Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния
MONOCRYSTALLINE SILICON-BASED SOLAR PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к области физики, а именно к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к солнечным элементам (СЭ) на основе кристаллического кремния, и может быть использовано для создания солнечных батарей космического применения с повышенными энерго-массовыми характеристиками и увеличенным в 2-3 раза сроком службы.
Из уровня техники известно, что толщина существующих кремниевых фотопреобразователей обычно составляет 160-180 мкм. Толщину фотопреобразователя можно уменьшить без ущерба КПД преобразования до 120-140 мкм. Дальнейшее уменьшение толщины кристалла (менее чем 120 мкм) приводит к потере мощности за счет уменьшения генерации носителей тока длинноволновыми квантами излучения, глубина поглощения которых в кремнии доходит до 120-140 мкм.
Проблему увеличения энергомассовых характеристик кремниевых солнечных батарей можно решить на основе новой структуры, где область генерации носителей тока будет заключена в узком слое у фронтальной поверхности фотопреобразователя. При этом, т.е. при создании условий сужения области генерации носителей тока вблизи фронтальной поверхности, появится возможность уменьшения толщины и веса фотопреобразователя, равно и солнечной батареи, без снижения КПД преобразования.
Еще одной проблемой является невысокий срок службы космических кремниевых солнечных батарей. Проблема заключается в том, что из-за сравнимых значений толщины базы фотопреобразователя с длиной диффузионного смещения неосновных носителей тока в этой базе, сбор носителей тока из базы уменьшается с уменьшением времени жизни генерированных носителей в результате радиационного облучения. Спад КПД преобразования со временем зависит от соотношения толщины базы к длине диффузионного смещения носителей тока в этой базе. Чем тоньше база фотопреобразователя, тем больше по времени будет возможность сохранения высоких значений коэффициента собирания носителей тока и, соответственно, будет больше срок службы солнечной батареи. Непременным условием при этом является полное поглощение падающего потока излучения и генерация носителей тока в такой тонкой базе.
Таким образом, увеличение срока службы фотопреобразователей, равно и коммутированной из них солнечной батареи, решается путем создания новой структуры фотопреобразователя с тонкой базой. В предлагаемом изобретении одновременно решаются обе вышеописанные проблемы - снижения веса и повышения срока службы.
Известно, что ограничение КПД преобразования полупроводникового фотопреобразователя связано с фундаментальными и технико-технологическими потерями.
К фундаментальным потерям относятся:
g
g
- потери мощности за счет излучений, энергия которых меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника (hν≤E) (hν - энергия кванта, E - ширина запрещенной зоны), т.е. у таких квантов излучений энергия недостаточна для генерации электронно-дырочных зарядов;
g
- потери мощности, связанные с генерацией «горячих» носителей тока, т.е. когда «избыточная» энергия (Е=hν-E) кванта излучения теряется в результате взаимодействия возбужденного электрона с кристаллической решеткой полупроводника;
oc
- термодинамические потери - это потери, связанные с кинетической энергией электрона при температурах, отличных от абсолютного нуля, и потери, связанные со снижением напряжения холостого хода элемента (V) с температурой.
Фундаментальные потери присутствуют во всех видах структур фотопреобразователей. Эти потери можно уменьшить, например, каскадированием элементов или уменьшением температуры, но полностью устранить такие потери невозможно. Развитие техники и технологии кремниевых фотопреобразователей с одним р-п переходом, в основном, идет по пути снижения технико-технологических потерь мощности. Заявляемая структура СЭ также относится к фотопреобразователям с одним р-п переходом и реализация технического результата - уменьшение веса и увеличение срока службы станет возможной благодаря новым решениям в области техники и технологии создания структуры элемента.
К технико-технологическим потерям относятся световые, рекомбинационные потери мощности и потери на последовательном сопротивлении элемента. Технико-технологические потери мощности определяются уровнем развития технологии и они, в принципе, устранимы.
