ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ
PHOTOELECTRONIC ELEMENT

Изобретение относится к областям полупроводниковой фотоэлектроники, фотоэлектроэнергетики, к возобновляемым источникам энергии, к преобразователям энергии лазерного излучения.
Перспективным направлением в области прямого преобразования энергии света в электроэнергию является создание вертикальных многопереходных фотоэлектронных элементов (ВМП ФЭ), в которых отдельные кристаллы монокристаллического кремния с плоскими диффузионными р-n переходами располагаются стопой последовательно один над другим, образуя светоприемную поверхность с чередующимися р- и n- областями (патент РФ №2127009, кл. H01L 31/18 [1]). Светоприемная поверхность ВМП ФЭ, как и традиционных ФЭ (горизонтальных), не должна содержать нарушенного слоя. Это достигается механической или/и химической полировкой
При поглощении полупроводником энергии света происходит генерация электронно-дырочных пар - неравновесных носителей заряда (ННЗ). Вследствие разделения ННЗ собственным электрическим полем р-n перехода на р-n переходе возникает э.д.с.
Видимый спектр солнечного света поглощается полированным кремнием на глубине до 5 мкм. Дальнейшее распространение ННЗ вглубь полупроводника происходит за счет диффузии. Плотность диффузионного потока ННЗ равна D*dn/dx, где D - коэффициент диффузии, n - концентрация ННЗ. Коэффициент диффузии пропорционален подвижности носителей µ. Во времени концентрация ННЗ уменьшается с характеристическим временем τ (время жизни ННЗ) вследствие их рекомбинации. Таким образом, эффективность ФЭ (к.п.д.) увеличивается с увеличением значений µ и τ.
Принципиальным преимуществом ВМП ФЭ перед традиционными, в которых свет поглощается поверхностью сильнолегированной области, являются существенно большие значения τ и µ, которые растут с уменьшением степени легирования полупроводников N. В ВМП ФЭ свет направлен, в частности, на слаболегированную n-базу и слаболегированную область диффузионного р-слоя.
Реальная глубина распространения неравновесных носителей перпендикулярно поверхности в ВМП ФЭ составляет несколько сотен мкм.
отр
Конструкция ВМП ФЭ [1] имеет плоскую светоприемную поверхность. Недостатком такой конструкции является то, что рабочая (приповерхностная) область кремния невелика. Недостатком является также высокий процент отражения солнечного света. Для сред воздух - полированный кремний в диапазоне углов падения от примерно 10° до 90° коэффициент отражения к для видимого света составляет порядка 33%, для ульрафиолетового излучения (УФИ) - свыше 60% (http://www.Dpva.info/Guide/Guide Physics [2]). Просветляющие (антиотражающие) покрытия для полного солнечного спектра должны быть многослойными, что представляет дополнительную сложность при изготовлении и повышает стоимость ФЭ.
В ВМП ФЭ с «текстурированной», т.е. рельефной поверхностью может быть существенно увеличена область генерирования ННЗ.
Наиболее близкой к предлагаемому решению является конструкция ВМП ФЭ (патент США №2010/0037943, кл. H01L 31/0236 [3]), где рельеф светоприемной поверхности выполнен в виде непрерывно повторяющихся продольных углублений, при этом плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания р-n элементов последовательно один над другим в стопу. В [3] патентуется профиль рельефа с углублениями V формы (повторяющихся равнобедренных треугольников, фиг.1) или U формы (то же, с закругленными углами).
Таким образом, профиль углублений [3] является симметричным (имеет осевую симметрию).
отр
Однако профиль рельефа [3] не во всех отношениях является оптимальным. Выше указывалось, что светоприемная поверхность ФЭ должна быть полированной, т.е. отражать свет с достаточно высоким к. При наличии углублений отраженный свет может падать на поверхность ФЭ еще несколько раз, существенно увеличивая к.п.д. Этот эффект в [3] не рассматривается.
Проведем рассмотрение падений (отражений и поглощений) света в конструкции [3] (Фиг.1).
При α=45° падающий поток видимого света, поглощаемый каждой боковой стороной углубления на 67%, отражается горизонтально на противоположную сторону с поглощением 33%*67%=22,11% энергии и затем выходит в окружающую среду. Таким образом, здесь за счет 2-х падений поглощается 67%+22,11%=89,11% видимого света.
отр
Для УФИ примем к=60%. Таким же образом получим, что поглощается 40%+60%*40%=64% УФИ.
Если α=60°, поток света полностью проходит 3 падения (Фиг.1). Видимый свет при третьем падении дополнительно поглощается еще на (100-89,11)%*67%≈7,3%. Суммарно поглощается 96,41% видимого света.
Для УФИ поглощается 64%+(100-64)%*40%=78,4%.
Таким образом, рельеф [3] (Фиг.1) не обеспечивает достаточно высокого процента поглощения света, особенно в УФ диапазоне.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение процента поглощения света и увеличение к.п.д. ФЭ за счет увеличения количества падений светового потока внутри углублений.
