Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь

Полезная модель относится к полупроводниковой технологии и предназначена для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую.
Известен фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) З и С (Физика полупроводниковых приборов, Кн. 2., М.: Мир, 1984, стр. 400), который содержит полупроводниковую пластину с плоским, горизонтальным p-n-переходом, расположенным вблизи лицевой поверхности пластины. Свет падает на лицевую поверхность и генерирует в полупроводнике электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем p-n-перехода и выводятся с помощью контактов. Один из этих контактов находится на тыльной поверхности пластины, а другой - в виде гребенки на лицевой поверхности. Такие ФЭПы широко используются для преобразования солнечной энергии как на Земле, так и в космосе.
К недостаткам данного ФЭПа-аналога относятся:
наличие лицевого контакта, затеняющего часть (10-15%) лицевой поверхности;
сложность оптимизации толщины полупроводника, необходимой для полного поглощения активного света (энергия фотонов которого больше ширины запрещенной зона полупроводника) и диффузионной длины неосновных носителей тока, определяющей эффективность разделения носителей тока p-n-переходом. Указанные недостатки ограничивают эффективность преобразования солнечной энергии (~14%).
th
В качестве прототипа выбран ФЭП Frank R. I., Goodrich J. L., Kaplow R. A Low Series Resistance Silicon Photovoltaic Cell for High Intensity Applications, Conf. Rec. 14 IEEE Photovoltaic Spec. Conf., IEEE, N.Y., 1980, p. 1350, состоящий из полупроводниковой кремниевой пластины с вертикальными p-n-переходами, образованными на границах канавок, перпендикулярных поверхности пластины и проникающих в нее на глубину до 80% ее толщины, и токосъемных контактов на торцевой поверхности пластины.
Важное достоинство этого ФЭП - возможность оптимизации поглощения света и разделения носителей тока p-n-переходом. Это достигается независимым управлением глубины поглощения света (выбором толщины пластины) и заданием оптимального расстояния (не более двух диффузионных длин неосновных носителей тока) между вертикальными p-n-переходами вблизи канавок в полупроводниковой пластине.
К недостаткам этого прототипа ФЭП относятся снижение эффективности ФЭП из-за потери активной площади ФЭП, так как площадь, занятая канавками на пластине, не используется для преобразования световой энергии.
Важнейшей задачей при конструировании любых ФЭП является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.
p-n
n
p
p-n
«
n
р
n
+
+
Технический результат достигается за счет того, что полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь содержит кремниевую пластину с вертикальными -переходами и токосъемные контакты, причем кремниевая пластина имеет -тип проводимости, в объеме которой выполнена система соединенных между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов-типа проводимости, на границах которых расположены -переходы, ширина каналов и расстояние между ними находятся в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в соответствующих областях, -области соединены -слоем на тыльной стороне пластины, токосъемные контакты к -области и -слою расположены также на тыльной стороне.
p-n
Повышение эффективности преобразования ФЭПом солнечной энергии в электрическую достигается наличием сквозных вертикальных -переходов, наличием фотоактивности всего объема пластины и заданием определенных размеров ширины каналов p-типа и расстояний между ними.
p-n
с p-n
p
p-n
р
n-
p-
p
n-
p
p-n
р-
р-
n-
Использование вертикальных сквозных -переходов увеличивает разделение носителей тока по сравнению -переходами, проникающими только на часть толщины пластины, как в прототипе. Вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы -типа проводимости фотоактивны, поэтому весь объем полупроводниковой пластины участвует в преобразовании световой энергии в электрическую. Максимальная эффективность разделения носителей тока, генерированных светом, вертикальными сквозными -переходами достигается, когда ширина каналов -типов проводимости и расстояние между ними не превышают двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в  и областях. Однако, ширину каналов -типа проводимости и расстояние между ними менее одной диффузионной длины неравновесных носителей тока и -областях задавать нецелесообразно, из-за усложнения технологии изготовления ФЭП. Поэтому оптимальные расстояния между вертикальными -переходами структуры (ширина каналов типов проводимости и расстояние между ними) должны находиться в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в  и областях.
На фиг. 1 представлена схема ФЭП с лицевой стороны;
На фиг. 2 представлена схема поперечного сечения ФЭП по А-А,
n
где 1 - кремниевая пластина-типа проводимости;
р
d
d
1
2
2 - вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы -типа проводимости шириной  и расстояния между ними ;
n
+
3 - -слой;
n
+
4 - токосъемный контакт к -слою 3;
р
5 - токосъемный контакт к эпитаксиальным каналам -типа проводимости 2;
p-n
6 - сквозные вертикальные -переходы.
р
d
d
n
р
n
р
1
2
+
+
Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь содержит кремниевую пластину n-типа проводимости 1 и систему соединенных между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов -типа проводимости 2. Ширина  каналов 2 и расстояние между ними  находятся в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в соответствующих областях. На поперечном сечении ФЭП представлен -слой 3, соединяющих «-области между каналами -типа 2, токосъемный контакт 4 к -слою 3, токосъемный контакт 5 к эпитаксиальным каналам -типа проводимости 2 и сквозные вертикальные p-n-переходы 6.
Возможность осуществления полезной модели показана на следующем примере.
р
n
р
n
n
+
+
На поверхности кремниевой пластины n-типа проводимости 1 с помощью фотолитографии создают заданную конфигурацию слоя металла-растворителя алюминия в виде системы связанных между собой концентрических кольцевых или прямолинейных зон. Конфигурация зон может быть и иной. Затем, при нагревании, кремниевой пластины 1 с зонами в вакууме или защитном газе образуется система жидких включений раствора-расплава заданной конфигурации, которая под действием градиента температуры мигрирует перпендикулярно поверхности кремниевой пластины 1 вплоть до выхода на ее тыльную поверхность, где остатки зон удаляются. В результате локальной перекристаллизации кремниевой пластины 1 образуются кристаллически совершенные вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы -типа проводимости 2 заданной конфигурации. Неперекристаллизованные термомиграцией области исходной кремниевой пластины -типа проводимости 1, находящиеся между вертикальными сквозными эпитаксиальными каналами --типа проводимости 2, объединяются между собой сплошным -слоем 3 на тыльной поверхности пластины. Такой -слой 3 формируется после процесса термомиграции стандартной диффузией.
+
р
Токосъемные контакты 4 и 5 к ФЭПу осуществляют на тыльной поверхности пластины: один к n-слою 3 - «минус», а другой к эпитаксиальным каналам -типа проводимости 2 - «плюс».
n
р
р
Для примера, рассмотрим предлагаемый ФЭП на основе пластины кремния марки КСЭ -типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см, в которой с помощью заданной конфигурации зон на основе алюминия формируют систему соединенных между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов -типа проводимости с удельным сопротивлением 0,04-0,05 Ом⋅см. Диффузионная длина дырок в исходной кремниевой пластине n-типа проводимости ~ 250 мкм, а в каналах -типа проводимости - диффузионная длина электронов ~ 20 мкм.
Для обеспечения почти полного (95%) поглощения активного света с энергией фотонов больших 1,12 эВ толщина пластины кремния должна быть 0,5 мм. Исходную толщину пластины кремния n-типа проводимости надо выбрать большей (~ 0,6 мм), так как после процесса термомиграции требуется механическая и химическая обработка пластины с обеих сторон, приводящая к утонению пластины.
Предложенный полупроводниковый фотоэлектрический
преобразователь работает следующим образом.
p
p-n
d
n
р
1
2
Падающий на лицевую поверхность ФЭПа свет поглощается и генерирует электронно-дырочные пары как в «-областях пластины 1, так и в -областях 2. Неравновесные носители тока эффективно разделяются электрическим полем вертикальных -переходов при условии, что ширина вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости 2 -  не превышает 40 мкм, а расстояние между ними, т.е. ширина областей -типа проводимости - d, не превышает 500 мкм. Вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы -типа проводимости 2 состоят из кольцевых каналов и соединяющих их прямолинейных участков. Количество прямолинейных участков определяется исходя из равномерного распределения фототока в объеме ФЭПа.
p-n
p
n
Таким образом, ФЭП обеспечивает эффективное разделение носителей тока вертикальными сквозными -переходами, причем все - и -области ФЭПа являются фотоактивными, а токосъем происходит с контактов 4 и 5 на тыльной стороне ФЭПа, не затеняющих лицевую сторону. В итоге, кремниевый фотоэлектрический преобразователь позволяет достигнуть эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую не менее 20%.