кремниевый фотоэлектрический преобразователь с гребенчатой конструкцией и способ его изготовления
Классы МПК: | H01L31/18 способы и устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей |
Автор(ы): | Мурашев Виктор Николаевич (RU), Леготин Сергей Александрович (RU), Симакин Виктор Васильевич (RU), Корольченко Алексей Сергеевич (RU), Тюхов Игорь Иванович (RU), Абдуллаев Олег Рауфович (RU), Леготина Нина Геннадьевна (RU), Краснов Андрей Андреевич (RU), Приходько Наталья Илларионовна (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-07-20 публикация патента:
20.12.2013 |
Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Согласно изобретению предложено создание «гребенчатой» конструкции фотоэлектрического преобразователя, которая позволяет реализовать в его диодных ячейках максимально возможный объем области пространственного заряда p-n переходов, в котором сбор неосновных носителей заряда происходит наиболее эффективно. Предложены конструкция и способ изготовления этой конструкции гребенчатого кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя. Данное изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия фотоэлектрических преобразователей до 32%. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.
Формула изобретения
1. Конструкция гребенчатого кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя, содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности, вертикальных одиночных n+ -p--p+(p+-n--n +) переходов и расположенными в диодных ячейках, параллельно к светопринимающей поверхности, горизонтальных n+-р -(р+-n-) переходов, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей - n+(р+) типа перпендикулярных одиночных n+ -p--p+(p+-n--n +) переходов, отличающаяся тем, что 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.
2. Способ изготовления конструкции гребенчатого кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных p+-n--n+(p+ -p--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, отличающийся 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 (р--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.
Описание изобретения к патенту
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;
- наносят оксид кремния (SiO2) и просветляющее покрытие (Si3N4).
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
-D1- одиночные вертикальные n-р-переходы;
- D2 - горизонтальные n-р-переходы;
- D3, D4 - 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.
Класс H01L31/18 способы и устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей