КРЕМНИЕВЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ЭПИТАКСИАЛЬНЫМ ЭМИТТЕРОМ
SILICON SOLAR CELL WITH EPITAXIAL EMITTER

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к кремниевым солнечным элементам на основе эпитаксиальной технологии для наземного или космического применения.
Известна конструкция солнечного элемента на основе эпитаксиальной структуры, технологический процесс изготовления которой включает в себя последовательное осаждение эпитаксиальных слоев разного типа проводимости для формирования эмиттера и базового слоя солнечного элемента на кварцевой пластине при повышенных температурах /1/.
Данной конструкции солнечного элемента присущи неустранимые недостатки за счет следующих причин:
- невозможность получения предложенным методом осаждения качественного (без многочисленных структурных дефектов) монокристаллического кремниевого слоя на кварцевой подложке; в этом случае осаждается поликристаллический кремниевый слой, что ухудшает электрофизические характеристики полученного материала и, следовательно, КПД (коэффициент полезного действия) солнечного элемента;
- сложность изготовления контактной сетки металлизации на лицевой поверхности солнечного элемента вследствие большого удельного сопротивления эмиттерного слоя в данном варианте исполнения.
18
-3
Другим аналогом заявляемого изобретения является солнечный элемент на основе монокристаллической кремниевой пластины (как базовой области с дырочным типом проводимости), на поверхности которой осуществляется эпитаксиальное осаждение слоя эмиттера, обладающего проводимостью противоположного типа /2/. В результате на поверхности пластины формируется эпитаксиальный слой кремния n-типа, который имеет общую толщину до 2 мкм и состоит из двух частей: одна часть, прилегающая к p-n переходу, имеет однородное по толщине легирование (примерно 4·10 см), а другая, примыкающая к поверхности, имеет уровень легирования
19
-3
~2·10см. Такая конфигурация обеспечивает эффективную работу солнечного элемента и возможность формирования омических контактов металлизации на лицевой поверхности солнечного элемента.
16
-3
Недостатком такой конструкции является то, что в данной конструкции солнечного элемента эпитаксиальный слой играет роль относительно толстого эмиттера для создания p-n перехода и основное поглощение света (и, следовательно, генерация носителей заряда) происходит в подложке. Из приведенных в /2/ данных видно, что эффективность солнечных элементов на основе подобных структур уменьшается с увеличением толщины эпитаксиального эмиттера за счет увеличения темпа рекомбинации в эмиттерной области вследствие эффектов высокого легирования материала. Толщина эпитаксиального слоя эмиттера в данной конструкции солнечного элемента не может быть меньше 2 мкм вследствие сильного влияния диффузионных процессов перераспределения легирующих компонентов в эпитаксиальном слое. Кроме того, в данной конфигурации солнечного элемента невозможно использовать подложки с уровнем легирования выше 10 см, т.к. это приводит к резкому уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда в базовой области и, как следствие, к падению эффективности фотопреобразования. К недостатку данной конструкции также можно отнести невозможность использования исходных кремниевых пластин, по качеству отличающихся в худшую сторону от пластин «электронного» или «солнечного» кремния.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является солнечный элемент на основе эпитаксиальной структуры, содержащей эмиттер одного типа проводимости над базовым эпитаксиальным слоем противоположного типа проводимости с переменным уровнем легирования обеих эпитаксиальных областей для создания дрейфового поля /3/. Дрейфовое поле в данном случае служит для более эффективного сбора носителей заряда за счет уменьшения времени пролета фотогенерированных неосновных носителей заряда через область эмиттера и базы солнечного элемента к области p-n перехода.
К недостаткам этой конструкции можно отнести следующие особенности процесса формирования солнечного элемента:
- во-первых, необходимость использования эпитаксиального слоя с областями двух типов проводимости, причем основным, генерирующим носители заряда слоем является базовый слой (n- или p-типа проводимости в зависимости от типа подложки), примыкающий к высоколегированной подложке. Это существенно усложняет процесс изготовления солнечного элемента;
18
-3
- во-вторых, технологическая сложность изготовления эпитаксиальных структур, содержащих высоколегированные слои кремния (с уровнем легирования более 10 см) в одной структуре, т.к. влияние эффекта автолегирования в этом случае приводит к снижению качества эпитаксиальных слоев получаемой структуры в целом.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества и эффективности кремниевого солнечного элемента на основе эпитаксиальной структуры.
Сущность изобретения заключается в том, что в заявляемом кремниевом солнечном элементе, включающем в себя только эмиттер и подложку:
15
-3
- эмиттер состоит из двух областей, причем низколегированная область эмиттера, смежная с p-n переходом, имеет толщину 10-100 мкм, высоколегированная область эмиттера, смежная с освещаемой поверхностью, имеет толщину 0,2-3 мкм, а подложка, на которой сформирован эмиттер, имеет толщину 5-500 мкм и уровень легирования ≥10 см как в случае n-, так и в случае p-типа полупроводника;
- в качестве кремниевой подложки может использоваться как монокристаллический, так и мультикристаллический кремний.
