглощении полупроводником энергии света происходит генерация электронно-дырочных пар - неравновесных носителей заряда (ННЗ). Солнечный свет поглощается полированным кремнием на глубине до 5 мкм. Дальнейшее распространение генерируемых светом ННЗ вглубь полупроводника происходит за счет диффузии. Плотность диффузионного потока ННЗ равна D*dn/dx, где D - коэффициент диффузии, n - концентрация ННЗ. При этом во времени концентрация ННЗ уменьшается вследствие их рекомбинации с характеристическим временем τ (время жизни ННЗ). Коэффициент диффузии пропорционален подвижности носителей µ.
18
-3
16
-3
Принципиальным преимуществом ВМП ФП перед традиционными, в которых свет поглощается поверхностью сильнолегированной области, являются существенно большие значения τ и µ, которые растут с уменьшением степени легирования полупроводников N. В ВМП ФП свет направлен, в частности, на слаболегированную n-базу и слаболегированную область диффузионного p-слоя. При изменении N от 10 см до 10 см подвижность электронов возрастает в 10 раз, дырок - примерно в 5 раз (С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. - М., «Мир», 1984 г., т.1, стр.34 [2]). Значения τ в случае ВМП ФП могут быть выше на 1…2 порядка, что позволяет значительно большему количеству носителей доходить до p-n-переходов. Высокие значения τ и µ - это факторы существенного повышения эффективности ФП (к.п.д.).
Реальная глубина распространения неравновесных носителей перпендикулярно поверхности в ВМП ФП составляет несколько сотен мкм.
отр
Известна конструкция ВМП ФП [1] с плоской светоприемной поверхностью. Недостатком такой конструкции является то, что рабочая (приповерхностная) область кремния невелика. Недостатком является также высокий процент отражения солнечного света. Для сред воздух - полированный кремний в диапазоне углов падения от примерно 10° до 90° коэффициент отражения к для видимого света составляет порядка 33%, для ульрафиолетового излучения (УФИ) - свыше 60% (http://www.Dpva.info/Guide/Guide Physics [3]). Просветляющие (антиотражающие) покрытия для полного солнечного спектра должны быть многослойными, что представляет дополнительную сложность при изготовлении и повышает стоимость ФП.
В ВМП ФП с «текстурированной», т.е. рельефной поверхностью может быть существенно увеличена область генерирования ННЗ.
Важным также является то, что увеличение площади светоприемной поверхности за счет рельефа приводит к увеличению значений µ и τ, особенно при высокой интенсивности облучения, соответствующей высоким значениям концентрации ННЗ n. Подвижность носителей µ снижается с повышением их концентрации из-за рассеяния носителей на носителях. При повышении n существенно снижается и значение τ из-за возрастания вклада в рекомбинационный процесс Оже-рекомбинации (зона - зона) (С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М., «Мир», 1984 г., т.1, стр.153-154 [4]).
Таким образом, снижение за счет рельефа поверхностной плотности данного светового потока для данного образца и, соответственно, снижение концентрации генерируемых носителей существенно повышают к.п.д. ФП.
Наиболее близкой к предлагаемому решению является конструкция ВМП ФП (Патент США №2010/0037943, кл. H01L 31/0236 [5]), где рельеф светоприемной поверхности выполнен в виде повторяющихся продольных углублений, при этом существенно то, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания p-n-элементов последовательно один над другим в стопу. Конкретно в [5] патентуется профиль рельефа V формы (повторяющихся равносторонних треугольных зубцов, могут быть в закругленном виде) (Фиг.1).
Обозначим К коэффициент, показывающий, во сколько раз площадь светоприемной поверхности углубления больше соответствующей плоской поверхности. Очевидно, что в [5] К=1/cosα, где α - угол между стенкой углубления и виртуальной плоской поверхностью (без рельефа).
Однако профиль рельефа [5] не во всех случаях является оптимальным. Проведем рассмотрение конструкции [5] (Фиг.1).
При α=45° падающий поток видимого света, поглощаемый каждой боковой стороной углубления на 67%, отражается горизонтально на противоположную сторону с поглощением 33%*67%=22,11% энергии и затем выходит в окружающую среду. Таким образом, здесь за счет 2-х падений поглощается 67%+22,11%=89,11% видимого света.
отр
Для УФИ примем к=60%. Таким же образом получим, что поглощается 40%+60%*40%=64% УФИ.
Угол выступающих зубцов рельефа β (Фиг.1) здесь составляет 90°. Значение K=1/cos45°≈1,4.
Если α=60°, поток света полностью проходит 3 падения (Фиг.1). Видимый свет при третьем падении дополнительно поглощается еще на (100-89,11)%*67%≈7,3%. Всего поглощается 96,41% видимого света.
