Результат интеллектуальной деятельности: Фотопреобразователь с HIT структурой и технология его изготовления

Изобретение относится к физике полупроводниковых приборов, в частности к солнечным элементам (СЭ) с HIТ структурой на основе кристаллического кремния и может быть использовано для создания тонких высокоэффективных СЭ.

Из уровня техники известно, что HIТ солнечные элементы представляют собой структуру с гетеропереходами на фронтальной и тыльной поверхности кристалла, создаваемыми между кристаллическим и аморфным кремнием. Аббревиатура HIТ (heterojunction with intrinsic thin-layer) означает наличие в структуре гетероперехода тонкого внутреннего слоя.

Гетероструктура СЭ создается следующим образом: на монокристаллическую пластину кремния п-типа проводимости, после предварительной химической обработки, осаждают тонкие слои аморфного кремния - сначала тонкий нелегированный i - слой и далее легированные слои р⁺ или п⁺ типа проводимости в зависимости от того какой слой формируется, эмиттерный - (р⁺), либо тыльный барьер - (п⁺) (см рис. 1). Толщина i - слоя в таких структурах обычно не превышает 3-5 нанометров. Данный слой, фактически, является пассивирующим и, одновременно, буферным слоем, на который осаждается эмиттерный (р⁺) или тыльный барьерный слой (п⁺). Этот внутренний слой при выращивании не легируется и является более высокоомным, поэтому он фактически окажется внутри области объемного заряда гетероперехода. Наличие высокоомной области на гетерогранице снижает значение тока насыщения р-п перехода и, тем самым, увеличивает значение напряжения холостого хода СЭ с HIТ структурой.

Первые сообщения о HIТ СЭ относятся к 1991-1992 годам, и тогда эффективность преобразования такого элемента не превышала 16-18% [1,2]. В последующем, с развитием технологии пассивации текстурированной поверхности кристалла, осаждением сверхтонких совершенных слоев аморфного кремния и формированием контактов на тыльной стороне кристалла, удалось поднять эффективность преобразования до рекордных значений 26,63% [3]. Такое значение КПД достигнуто благодаря сверхтонким эмиттерным слоям, совершенной гетерогранице, а также использованию в качестве базы дорогостоящего электронного кремния с очень высоким временем жизни неосновных носителей заряда (время жизни τ ~ 3 миллисекунд и более).

В настоящее время уменьшение расхода дорогостоящего материала (уменьшение толщины базы элемента) и в результате этого снижение веса СЭ (важный критерий для космического применения), является актуальной задачей.

Уменьшение толщины базы в обычных структурах элементов (фактически толщины элемента) менее чем 120 мкм, приводит к неизбежным потерям мощности за счет длинноволновых квантов излучений, которые проникают в кристалл кремния на глубину ~ 120÷140 мкм. Если толщина кристалла будет меньше глубины поглощения таких квантов, то тогда такие кванты пролетят сквозь кристалл без генерации зарядов и, поглощаясь на тыльном металлическом контакте, дополнительно повышают температуру элемента, что является нежелательным, так как КПД с повышением температуры снижается. Чем тоньше будет кристалл, тем больше будет доля (из спектра солнечного излучения) квантов излучений пролетающих сквозь кристалл без поглощения, тем больше будут потери мощности. Таким образом, уменьшение толщины приведет к увеличению потерь мощности и снижению КПД преобразования. Попытки уменьшения толщины СЭ за счет применения отражающих пленок на тыльной поверхности не привели к успеху из-за создания дополнительных проблем пассивации тыла. Поэтому в существующих структурах снижение толщины СЭ (меньше чем 120 мкм) неизбежно приведет к снижению КПД преобразования. Для того чтобы решить эту проблему необходимо, чтобы полное поглощение падающего излучения и генерация носителей тока, происходили в небольших от поверхности кристалла глубинах.

Известен [4 - наиболее близкий аналог] СЭ с HIТ структурой, где толщина электронного кремния была снижена до 98 мкм. При этом КПД элемента был равен 24,7%. Это показывает, что утончение базового материала приводит к потере мощности и снижению КПД. Снижение КПД связано с длинноволновыми квантами, которые имеют достаточную энергию для генерации носителей тока и, вместе с тем, обладают большой глубиной проникновения в кристаллический кремний. Другими словами, с уменьшением толщины кристалла будут возрастать потери мощности за счет роста количества квантов, пролетающих сквозь кристалл без поглощения, т.е. без генерации носителей тока. Таким образом, утончение базы элемента приведет к снижению КПД преобразования. К настоящему времени не выявлены сообщения о работах по уменьшению толщины базы СЭ с HIТ структурой менее чем 98 мкм.

