Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение

Авторы патента:


Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение
Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение

 


Владельцы патента RU 2472251:

ГРИНФИЛД СОЛАР КОРП. (US)

Изобретение может быть использовано в любом классе фотоэлектрических элементов, таких как солнечные элементы, термофотоэлектрические элементы или элементы, возбуждаемые лазерными источниками или фотонами. Фотоэлектрический элемент согласно изобретению содержит монолитный блок из множества выполненных на основе полупроводников фотоэлектрических (ФЭ) элементов, где каждый элемент из упомянутого множества выполненных на основе полупроводников ФЭ элементов включает в себя по меньшей мере одну диффузную легированную область Р-типа или диффузную легированную область N-типа; структурированное диэлектрическое покрытие, нанесенное на по меньшей мере одну диффузную легированную область Р-типа или диффузную легированную область N-типа, причем структуры на упомянутом структурированном диэлектрическом покрытии уменьшают площадь поверхности контакта между металлическим слоем и легированными областями, чтобы уменьшить рекомбинационные потери фотогенерированных носителей во множестве выполненных на основе полупроводников ФЭ; и металлический слой, расположенный на поверхности раздела между элементами во множестве выполненных на основе полупроводников ФЭ элементов. Также предложен способ производства фотоэлектрических элементов с уменьшенными рекомбинационными потерями фотогенерированных носителей. Изобретение обеспечивает возможность эффективного преобразования. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 35 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Эта заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/089,389, поданной 15 августа 2008 года и озаглавленной «СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СО СТРУКТУРИРОВАННЫМИ КОНТАКТАМИ», которая испрашивает приоритет по заявке на патент США с серийным номером 12/535,952, озаглавленной «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С ТЕКСТУРИРОВАННЫМИ КОНТАКТАМИ», поданной 5 августа 2009 года; по заявке на патент США с серийным номером 12/536,982, поданной 6 августа 2009 года, озаглавленной «МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ С ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ», которая испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/088,921, поданной 14 августа 2008 года, озаглавленной «МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ С ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ»; по заявке на патент США с серийным номером 12/536,987, поданной 6 августа 2009 года, озаглавленной «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С БУФЕРНОЙ ЗОНОЙ», которая испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/088,936, поданной 14 августа 2008 года, озаглавленной «СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С БУФЕРНОЙ ЗОНОЙ»; и по заявке на патент США с серийным номером 12/536,992, поданной 6 августа 2009 года, озаглавленной «ЭЛЕКТРОЛИЗ ПОСРЕДСТВОМ МНОГОПЕРЕХОДНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ», которая испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/092,531, поданной 28 августа 2008 года, озаглавленной «ЭЛЕКТРОЛИЗ ПОСРЕДСТВОМ МНОГОПЕРЕХОДНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ». Содержание вышеуказанных заявок в полном объеме включено сюда в качестве ссылки.

Уровень техники

Ограниченная поставка и увеличивающаяся потребность в ископаемом топливе и связанный с этим урон окружающей среде глобального масштаба привели к всеобщим попыткам разнообразить источники используемой энергии и связанные с этим технологии. Одним из таких источников является солнечная энергия, которая задействует фотоэлектрическую (ФЭ) технологию для преобразования света в электричество. Кроме того, солнечная энергия может быть использована для генерации тепла (например, в солнечных печах, парогенераторах и им подобном). Солнечная технология обычно осуществляется с помощью ряда ФЭ элементов или солнечных элементов, или их панелей, которые поглощают солнечный свет и преобразуют солнечный свет в электричество, которое может быть далее передано в электроэнергетическую систему. Значительный прогресс был достигнут в области разработки и производства панелей солнечных элементов, что позволило эффективно увеличить эффективность при уменьшении стоимости их производства. С разработкой более высокоэффективных солнечных элементов размер элементов уменьшается, что ведет к увеличению целесообразности использования панелей солнечных элементов для обеспечения конкурентоспособной основанной на возобновляемой энергии замены истощающимся и высоковостребованным не возобновляемым ресурсам. С этой целью системы для сбора солнечной энергии, такие как концентратор солнечной энергии, могут быть развернуты для преобразования солнечной энергии в электричество, которое может быть передано в электрические сети, и также для сбора тепла. Кроме развития технологии концентраторов солнечной энергии, преследовалась цель улучшения солнечных элементов, направленного на их использование в концентраторах солнечной энергии.

Технология солнечных элементов для преобразования высокоинтенсивного излучения, называемых многопереходными (VMJ) солнечными элементами, представляет собой интегрально связанную последовательно соединенную структуру миниатюрных отдельных элементов с вертикальными переходами, которая освещается с краев, с электрическими контактами на концах. Специфическая конструкция VMJ элемента может, по сути, предоставить выходные характеристики высокого напряжения и малого последовательного сопротивления, делая его идеально подходящим для высокой производительности в фотоэлектрических концентраторах высокоинтенсивного излучения. Другой ключевой особенностью VMJ элемента является простота его конструкции, что приводит к низкой стоимости производства.

