КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ГРЕБЕНЧАТОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMB TYPE SILICON PHOTOELECTRIC CONVERTER AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для солнечных батарей.
+
-
+
+
-
+
Известна «традиционная» однопереходная (ОП) конструкция ФЭП с перпендикулярно расположенным к направлению потока светового излучения светопринимающей поверхности р-n-n(р-р-n) перехода - горизонтальной диодной ячейки (ДЯ), на поверхности которого расположено светопросветляющее покрытие (рис.1а, б). Такие ФЭП имеют не высокий коэффициент полезного действия (КПД), около 14%, и не позволяют получить высокое значение выходного напряжения более 0,6 В, что ограничивает область их применения в солнечных батареях с концентраторами излучения [1. Зи. С. Физика Полупроводниковых приборов, 1972 г.].
+
-
+
+
-
+
Известна конструкция (рис.2) многопереходного (МП) кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них одиночными р-n-n(р-р-n) переходами, в направлении перпендикулярном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами [2. Тюхов И.И. и др. «Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя», Патент РФ №2127472, опубликованный 1999.03.10.; 3. Е.Г. Гук и др. Характеристики кремниевого много переходного солнечного элемента с вертикальными р-n переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников. 1997 г. Т.31, №7 стр.855-858].
Такой ФЭП обладают не высоким КПД, (менее 12%), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) р-n перехода примыкающего к фоточувствительной поверхности ФЭП.
+
-
+
+
-
+
+
-
+
-
+
+
+
-
+
+
-
+
Известна, выбранная за прототип (рис.3), конструкция МП кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки с расположенными в них, перпендикулярно горизонтальной (перпендикулярной к направлению света) светопринимающей поверхности, вертикальных одиночных n-р-р(р-n-n) переходов и расположенными в солнечных элементах параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальных n-р (р-n) переходов, все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей - n(р) типа перпендикулярных одиночных n-р-р (р-n-n) переходов [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 вертикальных одиночных р-n-n (р-р-n) переходов, металлизацию поверхности пластин, сборки пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавления в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных р-n переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.
Недостатками конструкции прототипа также является невозможность достижения максимально большого ОПЗ р-n-переходов и соответственно КПД фотопреобразователя, а также технологическая проблема формирования нескольких перпендикулярных к излучению р-n переходов ионным легированием с высокой энергией ионов (более 800 кэВ).
Целью изобретения является повышение КПД фотопреобразователя и упрощение технологии его изготовления.
Первая цель достигается, путем создания «гребенчатой» конструкции ФП с максимальным объемом области пространственного заряда (ОПЗ) создаваемыми р-n переходами, которые в значительной степени определяют эффективность сбора носителей заряда, создаваемых солнечным излучением.
-
-
+
+
+
-
+
-
+
+
+
-
+
+
-
+
«Гребенчатая» конструкция кремниевого монокристаллического ФЭП содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n-р (р-n) переходы, причем их области n(р) типа подсоединены соответственно областями - n(р) типа n-р (р-n) горизонтальных переходов к областям - n(р) типа вертикальных одиночных р-n-n(р-р-n) переходов.
+
-
+
+
-
+
-
-
-
-
-
+
-
+
-
+
+
Вторая цель - упрощение технологии изготовления ФЭП достигается тем, что до формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния одиночных вертикальных р-n-n(р-р-n) одиночных переходов, в объеме пластин формируются слаболегированные дополнительные вертикальные n-р (р-n) переходы, затем формируются вертикальные одиночные переходы, затем после резки пластин, формируются горизонтальные n-р (p-n), при этом концентрация примеси в дополнительных р-n переходах более, чем на порядок величины меньше концентрации примеси в горизонтальных n-р(р-n) переходах, у которых в свою очередь концентрация примеси в на порядок величины меньше концентрации примеси в областях - n(р) типа вертикальных одиночных переходов.
Конструкция «гребенчатого» ФЭП поясняется рисунками (рис.4 и рис.5), на которых приведены возможные варианты конструкций ФП соответственно с 2-мя и 4-мя дополнительными вертикальными р-n переходами.
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
-
+
-
+
-
+
-
На рис.4а, б, в соответственно показаны структура (сечение), вид сверху и снизу, 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 расположенными, соответственно на их поверхности полупроводниковыми областями - 5 n(р) типа и - 6 р(n) типа одиночных вертикальных n-р-р(р-n-n) переходов. На верхней и нижней поверхности ДЯ - 1 расположены соответственно полупроводниковые области - 7 n(р) типа - 8 р(n) типа, горизонтальных n-р (р-n) переходов. На поверхности областей - 5 n(р) типа и - 6 р(n) типа расположены соответственно области -9 р(n) типа и - 10 n(р) типа образующие с ними, соответственно, одиночный n-р (р-n) и дополнительные р-n (n-р) переходы.
+
-
+
-
-
-
-
-
+
+
-
-
ФЭП на рис.5 содержит солнечные ДЯ - 1, в которых содержится несколько (4-е) дополнительных вертикальных р-n (n-р) перехода, образуемых дополнительными областями - 11 р(n) типа и - 12 n(р) типа с областями - 6 р(n) типа и - 10 n(р) типа соответственно.
Технология изготовления.
ФЭП, согласно изобретению, может быть изготовлен по относительно простой технологии (без применения фотолитографического процесса, что снижает стоимость его изготовления). Например, по технологии, представленной на рис.6а-д:
-
а) - в пластины p-типа КДБ 10 Ом·см проводят ионное легирование фосфора дозой 2-4 мкКул с последующей разгонкой примеси в течении 4 часов при температуре 950°С;
+
+
б) - затем формируют диффузией бора и фосфора р- и n-области;
в) - спекают (сплавляют, сращивают) пластины через прокладки из металлической фольги в стопу;
г) - режут стопку пластин на отдельные фотопреобразователи;
д) - имплантируют в нижнюю и верхнюю поверхности ФП фосфор и бор дозой 50 и 40 мкКул соответственно и проводят фотонный отжиг радиационных дефектов;
2
3
4
- наносят оксид кремния (SiO) и просветляющее покрытие (SiN).
По аналогичной технологии реализуется конструкция ФП с 4-мя параллельными переходами, для того на этапе - б) последовательной ионной имплантацией формируют три p-n-перехода (возможно также выполнение p-n-переходов с применением операции эпитаксиального наращивания).
Электрическая эквивалентная схема ФЭП.
Обычного ФП (рис.7, а) существенно отличается от предлагаемого ФЭП (рис.7, б) наличием, как последовательно, так и параллельно включенных р-n переходов, что обеспечивает также большую стабильность работы батареи при различной интенсивности излучения.
Здесь обозначены
1
-D- одиночные вертикальные n-р-переходы;
2
- D - горизонтальные n-р-переходы;
3
4
- D, D - дополнительные вертикальные n-р-переходы.
Технические преимущества изобретения.
Как видно из рис.4 и рис.5 n- и р-области фотопреобразователя образуют гребенчатую конструкцию, что дает возможность реализации максимального объема 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 солнечных элементов ФЭП. При этом оптимальный вариант по эффективности ФЭП достигается при расстоянии между границами р-n-переходов конструкции равном суммарному значению толщины областей пространственного заряда образуемых контактной разностью потенциалов р-n-переходов.
Теоретические оценки показывают возможность достижения КПД до 32% в преобразователях данного типа.
Несмотря на несколько более высокую стоимость, по сравнению с традиционными планарными батареями, многопереходные ФЭП вполне конкурентно способны и перспективны, учитывая их высокую термостойкость ФП и соответственно возможность их работы с концентраторами излучения.