На лицевой поверхности кремниевой пластины осуществляется наращивание эпитаксиального слоя противоположного типа проводимости (по отношению к материалу подложки) с переменным профилем легирования по толщине слоя для создания дрейфового поля.
На фиг.1 представлена конструкция заявляемого солнечного элемента, где
1 - монокристаллическая или мультикристаллическая подложка;
2 - эпитаксиальный эмиттер, причем 2а - высоколегированная область эмиттера, 2б - низколегированная область эмиттера;
3 - высоколегированная область подложки.
Так как подложка в данной конструкции солнечного элемента выполняет, в основном, роль носителя, ее толщина должна находиться в диапазоне 5-500 мкм, и минимальное значение (например, после удаления части пластины за счет подшлифовки тыльной стороны) будет определяться только механической прочностью конечного солнечного элемента. Увеличение толщины выше 500 мкм нецелесообразно, так как это приводит к увеличению последовательного сопротивления солнечного элемента и, следовательно, ухудшению его характеристик.
Общая толщина эпитаксиального эмиттера 2 составляет 10-100 мкм, поскольку уменьшение толщины менее 10 мкм приводит к заметному уменьшению фототока и, следовательно, к уменьшению КПД, а увеличение толщины эмиттера более 100 мкм нецелесообразно, поскольку 95% солнечного спектра, падающего на солнечный элемент, поглощается в 80-90-мкм слое, прилегающем к поверхности. При этом толщина высоколегированной области эмиттера не может быть менее 0,2 мкм (это значение находится на грани технологического предела) и не должна превышать 3 мкм, поскольку увеличение толщины выше этого значения приведет к заметному снижению фототока из-за высокой скорости рекомбинации в высоколегированном слое.
15
-3
Фиг.2 схематично изображает профили легирования в разных областях заявляемого солнечного элемента. В данном случае в качестве подложки используется высоколегированный кремний КДБ-0,01 (что и отражено на Фиг.2), но может быть использован любой тип кремния с уровнем легирования ≥10 см, поскольку в этом случае не нарушаются основные принципы работы эпитаксиального эмиттера, но к фототоку, генерируемому эмиттером, добавляется фототок, генерируемый в относительно низколегированной подложке. При этом снижается напряжение холостого хода солнечного элемента из-за увеличения обратного тока из низколегированной подложки, но за счет прироста фототока происходит даже некоторое повышение общей эффективности солнечного элемента.
Кроме того, в качестве подложки может использоваться вместо монокристаллического мультикристаллический кремний, поскольку в этом случае также не нарушаются основные принципы процесса эпитаксии и формирования эпитаксиального эмиттера. Лишь возрастает дефектность полученного эпитаксиального слоя, что приводит к уменьшению эффективной диффузионной длины носителей, но именно для преодоления повышенной дефектности в эпитаксиальном эмиттере формируется дрейфовое поле путем создания переменного профиля легирующей примеси по толщине эмиттера.
x
2
Осуществление предлагаемой конструкции кремниевого солнечного элемента реализуется следующим образом. В реактор эпитаксиальной установки помещается пластина p-типа проводимости с удельным сопротивлением от 0,003 до 20 Ом·см. Пластина нагревается до температуры эпитаксиального осаждения (например, 1100°С), затем в реактор подается парогазовая смесь кремнийсодержащего реагента (например, трихлорсилана) и легирующей добавки (фосфина), причем концентрация легирующей примеси во времени изменяется таким образом, чтобы результирующий профиль распределения примеси был аналогичен профилю, представленному на Фиг.2. Затем пластина извлекается из эпитаксиального реактора, и следуют операции напыления металлических контактов (например, Ti-Pd-Ag) на обе стороны пластины, фотолитографии для формирования контактной сетки на лицевой стороне элемента и напыления антиотражающего покрытия (например, на основе TiO/MgF).
Заявляемый солнечный элемент с использованием эпитаксиальной технологии позволяет существенно уменьшить толщину кремниевого солнечного элемента, доведя это значение до 100 мкм и меньше без потери при этом эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию в сравнении с традиционными солнечными элементами. При этом заявляемая конструкция не подвержена деградации электрических свойств в силу отсутствия растворенных в объеме эпитаксиального слоя атомных добавок, способных образовывать рекомбинационные центры как в процессе светового облучения солнечного элемента, так и в процессе его старения, что обеспечивает стабильность выходных параметров солнечного элемента в процессе его эксплуатации.
Источники информации
1. Патент США 3460240.
2. E.Schmich, S.Reber, J.Hees, F.Trenkle, N.Schillinger, G.Willeke. "Emitter Epitaxy for Crystalline Silicon Thin-Film Solar Cells", Proc. 21st EPSEC and Exhibition, 4-8 September 2006, Dresden, pp.734-737.
3. Патент ЕР 0012181 - прототип.