Устройство и способ изготовления двухстороннего кремниевого матричного солнечного элемента

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, в частности к кремниевым солнечным элементам и технологии их изготовления.

Известны конструкция и способ изготовления кремниевых полупроводниковых фотоэлектрических генераторов в виде двухсторонней твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных микроэлементов, у которых два линейных размера - ширина и высота микроэлементов - не превышают диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, p-n-переходы и изотипные переходы расположены на двух противоположных гранях микроэлементов, перпендикулярных рабочей поверхности (авт. свид. СССР №288163. БИ №36, 1970). Такая конструкция впоследствии получила название матричный солнечный элемент (МСЭ), а в зарубежной классификации vertical multi-junction solar cell (VMJ). Для изготовления фотопреобразователя проводят диффузию фосфора и бора в противоположные стороны пластины кремния, металлизированные пластины спаивают в столбик с соблюдением полярности, столбик разрезают на матрицы перпендикулярно плоскости р-n-переходов, удаляют нарушенные при резке слои и наносят плоское защитное покрытие из стекла на обе поверхности генератора с помощью прозрачного герметика.

Известен полупроводниковый фотоэлектрический генератор, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-р-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора (патент RU 2336596). На поверхности МСЭ, свободной от p-n-переходов имеется изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика. Нанокластеры металлов размером 10-40 нм размещены либо непосредственно на поверхности МСЭ, либо между пассивирующим и антиотражающим покрытием, либо внутри изолирующей пленки, совмещающей функции пассивирующего и антиотражающего покрытий.

Известен солнечный элемент с вертикальными переходами, перпендикулярными рабочей поверхности (Vertical Multijunction Solar Cell with Textured Surface, US Patent No.12/536987 от 06.08.2009). Увеличение эффективности преобразования солнечного излучения достигается текстурированием светоприемной поверхности с кристаллографической ориентацией (100), выполненной в виде V- и U-образных конфигураций, расположенных нормально плоскости p-n-переходов микроэлементов. Текcтурированная рабочая поверхность может пассивироваться и просветляться с использованием общепринятых стандартных покрытий. Недостатком имеющихся матричных элементов является относительно невысокий КПД преобразования энергии солнечного излучения, высокая стоимость изготовления пассивирующих и просветляющих покрытий, использующих дорогостоящее оборудование.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-p-p⁺(p⁺-n-n⁺) диодными структурами, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом от 30° до 150° к рабочей поверхности генератора (патент RU 2494496 от 27.09.2013). По всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия. В другом варианте по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещены пассивирующая и просветляющая пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.

Недостатком прототипа матричного преобразователя является недостаточно высокая эффективность преобразования электромагнитного излучения и высокая стоимость его изготовления, требующая использования дорогостоящего оборудования для катодно-реактивного, магнетронного или атомно-слоевого осаждений.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования принимаемого спектра солнечного излучения и КПД двухстороннего кремниевого матричного солнечного элемента, упрощение технологического цикла, его изготовления и снижение стоимости фотоэлектрического преобразователя. В результате использования предлагаемого изобретения стабилизируется состояние рабочих поверхностей во всем температурном и временном диапазонах работы фотопреобразователей и снижается рекомбинационная активность на границе раздела полупроводник-диэлектрик, что приводит к улучшению фотоэлектрических параметров и повышению КПД матричного фотопреобразователя. Использование предлагаемого способа изготовления не требует применения дорогостоящего оборудования для термического, пиролитического, катодно-реактивного, магнетронного или атомно-слоевого осаждений, обычно используемых в технологии производства матричных СЭ, что значительно удешевляет стоимость фотопреобразователей.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в результате использования предлагаемого устройства кремниевого двухстороннего матричного солнечного элемента с n⁺-p-p⁺(p⁺-n-n⁺)-структурой с базовой областью p(n)-типа, выполненного в виде матрицы из последовательно скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых ширина базы соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда, а плоскости p-n переходов перпендикулярны рабочим поверхностям, на рабочих поверхностях размещены изолирующая пассивирующая пленка на основе хлорида одного из металлов цинка, алюминия, тантала, бериллия, гафния, циркония или тория и просветляющее покрытие из полимерной силановой пленки с толщиной 100 Å.