Достижение высокой эффективности преобразования солнечного излучения при уменьшении толщины кристалла проблематично без кардинального уменьшения световых и рекомбинационных потерь в структуре фотопреобразователя. Для уменьшения световых потерь, связанных с отражением излучения от поверхности кристалла, фронтальная поверхность подвергается анизотропному травлению для получения текстуры. Например, в источниках [1], [2], [3] для получения текстуры на поверхности применяется химическое травление кристалла в щелочном растворе. Для уменьшения отражения на текстурированную поверхность осаждается одно- или двухслойное антиотражающее покрытие с меньшим, чем у кремния коэффициентом преломления света. Текстурированная поверхность фотопреобразователя снижает отражение света от поверхности элемента, отклоняя световые лучи от граней отдельных текстур. Однако при анизотропном травлении кремния в щелочах, текстура формируется не однородной - размеры текстур обычно составляют от 2 до 5 мкм, текстуры располагаются хаотично, а формы текстур разнообразны. При падении светового потока на такую текстурированную поверхность световые лучи будут преломляться под разными углами в зависимости от места падения квантов излучения. При этом углубление в кристалл квантов излучений будет разным, наряду с отклоненными на больший угол от первоначального направления квантами излучений будут и кванты, проникающие в кристалл под малым углом отклонения. Такие кванты, в зависимости от энергии, будут поглощены на разных глубинах кристалла. Длинноволновые кванты могут проникать глубоко в кристалл и генерировать электронно-дырочные пары в глубоких слоях (до ~120-140 мкм). Поэтому такая текстура не годится для целей утончения фотопреобразователя, так как при утончении кристалла менее чем ~120 мкм появятся потери мощности, связанные с длинноволновыми квантами, которые будут пролетать сквозь кристалл без генерации зарядов.
+
+
Кроме оптических потерь, важное значение для достижения высокой эффективности преобразования имеет устранение рекомбинационных потерь как на поверхности, так и в объеме кристалла. Генерированные светом носители тока могут теряться в результате рекомбинации на поверхности или в объеме полупроводника. Поверхностная рекомбинация зависит от степени пассивации и защиты поверхности, а объемная рекомбинация (рекомбинация в базовой области) зависит от многих факторов, среди которых основным является время жизни неосновных носителей тока, определяющее длину диффузионного смещения носителей тока. При поглощении квантов излучений в глубоких слоях кристалла, генерированные светом носители тока могут диффундировать как в сторону фронтальной поверхности (к р-п переходу), так и в сторону тыльной поверхности. Носители тока, диффундирующие к тыльной поверхности, могут исчезнуть в результате рекомбинации у тыльной поверхности, если не создать потенциальные барьеры в виде р-р или п-п переходов, препятствующих попаданию носителей к поверхности, либо если не защитить поверхность специальным слоем. Кроме того, нужно иметь высокое значение времени жизни неосновных носителей тока, за время которого носители заряда, отразившись от тыльного барьера, смогли дойти до р-п перехода. Таким образом, из вышеприведенного материала становится понятным, что утончение фотопреобразователя с использованием известных технологических операций приведет к снижению эффективности преобразования. Попытки уменьшения толщины СЭ за счет применения отражающих пленок на тыльной поверхности не привели к успеху из-за создания дополнительных проблем пассивации тыла. В источнике [4] раскрыта попытка создания тонкого фотопреобразователя с отражающей пленкой на тыльной поверхности. Роль отражающей пленки заключалась в отражении длинноволновых квантов излучения, пролетевших сквозь тонкий кристалл, обратно в объем кристалла для поглощения и генерации носителей тока. Однако, эффект от отраженных квантов был, практически, незаметным, а потери, связанные с поверхностной рекомбинацией носителей, наоборот, увеличились. Поэтому в существующих структурах снижение толщины СЭ неизбежно приводит к снижению КПД преобразования. Для решения этой проблемы проблемы утончения СЭ без снижения КПД преобразования необходимо, чтобы полное поглощение падающего излучения и генерация носителей тока происходили в небольших от поверхности кристалла глубинах.
В качестве наиболее близкого аналога принят солнечный элемент [5] на основе кристаллического кремния, состоящий из областей р- и n-типов проводимости, имеющий электроды (омические контакты) к р- и n-областям, в котором на освещаемой поверхности кристалла создана дифракционная решетка с периодом, равным длине волны кванта излучения, энергия которого равна ширине запрещенной зоны кристалла.
В результате анализа данного решения необходимо отметить, что в нем тыльный потенциальный барьер сформирован так же, как и в других известных структурах, у тыльной поверхности кристалла, что обуславливает его невысокий срок службы и значительные весовые характеристики.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение срока службы фотопреобразователя в космосе, а также уменьшение его веса при сохранении высоких значений КПД преобразования солнечного излучения.
+
+
+
+
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в солнечном фотопреобразователе на основе монокристалического кремния с n-p или p-n переходом у фронтальной поверхности, изотипным p-p или n-n тыльным потенциальным барьером для неравновесных неосновных носителей тока, дифракционной решеткой на фронтальной поверхности с периодом равным 1 мкм, содержащем эмиттер, базу и токосъемные контакты, новым является то, что тыльный потенциальный барьер для неравновесных неосновных носителей тока сформирован за областью генерации зарядов, на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности фотопреобразователя, а тыльный потенциальный барьер может быть сформирован эпитаксиальным выращиванием слаболегированного базового слоя толщиной 15÷20 мкм на сильнолегированном слое.
Создание дифракционной решетки с периодом, равным длине волны падающего излучения на поверхности фотопреобразователя, позволяет отклонять входящее в кристалл излучение от первоначального направления на больший угол, чем обычная текстура поверхности.
Дифракционная решетка на поверхности СЭ с периодом, сравнимым с длиной волны падающего света (~1 мкм), позволит локализовать область генерации носителей тока на небольшой глубине (≤15 мкм) от фронтальной поверхности. Выбранный период решетки равен длине волны света излучения, энергия которого еще достаточна для генерации электронно-дырочных пар в кремнии.
Известно, что кванты излучений с длиной волны λ=1 мкм, которые еще могут генерировать носителей заряда, поглощаются в кристаллическом кремнии на глубинах ~120-140 мкм. Поэтому важно, чтобы такие длинноволновые кванты преломлялись при вхождении в кристалл под большим углом. Тогда, несмотря на длинный путь (~120-140 мкм) прохождения до генерации носителей заряда, глубина генерации от поверхности будет небольшой (≤15 мкм) и находиться в пределах, близких к области влияния p-n перехода. А коротковолновые кванты, хотя отклонятся относительно на небольшой угол, поглотятся еще ближе к поверхности.
Таким образом, создавая дифракционную решетку с периодом ~1 мкм на поверхности кремниевой структуры СЭ, можно добиться поглощения светового излучения, соответственно генерации носителей тока, в тонкой области вблизи поверхности кристалла. При таких условиях поглощения излучений все генерированные носители тока, практически, окажутся в пределах влияния p-п перехода (влияние объемного заряда р-п перехода + влияние градиента концентрации неравновесных носителей тока). Это увеличит внутренний квантовый выход, сведя рекомбинационные потери в базовой области, практически, к нулю. Возможность сильного отклонения входящего в кристалл квантов излучений от первоначального направления позволяет уменьшить толщину элемента до ~15÷20 мкм без снижения КПД преобразования. Но на практике из-за хрупкости кристаллического кремниевого материала получение общей толщины СЭ менее чем 50÷60 мкм проблематично. Даже при толщине СЭ в 60÷80 мкм вес генерирующей части солнечной батареи будет меньше в два и более раза, чем у существующих батарей (толщина существующих СЭ ~150÷180 мкм).
Возможность уменьшения глубины генерации носителей тока позволит решить проблему увеличения срока службы СЭ космического применения путем создания тонкой базы. Для этого необходимо «переместить» тыльный потенциальный барьер с тыльной поверхности кристалла вглубь кристалла и расположить его на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности. Формирование потенциального барьера в глубине 15÷20 мкм от поверхности элемента позволит создать структуру солнечного элемента со сверхтонкой базой по сравнению с существующими элементами, где толщина базы практически равна толщине кристалла. Соотношение длины диффузионного смещения неосновных носителей тока к толщине базы определяет эффективность сбора генерированных носителей тока. Чем выше это соотношение, тем выше эффективность сбора носителей из базовой области. Кроме того, это соотношение, в основном, будет определять длительность эффективной работы фотопреобразователя в космическом пространстве, и чем выше будет это соотношение, тем дольше будет срок службы. Формирование тонкой базы позволит, таким образом, увеличить срок службы элементов в космосе.