Для УФИ поглощается всего 64%+(100-64)%*40%=78,4%.
Угол β составляет 60°. Значение К=2.
При дальнейшем увеличении угла α угол β становится меньше, и механическая прочность зубцов значительно снижается. В [5] примеры приводятся только для α=45° и 60°.
Таким образом, рельеф [5] не обеспечивает достаточно высокого процента поглощения света в углублениях рельефа, особенно в УФ диапазоне.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение процента поглощения света в углублениях рельефа и увеличение к.п.д. ВМП ФП в целом.
Поставленная цель достигается тем, что в ВМП ФП, состоящем из кристаллов монокристаллического кремния с плоскими диффузионными p-n-переходами (p-n-кристаллов), расположенных стопой последовательно один над другим с образованием светоприемной поверхности с чередующимися p-n n-областями, имеющем рельеф светоприемной поверхности в виде повторяющихся продольных углублений, расположенных так, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания p-n-кристаллов, углубления имеют параллельные боковые стороны. Профиль углублений может иметь вид незамкнутого параллелограмма, в котором линия, соответствующая дну углубления, параллельна линии L, отображающей виртуальную плоскую светоприемную поверхность (без углублений). При этом одна диагональ параллелограмма может быть перпендикулярна линии L.
Отличительными признаками предлагаемого решения являются параллельность боковых сторон углублений, возможная при этом форма углублений в виде незамкнутого параллелограмма с возможной перпендикулярностью одной из диагоналей параллелограмма линии L, отображающей виртуальную плоскую светоприемную поверхность.
Известных решений с указанными признаками не обнаружено.
Сущность изобретения поясняется на чертежах.
На фиг.1 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по прототипу.
На фиг.2 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по предлагаемому изобретению.
На фиг.3 показан профиль углублений и путь светового потока для α=75° по предлагаемому изобретению.
Из фиг.1 и 2 ясно, что значения К при равных углах α одинаковы для предлагаемого решения и для прототипа.
Значительным отличием предлагаемого профиля углублений является количество падений полного светового потока N=5 (Фиг.2) как при α=45°, так и при α=60°, что соответствует поглощению 99,6% видимого света и 92,22% УФИ (числа получаются из продолжения вышеприведенного вычисления процентов поглощения).
Действительно, по предлагаемому решению при α=45° (Фиг.2) световой поток, падая на боковую сторону углубления, отражается под углом 45° горизонтально и полностью падает на противоположную боковую сторону под углом 45° к ней (второе падение). Здесь отражение происходит в вертикальном направлении, и свет падает на дно углубления под углом 90° (третье падение). Падение света под углом 90° означает затем повторение светом пути в обратном направлении: четвертое падение на боковую сторону и пятое на область первого падения с отражением в окружающую среду.
Для профиля по предлагаемому решению при α=60° (Фиг.2) видно, что световой поток, падая на боковую сторону под углом 30° и отражась под этим же углом, частью падает на дно углубления (сплошные линии), и частью - на половину противоположной стороны (пунктирные линии). Видно, что в обоих случаях третье падение светового потока происходит под углом 90°, что возвращает свет в обратном направлении к четвертому и пятому падениям.
Рассмотренные выше профили углублений по предлагаемому решению можно назвать «ловушками для света». По эффективности их можно сравнивать с просветляющими покрытиями.
Полученные данные сведены в таблицу.
α=45°
α=60°
N
% поглощения света
N
% поглощения света
Видимый спектр
УФИ
Видимый спектр
УФИ
По прототипу
2
89,11
64
3
96,41
78,4
По предлагаемому решению
5
99,6
92,22
5
99,6
92,22
При высокой плотности излучения, как указывалось выше, резко падают подвижность носителей µ и их время жизни τ. Уменьшить снижение к.п.д. ФП при повышении интенсивности излучения можно только путем повышения площади светоприемной поверхности.
На Фиг.3 показан предлагаемый профиль рельефа при α=75°, где светоприемная поверхность в области углублений увеличена почти в 4 раза (К=3,86), количество падений полного светового потока N=5. Проценты поглощения энергии видимого света и УФИ для N=5 даны в Таблице. Часть светового потока отражается 6 раз, то есть поглощение еще выше.
При α=80° светоприемная поверхность увеличивается в 5,76 раз.
Глубину углубления можно сделать любой, меняя масштаб профиля. Значения N, К и влияние профиля рельефа на µ, τ и в результате на к.п.д. ФП от масштаба не зависят.
Для реализации ФП по предлагаемому изобретению после соединения p-n-кристаллов в стопу можно сделать углубления групповым методом, как при резке слитков кремния на пластины проволокой.