Технический результат достигается тем, что в ВМП ФЭ, состоящем из кристаллов монокристаллического кремния с плоскими диффузионными р-n переходами, расположенных стопой последовательно один над другим с образованием светоприемной поверхности с чередующимися р- и n-областями, имеющем рельеф светоприемной поверхности в виде непрерывно повторяющихся продольных углублений, расположенных так, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания р-n кристаллов в стопу, профиль углублений имеет вид асимметричных треугольников, основание которых находится на виртуальной плоской светоприемной поверхности, а углы у основания α и β связаны соотношением α<β≤90°.
Отличительным признаком предлагаемого решения является профиль непрерывно повторяющихся продольных углублений, имеющий вид асимметричных треугольников, основание которых находится на виртуальной плоской светоприемной поверхности, а углы у основания α и β связаны соотношением α<β≤90°.
Известных решений с указанными признаками не обнаружено.
Сущность предлагаемого решения поясняется на фигурах.
На фиг.1 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по прототипу.
На фиг.2 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по предлагаемому изобретению для значения максимального значения β=90°.
Из фиг.1 и 2 ясно, что площадь светоприемной поверхности для исходного светового потока S при равных углах α одинакова для предлагаемого решения при β=90° и для прототипа.
Преимуществом предлагаемого профиля углублений является не увеличение S, а увеличение количества падений полного светового потока N.
Действительно, по предлагаемому решению при α=45° (Фиг.2) световой поток, падая на боковую сторону углубления, отражается под углом 45° горизонтально и полностью падает на противоположную сторону под углом 90° к ней (второе падение). Падение света под углом 90° означает затем повторение светом пути в обратном направлении и третье падение на боковую сторону с отражением в окружающую среду (N=3, для прототипа N=2).
Для профиля по предлагаемому решению при α=60° (Фиг.2) видно, что световой поток, падая на боковую сторону под углом 30° и отражась под этим же углом, падает на противоположную сторону под углом 60° (второе падение) и, отражаясь, падает на первую сторону под углом 90° (третье падение). Далее свет проходит обратный путь с четвертым и пятым падениями и выходом в окружающую среду (N=5, для прототипа N=3). Полученные данные сведены в таблицу.
Таблица
α=45°
α=60°
N
% поглощения света
N
% поглощения света
Видимый спектр
УФИ
Видимый спектр
УФИ
По прототипу (β=α)
2
89,11
64
3
96,41
78,4
По предлагаемому решению (β=90°)
3
96,41
78,4
5
99,6
92,22
Из таблицы видно, что в конструкции по предлагаемому решению с асимметричным профилем углублений процент поглощения света существенно выше, чем в конструкции по прототипу.
Второе преимущество предлагаемого решения относится к работе при высокой интенсивности облучения, соответствующей высоким значениям концентрации ННЗ n. В отличие от прототипа, в предлагаемой конструкции при β=90° имеется поверхность, не подвергаемая первичному облучению - перпендикулярная виртуальной плоской поверхности. На эту поверхность приходится второе падение света.
При высокой интенсивности облучения подвижность носителей µ снижается с повышением их концентрации n из-за рассеяния носителей на носителях. При повышении n существенно снижается и значение τ из-за возрастания вклада в рекомбинационный процесс Оже-рекомбинации (зона-зона) (С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М., Мир, 1984 г., т.1, стр.153-154 [4]). При этом скорость Оже-рекомбинации пропорциональна кубу концентрации n. Таким образом, к.п.д. ФЭ существенно снижается.
Сравним условия поглощения света при втором падении для предлагаемого решения и прототипа.
В V-конструкции (по прототипу) (фиг.1) второе падение света приходится на облученную поверхность, увеличивая световой поток до 133% для видимого света и до 160% для УФИ по сравнению с первым падением.
В конструкции по предлагаемому решению (фиг.2) при втором падении световой поток составляет 33% для видимого света и 60% для УФИ по сравнению с первым падением.
При α=45° (sin α=0,7) получаем, что значение n при втором падении света в предлагаемом решении меньше, чем в прототипе, в (133:33)*0,7=2,8 раз для видимого света и в (160:60)*0,7=1, 87 раза для УФИ.
Учитывая кубическую зависимость скорости Оже-рекомбинации u от n, получаем снижение u примерно в 22 раза для видимого света и в 6,5 раз для УФИ. Вместе с увеличением µ при снижении n это означает заметное увеличение к.п.д. предлагаемого ФЭ по сравнению с прототипом.
Очевидно, что эффект увеличения к.п.д. по сравнению с прототипом будет иметь место при всех α<β≤90°. При росте β в этом диапазоне число падений света будет возрастать, и, соответственно, к.п.д. ФЭ будет увеличиваться.
Заметим, что на практике для реализации необлучаемой поверхности можно использовать β до примерно 93°, однако тупые углы β приводят к затенению светоприемной поверхности.
Глубину углублений можно сделать любой, меняя масштаб профиля. Для реализации ФП по предлагаемому изобретению после соединения р-n кристаллов в стопу можно сделать углубления групповым методом, как при резке слитков кремния на пластины.