Если в СЭ наземного применения время жизни генерированных светом излучения носителей заряда, практически, не зависит от времени эксплуатации элемента в наземных условиях, то в фотопреобразователях космического применения время жизни неосновных носителей заряда в базовой области структуры сильно зависит от времени нахождения фотопреобразователя в космосе. Причиной такой зависимости является влияние космической радиации на время жизни неосновных носителей, и в итоге, на КПД преобразования СЭ. С истечением времени (с увеличением дозы радиации) нахождения в космосе время жизни неосновных носителей заряда в базовой области структуры снижается из-за радиационных дефектов, возникающих в объеме кристалла. Соответственно, снижение времени жизни неосновных носителей заряда приводит к уменьшению величины длины диффузионного смещения, а это в свою очередь приводит к уменьшению эффективности сбора генерированных носителей тока, т.е. к уменьшению КПД преобразования.
В структуре фотопреобразователя с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности область генерации носителей тока будет локализована в пределах до 15 мкм от фронтальной поверхности. Если при этом тыльный потенциальный барьер сформирован на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности, то тогда фотопреобразователь имеет очень тонкую базу, толщина которой будет как минимум на порядок меньше длины диффузного смещения носителей заряда в этой базе. При этом общая толщина элемента может быть больше этой величины для сохранения механической прочности кристалла.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими и табличными материалами, на которых:
- на рис. 1 показана зонная диаграмма фотопреобразователя с тонкой базой;
- на рис. 2 показан разрез структуры фотопреобразователя;
- в таблице приведены характеристики двух фотопреобразователей - фотопреобразователя с обычной структурой и толщиной базы ~150 мкм и фотопреобразователя с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности и тонкой базой толщиной ~15 мкм.
Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния содержит (рис. 2) фронтальный 1 и тыльный 2 контакты, а также тыльный потенциальный барьер 3 для неравновесных неосновных носителей тока.
+
Тыльный потенциальный барьер сформирован на глубине ~15 мкм от р-п перехода и данный барьер (р-р переход) отражает генерированные электроны, диффундирующие в сторону тыльной поверхности.
+
Эмиттер фотопреобразователя (п слой), толщина которого ~0,3 мкм, покрыт пассивирующим и антиотражающим слоем.
Таким образом, в структурах СЭ с дифракционной решеткой, формирование тыльного потенциального барьера для неравновесных неосновных носителей тока за областью генерации носителей заряда (~15-20 мкм от поверхности) создает новую структуру - структуру солнечного элемента с тонкой базой. Такая структура позволит увеличить срок службы кремниевых СЭ в космическом пространстве в два-три раза по сравнению с обычными структурами.
2
d
В технологии изготовления фотопреобразователей космического применения обычно используются монокристаллы кремния с удельным сопротивлением 5÷10 Ом⋅см и с объемным временем жизни неосновных носителей 20÷50 мк⋅сек. Длина диффузионного смещения неосновных носителей заряда в базовой области структуры СЭ, определяемая из соотношения , где D - коэффициент диффузии электронов (при комн. температуре ~25 см/сек), оказывается равной 150÷350 мкм, что сравнимо с толщиной базы структуры в существующих элементах. В структурах же с тонкой базой длина диффузионного смещения носителей тока (150÷350 мкм) на порядок и более больше толщины (15÷20 мкм) такой базы и уменьшение L с дозой облучения оказывает меньшее влияние на сбор носителей тока, чем в обычных структурах.
Для лучшего восприятия физики процесса приведем сравнительную таблицу с показателями характеристик для двух фотопреобразователей - для фотопреобразователя с обычной структурой и толщиной базы ~150 мкм и для фотопреобразователя с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности и тонкой базой толщиной ~15 мкм. При расчетах принято, что если космический аппарат (КА) находился в течение всего времени существования в одном радиационном поясе, то доза облучения, получаемая солнечными элементами, растет пропорционально времени.
d
d
Рассмотрим ситуацию, когда первоначальные характеристики (τ, L, η) двух видов СЭ (с разными толщинами базы) равны - время жизни носителей заряда базовой области τ ~50 мксек, длина диффузионного смещения неосновных носителей тока в базе L ~350 мкм, КПД преобразования η ~20% (см таблицу).
