МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
MULTIJUNCTION SILICONE MONOCRYSTALLINE CONVERTER OF OPTIC AND RADIATION EMISSIONS

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с).
+
-
+
+
-
+
Известна конструкция (фиг.1) многопереходного (МП) кремниевого монокристаллического фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), содержащая диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них одиночными p-n-n (p-p-n) переходами, в направлении, перпендикулярном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами (1. Тюхов И.И. «Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя», патент РФ №2127472 от 10.03.1999; 2. Е.Г. Гук 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).
Такой ФЭП обладает невысоким КПД, (менее 12%), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода, примыкающего к фоточувствительной поверхности ФЭП.
+
-
+
+
-
+
+
-
+
-
+
+
+
-
+
+
-
+
Известна конструкция (фиг.2) кремниевого многопереходного (МП) монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной (перпендикулярной к направлению света) светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n-p-p(p-n-n) переходами и расположенными в солнечных элементах параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n-p (p-n) переходами, все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей - n(p) типа перпендикулярных одиночных n-p-p(p-n-n) переходов (3. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009).
Общими недостатками аналогов также является достижение немаксимально возможного КПД преобразователя и ограничение его области применения обязательным присутствием светового (оптического) излучения.
Целью изобретения является повышение КПД преобразователя, уменьшение его веса на единицу площади, расширение области его применения.
Цель достигается за счет:
- изменения конструкции ФЭП путем размещения на нижней и боковых поверхностях многопереходного монокристаллического кремниевого преобразователя (МПМКП) диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике и слоя радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле. При этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц в кремнии;
63
63
- технологии изготовления путем замены алюминиевых прокладок-электродов на прокладки из радиоактивного никеля-63(Ni) толщиной не более 20 мкм. Изготовления конструкции с шириной кремния между электродами диодных ячеек, не превышающей 100 мкм, осаждения оксида кремния на нижнюю и боковые поверхности конструкции толщиной не более 10 мкм. Осаждения на оксид слоя радиоактивного Ni толщиной 10-20 мкм.
Конструкция прототипа показана на рис.3.
а
+
+
На фиг.3 , б, в соответственно показаны структура (сечение), вид сверху и снизу. МПКМП, который содержит диодные ячейки (ДЯ) 1 с нанесенным на них светопросветляющим покрытием 2, соединенные в единую конструкцию металлическими катодными 3 и анодными  4 электродами с расположенными соответственно на их поверхности полупроводниковыми областями - 5n(p) типа
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
-
+
-
+
-
+
-
и - 6p(n) типа одиночных вертикальных n-p-p(p-n-n) переходов. На верхней и нижней поверхностях ДЯ 1 расположены соответственно полупроводниковые области - 7n(p) типа - 8 p(n) типа горизонтальных n-p(p-n) переходов. На поверхности областей - 5 n(p) типа и - 6 p(n) типа расположены соответственно области - 9 p(n) типа и - 10 n(p) типа, образующие с ними соответственно одиночные n-p(p-n) и дополнительные p-n(n-p) переходы.
Конструкция МПКМП по изобретению показана на фиг.4, где на нижней и боковых поверхностях МПКМП расположен слой диэлектрика 11 толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла 12 толщиной, равной длине пробега электронов в металле. При этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц в кремнии.
Пояснения.
Вышеуказанные ограничения носят принципиальный характер и обусловлены тем, что
63
- очевидно, что в случае превышения толщины диэлектрика длины пробега в нем электронов от Ni, имеющих энергию 63 кэВ и длину пробега в диэлектрике (оксиде) 40 мкм, электроны не смогут попасть в кремний и создать там ионизационный ток;
63
- толщина слоя Ni не должна превышать 2-е длины пробега в нем, в противном случае мала его эффективность использования;
- ширина монокремния между никелевыми электродами также не должна превышать 2-е длины пробега в нем, иначе электроны не смогут достичь ее центральной части и кремниевый материал не будет эффективно использован;
- оптимальной шириной является ширина, равная длине пробега электронов в кремнии, т.е. 45 мкм.
Технология изготовления изобретения.
Например, состоит из следующих технологических операций:
-
а) в пластины p-типа КДБ 10 Ом·см проводят ионное легирование фосфора дозой 2-4 мкКл с последующей разгонкой примеси в течение 4 часов при температуре 950°C;
+
+
б) затем формируют диффузией бора и фосфора p- и n-области;
63
в) спекают (сплавляют, сращивают) пластины в стопу через прокладки из радиоактивного Ni толщиной фольги 20 мкм;
г) режут стопку пластин на отдельные МКПМП;
д) полируют поверхность преобразователей и имплантируют в нижнюю и верхнюю поверхности ФП фосфор и бор дозой 50 и 40 мкКл соответственно и проводят фотонный отжиг радиационных дефектов;
3
4
е) наносят просветляющее покрытие (SiN) толщиной 0,15 мкм.
2
63
ж) наносят плазмохимический оксид кремния (SiO) толщиной 1 мкм на поверхность конструкции МПКМП. Наносят резистивным напылением Ni толщиной 20 мкм на нижнюю и боковые поверхности конструкции МПКМП.
Технические преимущества изобретения.
Как видно из фиг.3 и 4, n- и p-области многопереходного кремниевого преобразователя образуют конструкцию, что дает возможность реализации максимального объема области пространственного заряда, в которой наиболее эффективно собираются генерированные светом и радиационным излучением носители заряда при минимальном весе на единицу площади преобразователя.
Следует отметить, что совмещение в единой функционально-интегрированной «гибридной» конструкции преобразователя солнечного и радиационного излучения дает в ряде применений таким источникам э.д.с. важные преимущества, а именно:
- возможность обеспечить зарядку аккумулятора при отсутствии солнечного света при минимальном ее весе, что важно, например, для применения в солнечных батареях беспилотных летательных аппаратов, взрывоопасных помещениях - шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.;
- возможность дополнительного существенного повышения КПД на несколько %, преобразователя энергии по сравнению с эквивалентной по площади обычной кремниевой солнечной батареей;
63
- теоретически, срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиационного материала, который для Ni составляет 50 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.