Гетероструктура данного СЭ создана осаждением слоев аморфного кремния на анизотропно текстурированную поверхность подложки из кристаллического кремния. Улучшение технологии формирования i-слоя на поверхности кристалла позволило поднять напряжение холостого хода от 745 до 750 мВ. Однако, уменьшение толщины СЭ привело к снижению КПД преобразования. Кроме того, дальнейшее снижение толщины СЭ приводит к еще большим потерям мощности, что не отвечает современным требованиям к СЭ, особенно, к элементам используемым на летательных аппаратах, где основным требованием, кроме высокого КПД, является его вес.

Решение проблемы утончения элемента и уменьшения расхода дорогостоящего материала без снижения КПД будет возможным, если создать условие полного поглощения квантов солнечного излучения, энергия которых достаточна для генерации носителей тока, в тонком приповерхностном слое кристалла. Такое решение, т.е. локализация области генерации носителей тока в узком приповерхностном слое, было использовано в патенте №2529826 [5], в описании которого раскрыт СЭ на основе кристаллического кремния, состоящий из областей р- и n-типов проводимости, имеющий электроды (омические контакты) к р- и n-областям, в котором с целью уменьшения глубины поглощения квантов солнечного излучения, снижения световых и электрических потерь, а также увеличения эффективности преобразования и возможности создания сверхтонких кристаллических солнечных элементов на освещаемой поверхности кристалла образована дифракционная «решетка» с периодом, равным длине волны кванта излучения, энергия которого равна ширине запрещенной зоны кристалла, где на поверхности кристалла создается дифракционная «решетка» с периодом (d) равным длине волны (λ) падающего излучения. «Решетка» на поверхности кристалла формируется химическим травлением в виде строго периодического рельефа. Дифракционная «решетка» позволяет отклонять входящее в кристалл излучение от первоначального направления на больший угол, чем анизотропная текстура поверхности. Создание дифракционной «решетки» на поверхности СЭ с периодом, сравнимым с длиной волны падающего света, позволит локализовать область генерации носителей тока на небольшой глубине от фронтальной поверхности и частично решить данную проблему.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение толщины фотопреобразователя с HIТ структурой в несколько раз по сравнению с известными элементами без снижения КПД преобразования за счет сильного отклонения входящих в кристалл длинноволновых квантов и в результате этого сужения области генерации носителей тока к фронтальной поверхности кристалла.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в фотопреобразователе с HIT структурой на основе кристаллического кремния с α-Si - c-Si гетеропереходами с тонким внутренним i-слоем из α-Si, содержащий эмиттер - α-Si (р⁺), базу - c-Si (n), дифракционную «решетку», тыльный потенциальный барьер - α-Si (n⁺) и токосъемные контакты, новым является то, что слои α-Si (i) и α-Si (р⁺) осаждены на сформированную на фронтальной поверхности кристаллического кремния дифракционную «решетку», имеющую волнообразный рельеф, который имеет период d ≈ 1 мкм и образован химическим травлением поверхности кристалла в кислотном травителе с глубиной 0,5 мкм.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материлами, на которых:

- на рис. 1 - фотопреобразователь с обычной HIТ структурой;

- на рис. 2 - фотопреобразователь с предлагаемой HIТ структурой;

- на рисунках 3 а,б,с показана последовательность формирования «решетки» на поверхности кристалла перед выращиванием слоев аморфного кремния;

- на рис. 3 а - формирование масок с периодом d;

- на рис. 3 б - химическое травление;

- на рис 3 с - вид поверхности кристалла после удаления масок.

Обычная HIТ структура СЭ показана на рисунке 1, где c-Si (n) - монокристаллический кремний n-типа проводимости, является базой элемента, толщина базы обычно находится в пределах 150-200 мкм, α-Si (i) - слой аморфного кремния толщиной ~ 3 нм, данный слой не легируется и является внутренним слоем, α-Si (р⁺) - слой аморфного кремния легированный акцепторной примесью толщиной ~5 нм, являются эмиттером, и α-Si (п⁺) - слой аморфного кремния легированный донорной примесью, является тыльным барьером.

Предлагаемая структура фотопреобразовтаеля на основе кристаллического кремния с гетеропереходами (α-Si/c-Si) представлена на рисунке 2, где d - период «решетки», c-Si (n) - база СЭ толщиной не более 20 мкм, α-Si (i) - тонкий внутренний слой, α-Si (р⁺) - эмиттер, α-Si (n⁺) -тыльный барьер, ITO - полупрозрачный контакт. Период дифракционной «решетки» равный 1 мкм выбран из следующих соображений: ширина запрещенной зоны кремния равна 1,1 эв, что соответствует длине волны кванта излучения 1,12 мкм. Кванты излучений с такой длиной волны имеют энергию достаточную для генерации электронно-дырочных пар и генерация носителей тока может возникать в глубоких слоях кристалла. Поэтому необходимо чтобы такие длинновоновые кванты излучений при вхождении в кристалл отклонялись на больший угол от первоначального направления и поглащались в слоях, близко расположенных к поверхности. Такое сильное преломление возникает в результате дифракции световых волн на однородной «решетке», которое представляет собой периодическое изменение поверхности кристалла с периодом, сравнимым с длиной волны падающего излучения. Так, длинноволновые кванты излучения, входящие в кристалл с такой «решеткой» на поверхности, в результате сильного преломления будут поглощены в слоях близких к поверхности элемента. Таким образом дифракционная «решетка» создаваемая на поверхности кристалла позволяет уменьшить глубину генерации носителей тока в несколько раз. Уменьшение глубины генерации носителей тока, в свою очередь, позволяет уменьшить толщину базы (толщину кристалла) элемента. Появляется возможность утончения дорогостоящего кремния при создании фотопреобразователя с HIТ структурой без снижения КПД.

