КРЕМНИЕВЫЙ МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С НАКЛОННОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей.

Известны конструкции кремниевого монокристаллического ФП, содержащие диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них p⁺-n^-n⁺ (p⁺-p^--n⁺) переходами в направлениях, перпендикулярном и (или) параллельном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами [1. Патент РФ №2127472, опубликованный 1999.03.10; 2. Копач В.Р. и др. Применение рефлекторов из ITO/A1 для повышения эффективности монокристаллических кремниевых фотопреобразователей. Физика и техника полупроводников, 2010, т. 44, вып.№6, стр.802-806; 3. Гук Е.Г. и др. Характеристики кремниевого многопереходного солнечного элемента с вертикальными p-n-переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников, 1997 г. Т.31, №7 стр.855-858].

Такие ФЭП обладают не максимально возможной эффективностью преобразования длинноволнового спектра солнечного излучения в длинноволновом диапазоне волн 0,8-1,1 мкм, а следовательно, максимально возможным коэффициентом полезного действия (КПД), обычно менее 12%, поскольку для длинноволновых фотонов они имеют относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ), где фотоны могли бы быть поглощены.

Известна выбранная за прототип (рис.1) конструкция кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), содержащая диодные ячейки (ДЯ) с n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^-n⁺) переходами, параллельными горизонтальной светопринимающей поверхности, при этом диодные ячейки содержат n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) области n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^-n⁺) переходов, через которые они соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными на поверхности n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей с образованием соответствующих омических контактов - соединений [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 n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, осаждение металла на поверхность пластин, сборку пластин в столбик с прокладками из металлической фольги, сплавления пластин в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных p⁺-n (n⁺-p) переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.

Недостатками конструкции прототипа также является невозможность достижения максимального КПД фотопреобразователя из за недостаточно полного поглощения длинноволновых фотонов.

Целью изобретения является повышение КПД фотопреобразователя и создание технологии его изготовления.

Первая цель достигается путем создания «наклонной» конструкции диодных ячеек ФЭП, содержащих фоторефлекторы, расположенные под углом 30-45 градусов к светопринимающей поверхности, причем n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) области и соответствующие им катодные и анодные электроды расположены под углом примерно 45 градусов к светопринимающей поверхности, при этом металлические катодные и анодные электроды расположены на их поверхности частично, а частично расположены на поверхности оптически прозрачного диэлектрика, расположенного на поверхности n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей, при этом они с металлическими электродами и оптически прозрачным диэлектриком образуют оптический рефлектор.

Вторая цель - создание технологии изготовления ФЭП достигается тем, что после формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^-n⁺) переходов на их поверхности наносится оптически прозрачный диэлектрик, в диэлектрике формируются контактные окна, затем проводят осаждение металла на поверхность диэлектрика, проводят сборку пластин в столбик с прокладками из металлической фольги, затем сплавление пластин в вакуумной печи, затем резанье столбика на структуры под углом 30-60 градусов, затем формирование горизонтальных p⁺-n(n⁺-p) переходов, затем присоединение токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.

«Наклонная» конструкция ФЭП поясняется рисунками (рис.2а, б, в). На рис.2 соответственно показано вид сверху (снизу) и сечение конструкции 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 расположенным на их поверхности оптически прозрачным диэлектриком - 5, содержащим контактные окна - 6, через которые металлические электроды 3, 4 соединены с соответствующими полупроводниковыми областями - 7n⁺(p⁺) типа и - 8 p⁺(n⁺) типа n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, соединенные соответственно с областями - 9 n^-(p^-) типа и - 10 p^-(n^-) переходов, параллельных горизонтальной светопринимающей поверхности.

Технология изготовления

ФП, согласно изобретению, может быть изготовлен по относительно простой технологии, например, по технологии, представленной на рис. 3а-д:

а) - в пластинах p^--типа КДБ 10 Ом-см - формируют одновременной диффузией бора и фосфора p⁺ - и n⁺ - области;

б) - осаждают оптически прозрачный диэлектрик - окисел кремния толщиной 1 мкм и проводят фотолитографию, и формируют в оксиде контактные окна, и осаждают на обе стороны пластины алюминий;

в) - спекают (сплавляют, сращивают) пластины в стопку;

г) - режут стопку пластин на отдельные фотопреобразователи;

д) - имплантируют в нижнюю и верхнюю поверхности ФЭП фосфор и дозой 40 мкКул и 1 мэВ, формируя тем самым горизонтальные n-p-переходы, и проводят фотонный отжиг радиационных дефектов, затем наносят просветляющее покрытие - (оксид кремния (SiO₂) и нитрид кремния (Si₃N₄).

Технические преимущества изобретения

Как видно из рис.2. диодные ячейки фотопреобразователя образуют «наклонную» конструкцию и содержат рефлекторы. расположенные под углом 45 к светоприемной поверхности, что дает возможность отражаться от их стенок длинноволновым фотонам и проходить максимально возможный путь в полупроводниковом материале и в 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 диодных ячеек ФЭП.

Теоретические оценки показывают возможность достижения КПД до 32% в преобразователях данного типа.

Несмотря на несколько более высокую стоимость, по сравнению с традиционными планарными батареями, ФЭП с рефлекторами вполне конкурентно способны и перспективны, учитывая их высокую термостойкость ФЭП и соответственно возможность их работы с концентраторами излучения.