ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
PHOTOVOLTAIC STRUCTURE

Изобретение относится к полупроводниковым фотовольтаическим структурам, используемым в электронике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др. для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для питания электронных приборов и электроприводов устройств и механизмов. Гетероструктуры полупроводниковых приборов не имеют альтернативы как источник электроэнергии для космических летательных аппаратов, являются экологически чистым средством получения электрической энергии.
В подавляющем большинстве случаев материалом солнечных элементов является кремний: 98.2% мощности действующих установок, из которых 38% - кристаллический кремний, 52% - поликристаллический, 5% - аморфный. Среди прочих материалов наибольшую часть, примерно 1.6%, занимают структуры на основе кадмия-теллура, а остальное - соединения элементов III-IV групп In, Ga, As, Sb, P и др., ячейки на основе полимеров, жидкостные фотовольтаические ячейки и т.д.
Наиболее эффективные солнечные элементы - многопереходные гетероструктуры, именуемые также каскадными или тандемными. Их конструкция основана на последовательном соединении ряда активных компонентов - элементарных солнечных ячеек или фотовольтаических ячеек, обеспечивающих эффективное преобразование солнечного излучения в электричество. Как правило, каждая ячейка такого гетерокаскада рассчитана на поглощение определенной части спектра солнечного излучения.
Выбор полупроводниковых материалов с последовательно уменьшающейся шириной запрещенной зоны обеспечивает эффективное преобразование энергии солнечного излучения в электрическую в полупроводниковом приборе, основанном на внутреннем фотоэффекте - генерации электронно-дырочной пары при поглощении фотона.
Карбид кремния SiC находит применение во многих отраслях науки и техники. Для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,4 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600°C. Кристаллическая структура карбида кремния сильно зависит от технологических условий получения, поэтому использование аморфных материалов ведет к снижению стоимости процесса получения солнечных элементов, фотовольтаических ячеек.
2
Известны p-i-n солнечные ячейки сложной структуры, включающие слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния a-SiC:H с p-проводимостью, нанесенный на верхний полупрозрачный электрод в виде стеклянной подложки, покрытой слоем SnO, далее нанесен микрокристаллический гидрогенизированный кремний µc-Si:H с n- проводимостью, а в качестве i-слоя - слой аморфного кремния a-Si. [Yoshihisa Tawada, Hideo Yamagishi, Mass-production of large size a-Si modules and future plan, Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) p.95-105]. Недостатком многопереходных ячеек сложной структуры является их дороговизна. Применение в качестве источников электроэнергии однопереходных фотовольтаических структур на основе аморфного карбида кремния ведет к снижению их стоимости.
2
Известна однопереходная солнечная ячейка, содержащая в качестве внешнего слоя p-типа гидрогенизированный аморфный a-SiC:H. Внешним электродом, нанесенным на стеклянную подложку, здесь также служит прозрачный проводящий оксид SnO. В этой ячейке гетеропереход в p-i-n структуре на основе аморфных слоев гидрогенезированных карбида кремния и кремния a-SiC:H/a-Si:H демонстрирует эффективность преобразования солнечной энергии, равную 7.55% [Y. Hamakawa, Recent progress of the amorphous silicon solar cells and their technology. Journal de Physicque, Suppl №10, V.42, (1981), p.p.С4-1131].
В вышеприведенных источниках для получения пленок аморфного гидрогенизированного a-SiC:H использовались разновидности CVD технологий (Chemical vapor deposition - химическое парофазное осаждение), а именно - химическое парофазное осаждение с горячей нитью HWCVD/HFCVD (Hot wire chemical vapor deposition/hot filament CVD), также известное как каталитический Cat-CVD (Catalitic chemical vapor deposition) [Агеев О.А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С., Киселев B.C., Конакова Р.В., Лебедев А.А.. Миленин В В., Охрименко О.Б., Поляков В.В., Светличный A.M., Чередниченко Д.И. Карбид кремния: технология, свойства, применение. Харьков: «ИСМА», (2010), С.532].
Известна описанная в источнике [Banerjee C, Haga K.; Miyajima S.; Yamada A.; Konagai M., Fabrication of µc-3C-SiC/c-Si Heterojunction Solar Cell by Hot Wire CVD System, Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference, on 7-12 May 2006, V.2, pp.1334-1337.] однопереходная фотовольтаическая структура на основе микрокристаллической гидрогенизированной пленки 3C-SiC:H, полученной методом химического осаждения с горячей нитью (HWCVD). Толщина пленки n-типа 3C-SiC:H на подложке p-типа Si составляла 200 нм и удельное сопротивление 1-10 Ом·см. Эффективность данной структуры составила 14.2%. Недостатком является сложная технология получения и значительная толщина пленки карбида кремния.
Известна структура из источника [J. Appl. Phys. 67, 6538 (1990); http://dx.doi.org/10.1063/1.345131 (6 pages) A new type of high efficiency with a low cost solar cell having the structure of а µc SiC/polycrystalline silicon heterojunction Y. Matsumoto, G. Hirata, H. Takakura, H. Okamoto, and Y. Hamakawa], где микрокристаллическая пленка толщиной 70 нм µc-SiC n-типа проводимости на поликристаллической подложке Si p-типа проводимости была получена с применением плазмы, возбуждаемой циклотронным электронным резонансом, в сочетании с химическим осаждением из паровой фазы. А в качестве верхнего электрода использован сплав оксида индия и олова. Эффективность данной структуры составила 15.4%. К недостатком структуры можно отнести сложность технологии и толщину пленки карбида кремния микрокристаллической модификации.