d
Радиация влияет одинаково на оба СЭ, снижает τ, и L у обоих элементов. КПД элементов, одинаковые в начале, со временем из-за влияния радиации будут снижаться с разной скоростью. Это объясняется тем, что сбор носителей тока со временем из-за разного соотношения толщины базы к длине диффузионного смещения носителей тока в этих элементах будет уменьшаться с разной скоростью. Предположим, что КА находился в радиационном поясе в течение 3 лет, где солнечные элементы получили радиационную дозу, приведшую к снижению длины диффузионного смещения в базовых областях у обоих элементах с 350 мкм до 150 мкм.
d
d
d
d
Для первого солнечного элемента длина диффузионного смещения носителей тока L сравнивается с толщиной базы и это приведет к снижению КПД примерно на 25% от первоначального значения, т.е. КПД через три года станет равным 15÷16%. У второго солнечного элемента заниженное значение L в базе (~150 мкм) на порядок больше толщины (15 мкм) этой базы и поэтому такое изменение, практически, не повлияет на сбор носителей тока. Это значит, что КПД преобразования останется неизменным и равным первоначальному значению. Через пять лет работы L у этих элементов снижается до ~80 мкм, что приведет к уменьшению эффективности преобразования первого СЭ почти в два раза. У второго СЭ с тонкой базой длина диффузионного смещения L (~80 мкм), еще много больше толщины базы (15 мкм) данной структуры, что не скажется на сборе носителей тока. Поэтому КПД преобразования второго СЭ останется, практически, на уровне первоначального значения. Только через 10 лет эксплуатации значение длины диффузионного смешения (~20 мкм) в базе второго СЭ сравняется со значением толщины базы и КПД может упасть на 20÷25%. Двойное падение КПД преобразования произойдет через 15 лет работы, что превышает срок службы обычных СЭ в два и более раз.
В решении - наиболее близком аналоге тыльный потенциальный барьер находится, также как в других известных структурах, у тыльной поверхности кристалла. В данном случае толщина базы будет равной, практически, толщине кристалла. Хотя узкая область (15 мкм) генерации позволяет утончить солнечный элемент без снижения КПД преобразования, но толщина базы, много большая чем область генерации и сравнимая с длиной диффузионного смещения носителей, не позволяет увеличить срок службы элемента в космическом пространстве.
Увеличение срока службы в космическом пространстве, как было отмечено выше, будет возможным, если формировать тыльный потенциальный барьер в глубине кристалла за областью генерации носителей тока и создать, таким образом, структуру с тонкой базой.
«Перемещение» тыльного потенциального барьера с тыльной поверхности (у существующих элементов) вглубь кристалла и формирование его на глубине в 15-20 мкм от фронтальной поверхности можно обеспечить путем эпитаксиального роста кремниевых слоев с разным уровнем легирования. Технология такого выращивания состоит из следующих последовательно выполняемых этапов:
+
+
- выращивание сильнолегированного слоя (р слоя на подложке p-типа проводимости или п на п-типе);
+
+
- выращивание слаболегированного базового слоя толщиной 15-20 мкм (p-тип слой, выращенный на р слое или п-тип на п);
+
+
- формирование на поверхности базового слоя дифракционний решетки и эмиттерного перехода (п-р или р-п).
Таким образом, создается структура СЭ с тонкой базой, которая позволяет увеличить срок службы фотопреобразователя в космическом пространстве в несколько раз. Кроме того, данная структура открывает путь создания сверхтонких (~20 мкм) монокристаллических фотопреобразователей без снижения эффективности преобразования.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Pierre Verlinden, Olivier Evrard, Emmanuel Mazy, Andre Crahay SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, 1992, 26 p 71.
[2] Plasma texturing processes for the next generation of crystalline Si solar cells H.F.W. Dekkers, F. Duerinckx and etc. 21 st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden, Germany.
[3] LIGHT TRAPPING AND OPTICAL LOSSES IN SOLAR CELLS WITH RIE TEXTURIZED SURFACES
[4] Патент Японии 2011-019092, приоритет от 31.01.2011 METHOD FOR FABRICATING SUBSTRATE FOR SOLAR CELL AND SOLAR CELL Международная заявка PCT/JP2012/051783 от 27.01.2012 Авторы: TAKATO Hidetaka, SAKATA Isao, MASE Keiji и др.
[5] Патент на изобретение №2529826, приоритет от 15.01.2014 г., СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ НА ФРОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.