В предлагаемом способе изготовления кремниевого двухстороннего матричного солнечного элемента, включающем химическую отмывку пластин, диффузионное легирование, металлизацию, сборку пластин в столбик, сплавление металлизированных дисков, резку столбиков на элементы и припайку выводов, изолирующую пассивирующую пленку хлорида одного из металлов цинка, алюминия, тантала, бериллия, гафния, циркония или тория наносят на рабочие поверхности методом химического осаждения из органических растворов, а просветляющее покрытие из полимерной силановой пленки - методом химического осаждения из органозамещенных низкомолекулярных силанов.

Сущность изобретения поясняется (Фиг.1), на которой представлена общая схема устройства кремниевого двухстороннего матричного солнечного элемента.

Устройство содержит последовательно соединенные n⁺-p-p⁺(p⁺-n-n⁺)-микрофотопреобразователи 1, базовую область p(n)-типа 1, n⁺-p(p⁺-n)-переходы 2, легированный изотипный p⁺(n⁺)-слой 3, рабочие поверхности 4 и 7, внутренние металлические контакты 5, пассивирующее покрытие 6, просветляющее покрытие 8, внешние металлические контакты 9; n⁺-p(p⁺-n)-переходы и изотипные p-p⁺(n-n⁺)-переходы расположены перпендикулярно рабочим поверхностям, а ширина базы микрофотопреобразователей соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области. Толщина просветляющего покрытия 8 соответствует первому порядку четвертьволнового просветления на длине волны 600 нм.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Падающее на рабочие поверхности кремниевого двухстороннего матричного солнечного элемента 4 и 7 электромагнитное излучение через просветляющее и пассивирующее покрытия 8 и 6, соответственно, поступает в объем фотопреобразователя. В эмиттерной 2 и базовой 1, 3 областях микрофотопреобразователей происходит поглощение фотонов, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем n⁺-p (p⁺-n)-переходов, что вызывает во внешней цепи солнечного элемента фототок, пропорциональный плотности потока солнечного излучения и площади рабочей поверхности микрофотопреобразователя. ФотоЭДС, вырабатываемая матричным солнечным элементом, содержащим n последовательно соединенных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺)-микрофотопреобразователей, превышает фотоЭДС пленарного СЭ в n раз. При использованиии в качестве пассивирующего покрытия 6 пленки из хлоридов одного из металлов цинка, алюминия, тантала, бериллия, гафния, циркония или тория, полученных методом химического осаждения из органических растворов, происходят очистка рабочих поверхностей от щелочных металлов и снижение рекомбинационной активности на границе раздела пассивирующая пленка - поверхность СЭ, в результате повышается фоточувствительность и КПД преобразователя. Хлориды цинка, алюминия, тантала, бериллия, гафния, циркония и тория находятся в органическом растворителе в виде положительно заряженных ионов металла и отрицательно заряженных ионов хлора. Ионы Na+ K+, находящиеся на поверхности СЭ, взаимодействуют с ионами Сl^- с образованием солей, выпадающих в осадок и смываемых растворителем. Эффект улучшения фотоэлектрических параметров матричных СЭ имеет место при любой кристаллографической ориентации рабочих поверхностей фотопреобразователя. При длительном нахождении СЭ на воздухе пассивирующая пленка насыщается влагой и фотоэлектрические параметры СЭ деградируют. С целью исключения этого эффекта гидратированные поверхности матричного СЭ обрабатывают в растворах органозамещенных низкомолекулярных силанов, реагирующих с влагой на поверхности СЭ и образующих гидрофобную силановую пленку, стабильную во времени и во всем рабочем диапазоне температур матричных СЭ. Толщину полимерной силановой пленки выбирают равной ~ 100 Å, что соответствует первому порядку четвертьволнового просветления на длине волны 600 нм, при этом поглощение света во всем диапазоне принимаемого солнечного излучения в наносимой пленке не превышает 8%. Показатель преломления силанового покрытия находится в пределах 1,49-1,55, что обеспечивает хорошие просветляющие свойства покрытий.

