ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)
SEMICONDUCTOR PHOTOELECTRIC GENERATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам.
Известен полупроводниковый фотоэлектрический генератор (а.с 288163 СССР, 1967 г., МПК H01L 31/042), выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости p-n-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора.
Недостатком указанного преобразователя является недостаточно высокая эффективность преобразования.
В качестве прототипа принята конструкция полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от n-p-переходов, размещена изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, на которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм с расстоянием между нанокластерами 60-120 нм, а над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-p-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от p-n-переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.
В другом варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-p - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от p-n -переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, при этом изолирующая пленка выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия (патент РФ №2336596, 2007, МПК H01L 31/042. Опубл. 20.10.2008. Бюл. №29).
Недостатком указанного полупроводникового фотоэлектрического генератора является недостаточно высокая эффективность преобразования.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД фотоэлектрического генератора, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения.
+
+
+
Вышеуказанный результат достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n-p-p(pn-n*) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователя соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом φ, 30°<φ<150°, к рабочей поверхности генератора, по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия.
+
+
+
+
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора плоскости пассивирующей пленки и просветляющего покрытия выполнены перпендикулярно плоскости диодных n-p-p(p-n-n) структур.
+
+
+
+
Также повышение КПД и эффективности преобразования достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n-p-p(p-n-n) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователей соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом φ, 30°<φ<150°, к рабочей поверхности генератора, по всей площади рабочей поверхности генератора с двух сторон генератора размещены пассивирующие и просветляющие пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.
+
+
+
+
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора плоскости пассивирующей и просветляющей пленки выполнены перпендикулярно плоскости диодных n-p-p(p-n-n) структур.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-2.
+
+
+
+
На фиг.1 показаны основные элементы конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, которого плоскости диодных p-n-nструктур наклонены под углом 60° к рабочей поверхности генератора с пассивирующей пленкой на основе окисла цинка и просветляющим покрытием из диэлектрика. На фиг.2 показаны основные элементы конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, которого плоскости диодных n-p-p структур перпендикулярны рабочей поверхности генератора с пассивирующей пленкой на основе оксида алюминия и оксида цинка на двух поверхностях генератора, которая совмещена с просветляющим покрытием.
+
+
+
+
+
На фиг.1 фотоэлектрический генератор состоит из микрофотопреобразователей 1 с диодными p-n-n структурами, плоскости которых наклонены под углом φ=60° к рабочей поверхности 2 генератора, содержащих p-область 3, p-n-переходы 4, базовую область 5 n-типа и p-область 6, внешних металлических контактов 7, внутренних металлических контактов 8, пассивирующей пленки 9, просветляющего покрытия из диэлектрика 10. Один или два линейных размера микрофотопреобразователей 1 соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области 5. Пассивирующая пленка 9 выполнена из оксида цинка и расположена на двух рабочих поверхностях 3 по всей площади поверхности генератора, толщина пленки 9 10-60 нм. Над пленкой 9 расположен слой просветляющего покрытия из диэлектрика 10.
+
+
+
+
+
На фиг.2 микрофотопреобразователи 1 с диодными n-p-pструктурами, плоскости которых перпендикулярны рабочей поверхности 2 генератора, содержат n-область 11, n-p переход 12, базовую область 13 p-типа и p-область 14, на каждой из двух рабочих поверхностях 2 генератора по всей их площади нанесена пассивирующая пленка 15, выполненная из оксида алюминия и оксида цинка, которая выполняет также функцию просветляющего покрытия.
Полупроводниковый фотоэлектрический генератор работает следующим образом.
+
Падающее на рабочую поверхность 2 (фиг.1) электромагнитное излучение через просветляющее покрытие 10 и пассивирующую пленку 9 поступает на рабочие поверхности 2 микрофотопреобразователей 1. Происходит поглощение фотонов, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением неосновных неравновесных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем p-n - перехода 4, что вызывает во внешней цепи фототок, направленный к базовой области 5. Одновременно излучение поступает на пассивирующую пленку 15. Встроенные электрические заряды в пассивирующей пленке активизируются излучением и создают электрическое поле, которое ускоряет неосновные носители заряда - дырки в базовой области n - типа при их движении от рабочей поверхности 2.
Это приводит к снижению потерь на поверхностную рекомбинацию на рабочих поверхностях 2 генератора и увеличению фототока и КПД в 10 раз.
+
+
+
В полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе на фиг.2 электромагнитное излучение поступает непосредственно на пассивирующую пленку 15, которая выполняет функцию просветляющего покрытия. Сочетание оптических и зарядовых характеристик позволяет в ряде случаев использовать пассивирующую пленку 15 в качестве просветляющего покрытия. Для полупроводникового фотоэлектрического генератора с вертикальными диодными структурами на фиг.2 функция генерации не зависит от расстояния от n-p-перехода 12, что создает возможность равномерной генерации носителей заряда в пространстве базовой области 13 между n-p-переходом 12 и изотипным p-p-переходом и модуляции проводимости базовой области 13 под действием излучения и электрических зарядов в пассивирующей пленке 15, что приводит к снижению последовательного сопротивления и увеличению коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики в реальных условиях эксплуатации по сравнению с известными конструкциями генераторов.
Пример выполнения полупроводникового фотоэлектрического генератора.
+
+
+
+
2
3
x
y
Пример 1. Фотоэлектрический генератор представляет собой матрицу из скоммутированных микрофотопреобразователей 1 с вертикальными диодными n-p-pструктурами. Микрофотопреобразователи 1 выполнены из кремния p-типа с вертикальными диффузионными n-p и p-p-переходами и сплошными вертикальными омическими контактами из никеля и олова. На двух рабочих поверхностях генератора размещена пассивирующая пленка 15 окиси алюминия AlO толщиной 30 нм, на которой расположен слой просветляющего покрытия 10 из диэлектрика типа нитрида кремния SiN.
+
+
Пример 2. Фотоэлектрический генератор представляет собой многослойную матрицу из диодных n-p структур с базовой областью n-типа. На двух рабочих поверхностях 2 генератора размещена пассивирующая пленка 9 оксида цинка ZnO толщиной 60-100 нм, которая выполняет функции просветляющего покрытия.
Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, возможно создание в микрофотопреобразователях дополнительных р-n- или изотопных переходов, а также создание косоугольных матриц.