КРЕМНИЕВЫЙ МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С НАКЛОННОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SILICON MULTI-JUNCTION PHOTOELECTRIC CONVERTER WITH INCLINED STRUCTURE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей.
+
-
+
+
-
+
Известны конструкции кремниевого монокристаллического ФП, содержащие диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них p-nn (p-p-n) переходами в направлениях, перпендикулярном и (или) параллельном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами [1. Патент РФ №2127472, опубликованный 1999.03.10; 2. Копач В.Р. и др. Применение рефлекторов из ITO/A1 для повышения эффективности монокристаллических кремниевых фотопреобразователей. Физика и техника полупроводников, 2010, т. 44, вып.№6, стр.802-806; 3. Гук Е.Г. и др. Характеристики кремниевого многопереходного солнечного элемента с вертикальными p-n-переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников, 1997 г. Т.31, №7 стр.855-858].
Такие ФЭП обладают не максимально возможной эффективностью преобразования длинноволнового спектра солнечного излучения в длинноволновом диапазоне волн 0,8-1,1 мкм, а следовательно, максимально возможным коэффициентом полезного действия (КПД), обычно менее 12%, поскольку для длинноволновых фотонов они имеют относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ), где фотоны могли бы быть поглощены.
+
-
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
+
Известна выбранная за прототип (рис.1) конструкция кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), содержащая диодные ячейки (ДЯ) с n-p-p(p-nn) переходами, параллельными горизонтальной светопринимающей поверхности, при этом диодные ячейки содержат n(p) и p(n) области n-p-p(p-nn) переходов, через которые они соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными на поверхности n(p) и p(n) областей с образованием соответствующих омических контактов - соединений [4. Мурашев В.Н. и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009].
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
Способ ее изготовления, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния n(p) и p(n) областей n-p-p(p-n-n) переходов, осаждение металла на поверхность пластин, сборку пластин в столбик с прокладками из металлической фольги, сплавления пластин в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных p-n (n-p) переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.
Недостатками конструкции прототипа также является невозможность достижения максимального КПД фотопреобразователя из за недостаточно полного поглощения длинноволновых фотонов.
Целью изобретения является повышение КПД фотопреобразователя и создание технологии его изготовления.
+
+
+
+
+
+
+
+
Первая цель достигается путем создания «наклонной» конструкции диодных ячеек ФЭП, содержащих фоторефлекторы, расположенные под углом 30-45 градусов к светопринимающей поверхности, причем n(p) и p(n) области и соответствующие им катодные и анодные электроды расположены под углом примерно 45 градусов к светопринимающей поверхности, при этом металлические катодные и анодные электроды расположены на их поверхности частично, а частично расположены на поверхности оптически прозрачного диэлектрика, расположенного на поверхности n(p) и p(n) областей, при этом они с металлическими электродами и оптически прозрачным диэлектриком образуют оптический рефлектор.
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
Вторая цель - создание технологии изготовления ФЭП достигается тем, что после формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния n(p) и p(n) областей n-p-p(p-nn) переходов на их поверхности наносится оптически прозрачный диэлектрик, в диэлектрике формируются контактные окна, затем проводят осаждение металла на поверхность диэлектрика, проводят сборку пластин в столбик с прокладками из металлической фольги, затем сплавление пластин в вакуумной печи, затем резанье столбика на структуры под углом 30-60 градусов, затем формирование горизонтальных p-n(n-p) переходов, затем присоединение токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
-
-
-
-
«Наклонная» конструкция ФЭП поясняется рисунками (рис.2а, б, в). На рис.2 соответственно показано вид сверху (снизу) и сечение конструкции ФЭП, который согласно изобретению содержит диодные ячейки ДЯ - 1 с нанесенным на них светопросветляющим покрытием - 2, соединенные в единую конструкцию металлическими катодными - 3 и анодными - 4 электродами с расположенным на их поверхности оптически прозрачным диэлектриком - 5, содержащим контактные окна - 6, через которые металлические электроды 3, 4 соединены с соответствующими полупроводниковыми областями - 7n(p) типа и - 8 p(n) типа n-p-p(p-n-n) переходов, соединенные соответственно с областями - 9 n(p) типа и - 10 p(n) переходов, параллельных горизонтальной светопринимающей поверхности.
Технология изготовления
ФП, согласно изобретению, может быть изготовлен по относительно простой технологии, например, по технологии, представленной на рис. 3а-д:
-
+
+
а) - в пластинах p-типа КДБ 10 Ом-см - формируют одновременной диффузией бора и фосфора p - и n - области;
б) - осаждают оптически прозрачный диэлектрик - окисел кремния толщиной 1 мкм и проводят фотолитографию, и формируют в оксиде контактные окна, и осаждают на обе стороны пластины алюминий;
в) - спекают (сплавляют, сращивают) пластины в стопку;
г) - режут стопку пластин на отдельные фотопреобразователи;
2
3
4
д) - имплантируют в нижнюю и верхнюю поверхности ФЭП фосфор и дозой 40 мкКул и 1 мэВ, формируя тем самым горизонтальные n-p-переходы, и проводят фотонный отжиг радиационных дефектов, затем наносят просветляющее покрытие - (оксид кремния (SiO) и нитрид кремния (SiN).
Технические преимущества изобретения
Как видно из рис.2. диодные ячейки фотопреобразователя образуют «наклонную» конструкцию и содержат рефлекторы. расположенные под углом 45 к светоприемной поверхности, что дает возможность отражаться от их стенок длинноволновым фотонам и проходить максимально возможный путь в полупроводниковом материале и в области пространственного заряда, в которой наиболее эффективно, по сравнению с квазинейтральной областью, собираются генерированные светом носители заряда как на поверхности, так и в объеме полупроводникового материала диодных ячеек ФЭП.
Теоретические оценки показывают возможность достижения КПД до 32% в преобразователях данного типа.
Несмотря на несколько более высокую стоимость, по сравнению с традиционными планарными батареями, ФЭП с рефлекторами вполне конкурентно способны и перспективны, учитывая их высокую термостойкость ФЭП и соответственно возможность их работы с концентраторами излучения.