Предлагаемые процессы химического осаждения пассивирующих и просветляющих покрытий стабилизируют рабочие поверхности матричного фотопреобразователя, снижают их рекомбинационную активность, обеспечивают хорошие просветляющие свойства, что в значительной степени улучшает эффективность преобразования принимаемого спектра солнечного излучения и повышает КПД двухстороннего кремниевого матричного солнечного элемента. Использование процессов химического осаждения не требует применения дорогостоящего оборудования, что значительно упрощает и удешевляет технологический цикл изготовления фотопреобразователей.

Пример способа изготовления кремниевого двухстороннего матричного солнечного элемента

Матричные солнечные элементы изготавливают из пластин монокристалличеокого кремния р (n)-типа. Пластины отмывают, травят до толщины 0,3 мм и легируют фосфором и бором для образования основного n⁺-p(p⁺-n) и изотипного p-p⁺(n-n⁺)-переходов. Полученные диски с n⁺-p-p⁺(p⁺-n-n⁺)-структурой металлизируют с двух сторон, собирают в столбики высотой b и сплавляют. Столбики режут на полоски по 0,4 мм, при этом плоскость реза ориентируют перпендикулярно плоскости пластин. Полученные заготовки размером а×b×0,4 мм (а - длина поперечного сечения) разрезают на элементы с нужной длиной 1 и общими габаритами кремниевого двухстороннего солнечного элемента 1×b×0,4 мм (ширина b=n×0,3 мм, n - количество последовательно соединенных микроэлементов фотопреобразователя). Плоскость реза ориентируют нормально плоскости сечения и длине микроэлементов. К внешним металлическим контактам припаивают выводы. Торцы b×0,4 и рабочие поверхности полученных матричных структур травят. На рабочие поверхности и торцы b×0,4 наносят пассивирующее и просветляющее покрытия.

В качестве изолирующего пассивирующего покрытия 6 используют пленку хлорида алюминия, полученную методом химического осаждения. Для нанесения пассивирующего покрытия кристаллы хлорида алюминия растворяют в изопропиловом спирте со следами моноэтиленгликоля (~5%) в соотношении 1:1 и перемешивают в ультразвуковой ванне. В приготовленный раствор помещают матричный СЭ, держа его за припаянные выводы, и выдерживают в нем фотопреобразователь при постоянном покачивании в течение 3 мин. После выдержки на воздухе в течение 5 мин матричный СЭ прогревают в термостате (130°С, 30 мин) и окунают в деионизованную воду, при этом на поверхности образуется слой гидратированного хлорида алюминия АlСl₃⋅6Н₂О и воды. Смоченные водой СЭ погружают в раствор, состоящий из смеси метилхлорсилана, триметилхлорсилана и толуола, взятых в соотношении 1:2:1. При реакции смеси метилхлорсилана и триметилхлорсилана с влагой на поверхности фотопреобразователя происходят образование соляной кислоты и поликонденсация защитной пленки. Окончательное формирование полимерного силанового покрытия происходит при последующем нагреве фотопреобразователей при Т=180°С в течение 16 часов. Наличие толуола позволяет регулировать концентрацию силанов и отводить продукты гидролиза, создавая тем самым гомогенную среду для поликонденсации защитной пленки. Операцию силанирования повторяют два раза, причем при повторном процессе для повышения гидрофобизирующей способности раствора из него исключают толуол.

Показатель преломления полученного полимерного силанового покрытия находится в пределах 1,49-1,51. При выбранной технологии нанесения общая толщина просветляющего покрытия составляет ~100 Å, что соответствует первому порядку четвертьволнового просветления на длине волны 600 нм.