За прототип принята структура из источника [A. Solangi, M.I. Chaudhry, Amorphous and Crystalline Silicon Carbide IV, Springer, Proceedings in Physics, Volume 71, (1992), pp 362-367], представляющая собой ячейку β n-SiC/p Si, с верхним электродом в виде металлической решетки и металлическим нижним электродом, где микрокристаллический слой карбида кремния n-типа проводимости получают методом химического осаждения из паровой фазы на подложку - монокристаллическую пластину Si ориентации (100) и p-типа проводимости. Эффективность данной структуры составила 7.7%. Недостатком является сложная технология, которая не позволяет получать толщину пленки менее 70-100 нм, не гарантирует возможность получения пленки карбида кремния аморфной модификации, а также является недостаточно экологически безопасной.
Задача - создание однопереходной фотовольтаической структуры гетероструктуры солнечного элемента на основе монокристаллического кремния p-типа, покрытого слоем аморфного карбида кремния n-типа проводимости.
Технический результат - эффективность фотовольтаической структуры не ниже, чем у прототипа, при толщине пленки аморфного карбида кремния n-типа проводимости в диапазоне 6-20 нм.
Дополнительный технический результат - более низкая стоимость фотовольтаической структуры и более экологичная технология ее получения.
Технический результат достигается за счет того, что в структуру, содержащую слой карбида кремния n-типа проводимости, подложку из монокристаллической пластины Si ориентации (100) p-типа проводимости, верхний и нижний металлические электроды, внесены следующие новые признаки:
- структура представляет собой двухслойный компонент p-n гетеропереход a-SiC/c-Si, на основе аморфного карбида кремния n-типа проводимости и монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости;
- слой карбида кремния n-типа проводимости толщиной в диапазоне 6-20 нм представляет собой аморфную модификацию и нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC;
- верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди;
- нижний электрод из серебра или меди расположен непосредственно на обратной стороне подложки из монокристаллического кремния.
Изобретение характеризуют следующие фигуры:
Фигура 1. Разрез фотовольтаической структуры (вид сбоку),
Фигура 2. Вид сверху на фотовольтаическую однопереходную структуру;
Фигура 3. Изображения, полученные на просвечивающем микроскопе JEM 2100, подтверждающие аморфную модификацию пленки SiC:
Фотовольтаическая структура представляет собой полупроводниковый однопереходный p-n солнечный элемент a-SiC/c-Si, включающий верхний электрод 1, выполненный в виде контактной гребенки из серебра или меди, слой 2 аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной в диапазоне 6-20 нм, нанесенный методом нереактивного магнетронного распыления из твердотельной мишени SiC на предварительно подготовленную поверхность подложки 3 из монокристаллического кремния ориентации (100) p-типа проводимости и нижний электрод 4 из серебра или меди, нанесенный непосредственно на обратную сторону подложки из монокристаллического кремния.
Конкретный пример выполнения.
Верхний электрод 1, выполненный в виде контактной гребенки из серебра или меди, нанесен на слой 2 аморфного карбида кремния. Слой 2 аморфного карбида кремния n-типа проводимости толщиной в диапазоне 6-20 нм нанесен методом нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени, представляющей собой синтезированный предварительно SiC, на предварительно подготовленную поверхность подложки 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 p-типа проводимости ориентации (100), толщиной 300 мкм, с удельным сопротивлением 2 Ом·см. На нижней обратной стороне подложки 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 нанесен нижний электрод 4 из серебра или меди.
В предложенной структуре аморфный SiC n-типа проводимости выступает в роли внешнего светопоглощающего слоя, поэтому не требуется нанесения дополнительных слоев концентраторов солнечного излучения.
Перед нанесением аморфного карбида кремния на предварительно подготовленную с целью удаления естественного слоя оксида кремния подложку 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 поверхность, со стороны, где наносится SiC, может быть отполирована, что положительно влияет на качество наносимой пленки.
С другой стороны, на развитой неполированной поверхности подложки поглощение солнечной энергии, а следовательно, и эффективность фотовольтаической структуры может возрасти.
Для улучшения контакта с металлом обратная поверхность подложки 3, на которую наносят второй электрод 4, может быть также отполирована, однако улучшение не столь значительно, поэтому допустимо наносить второй электрод 4 на неполированную поверхность подложки 3.
Аморфное состояние пленки карбида кремния подтверждено результатами дифракции электронного пучка в просвечивающем электронном микроскопе JEM 2100. Дифракционные кольца на фиг.3a свидетельствуют об отсутствии преобладающей ориентации в аморфной пленке SiC, выращенной на подложке Si (100), на фиг.3b явственно видна островковая структура аморфной пленки SiC.
Заявленная фотовольтаическая структура на основе гетероструктуры a-SiC/c-Si «аморфный карбид кремния - кремний p-типа» с использованием полированной, неразвитой поверхности подложки из монокристаллического кремния и без применения концентраторов солнечного излучения демонстрирует эффективность 7,83%.
Следовательно, поставленная задача по достижению заявленного технического результата решена.