Другим положительным моментом в предлагаемой нами структуре фотопреобразователя является возможность повышения напряжения холостого хода элемента за счет более равномерного и однородного роста i -слоя на «решетке» на фронтальной поверхности фотопреобразователя. Известно, что для уменьшения световых потерь, связанных с отражением излучения от поверхности, перед осаждением эмиттерных слоев, фронтальная поверхность кристалла подвергается анизотропному травлению для получения текстуры. В известных структурах i - слой осаждается на текстурированную поверхность, создаваемую щелочным травлением. Как известно, при щелочном травлении текстура получается не однородной - с разной формой и размерами, и даже с разной ориентацией граней текстур по отношению к поверхности кристалла. В результате толщина и однородность при выращивании этого слоя будет не однородной от зерна к зерну. Если учесть, что толщина i - слоя обычно не превышает 3-5 нм, то станет понятным насколько необходимо иметь однородную текстуру поверхности. При известной текстуре, когда зерна имеют разные размеры и ориентацию, толщина слоя местами будет разной и неоднородной, а на гранях зерна, ориентированных перпендикулярно поверхности (паралельно потоку осаждения) рост аморфного кремния (i - слоя) будет затруднен. В результате толщина пассивирующего i - слоя будет не однородной и такая неоднородность i - слоя приводит к росту тока насыщения р-п перехода, и соответственно к снижению напряжения холостого хода элемента. Необходимо отметить, что в фотопреобразователе с HIТ структурой, благодаря i-слою, достигнуто самое высокое напряжение холостого хода в элементах (~750 мВ) и, если создать условия однородного по толщине роста данного слоя, то можно ожидать еще большего увеличения напряжения холостого хода. Такое условие возникает при формировании однородной по форме дифракционной «решетки» на поверхности кристалла. Дифракционная «решетка» формируется с использованием фотолитографии: на поверхности создаются чередующиеся полосы масок с периодом d и далее, открытыеучастки между полосами масок, подвергаются травлению в кислотном травителе. Глубину травления доводят ~ d. Последовательность операций показана на рисунке 3. В результате на поверхности образуется однородный волнообразный рельеф с периодом, сравнимым с длиной волны квантов излучений (Солнечного излучения). Однородность и плавные поверхности «решетки» обеспечат, практически, одинаковую толщину осаждаемого i-слоя, что позволит еще больше увеличить напряжения холостого хода фотопреобразовтаеля с HIТ структурой.

Таким образом, использование дифракционной «решетки» при создании фотопреобразователей с HIТ структурой и место ее расположения, позволит: во первых уменьшить толщину базы элемента в несколько раз без снижения КПД преобразования, во вторых увеличить напряжение холостого хода, и тем самым, повысить КПД фотопреобразователя.

Применение изобретения позволяет сократить расход дорогостоящего кремния с высоким временем жизни носителей заряда в несколько раз без снижения КПД преобразования.

Сверхтонкие высокоэффективные солнечные элементы с малым весом, могут найти применение в качестве источников энергии в летательных аппаратах, включая космические аппараты.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Wakisaka K,Taguchi М, Sawada Т, Tanaka М, Matsuyama Т, Matsuoka Т, Tsuda S, Nakano S, Kishi Y, Kuwano Y, More than 16% solar cells with a new (doped a-Si/nondoped a-Si/crystalline Si) structure, Photovoltaic Specialists Conference. 1991; 2: 887-892.

[2] Tanaka M, Taguchi M, Matsuyama T, Sawada T, Tsuda S, Nakano S, Hanafusa H, Kuwano Y. Development of New a-Si/c-Si Heterojunction Solar Cells: ACJ- HIТ (Artificially Constructed Junction-Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer). Jpn. J. Appl. Phys. 1992; 31: 3518-3522.

[3] K. Yoshikawa, Н. Kawasaki & W. Yoshida and etc. "Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%". Nature Energy. 2: 17032, (2017).

[4] M. Taguchi, Ayumu Yano, Satoshi Tohoda, Kenta Matsuyama, Yuya Nakamura and etc. «24.7% Record Efficiency HIT Solar Cell on Thin Silicon Wafer». IEEE Journal of Photovoltaics, V 4, Issue: 1, Jan. 2014, P 96-99. [5] Патент №2529826, приоритет от 06.07.2017, авторы: Ахмедов Ф.А., и др.