Эффективность VMJ может быть подтверждена на основании рабочей характеристики, снятой с экспериментального VMJ элемента с 40 последовательными переходами в интервале от 100 до 2500 интенсивностей солнечного излучения, в которой плотность выходной мощности превышает 400000 ватт/м2 при 25 вольтах с эффективностью, близкой к 20%. Следует оценить, что вышеупомянутая производительность в VMJ солнечных элементах получена при низкой стоимости производства и низкой степени сложности производства. Считается, что эти аспекты являются необходимыми путями достижения реальной технической производительности и экономической эффективности, необходимых для того, чтобы сделать системы фотоэлектрического концентратора более эффективными с точки зрения стоимости и жизнеспособными в плане решения глобальных энергетических проблем. Кроме того, любое увеличение производительности элемента (например, больше ватт на выходе) должно напрямую привести к уменьшению размера системы концентратора (например, меньшие затраты, связанные со списком используемых материалов), что приведет к меньшей стоимости $/ватт фотоэлектрической энергии.

Следует отметить, что более низкая стоимость $/ватт очень существенна для принятия и внедрения на рынок технологии солнечных элементов, так как мировые потребности в энергии постоянно увеличиваются не только в развивающихся, но также и в развитых странах, в то время как цены на традиционное ископаемое топливо растут. Также имеет место широко распространенное усиление беспокойства в связи со всеми связанными проблемами, такими как загрязнение окружающей среды, глобальное потепление, и национальная безопасность, и экономические опасности, связанные с зависимостью от заграничных поставщиков топлива. Эти факторы окружающей среды, экономические факторы и факторы безопасности вкупе с растущим вниманием общественности обеспечивают повышенный интерес к нахождению более эффективных с точки зрения стоимости и безопасных для окружающей среды решений, связанных с возобновляемой энергией. Из всех доступных источников возобновляемой энергии солнечная энергия имеет наибольший потенциал в удовлетворении потребности в эффективности и экологической безопасности. Фактически Земля получает больше энергии в виде солнечного света в каждые несколько минут, чем человечество может потребить из всех ресурсов за целый год.

Хотя фотоэлектрическая энергия широко известна как идеальная технология, связанная с возобновляемой энергией, связанные с ней затраты могут быть основной преградой принятию и внедрению на рынок. До получения доли рынка и принятия основанная на фотоэлектричестве энергия должна стать конкурентоспособной с точки зрения цены с традиционными источниками энергии, включая энергию на основе сжигания угля, технология производства которой хорошо развита и которая принята среди потребителей и имеет хорошую эффективность с точки зрения стоимости. Более того, доступ к дешевой электрической энергии считается определяющим фактором в глобальной экономике; таким образом, тераватты (например, тысячи гигаватт) мощности систем на основе фотоэлектрической энергии могут потребоваться. Изучение рынка показывает, что установленные системы на основе фотоэлектрической энергии должны снизить ориентировочную цену до 3 $/ватт или менее, до того как они станут конкурентоспособными без субсидий в широкомасштабной области применения. Так как стоимость для установленных систем на основе фотоэлектричества в данный момент превышает 6 $/ватт, все еще необходимо существенное улучшение с точки зрения стоимости.

Попытка получить меньшую характеристику $/ватт была основной целью большего числа исследований и улучшений в фотоэлектрической технологии в течение последних нескольких десятилетий. Несмотря на то что промышленность тратит миллиарды долларов, разрабатывая различные технологии с целью получения более эффективной с точки зрения стоимости фотоэлектрической энергии, существующая фотоэлектрическая промышленность все еще требует значительных субсидий для поддержки объема продаж, что может являться индикатором вредных условий для развития рынка и развития промышленности.

В настоящее время кремниевые солнечные элементы, которые остаются практически такими же, как во время их первоначального открытия и разработки в 1960-х, преобладают, составляя ~93% фотоэлектрического рынка. Существующая фотоэлектрическая промышленность в попытке снизить стоимость в основном положилась на пригодность дешевого полупроводникового кремния низкого качества для производства традиционных солнечных элементов. Следует отметить, что такой кремний низкого качества, часто называемый кремнием солнечного качества, в основном является головными и задними частями слитков, оставшимися после производства пластин, и материалом, не отвечающим техническим требованиям, отбракованным производителями полупроводниковых устройств, которым необходимы более качественные кремниевые пластины высшего качества. Хотя фотоэлектрические продажи быстро увеличились, вырастая ~ на 40% ежегодно в течение последнего десятилетия с объемом производства, оцененным в 3,8 гигаватт (ГВт) в 2007 году, продажи сейчас затруднены в связи с нехваткой и более высокими ценами на кремний солнечного качества. Хотя кремний высшего качества и доступен, он не рассматривается как вариант, так как он увеличит уровень стоимости производства.

Для обычных традиционных солнечных элементов более половины стоимости производства составляет необработанный полупроводниковый поликремний, используемый для производства пластин для солнечных элементов. В результате, обычный солнечный элемент с эффективностью 14% рассчитан на 0,014 Вт/см2 и имеет стоимость кремниевой пластины более 3 $/ватт (или 0,042 $/см2) до какого-либо дополнительного производственного процесса. Следовательно, существующая фотоэлектрическая промышленность вынуждена обратить внимание и принимать решение относительно того факта, что только начальная стоимость кремниевого материала уже превышает ориентировочную цену, которая нужна предприятиям для реализации в более крупном масштабе. Для сравнения, полупроводниковые производители, изготовляющие микропроцессорные чипы, которые продаются по цене более 100 $/см2, исходя из оценки по площади, могут себе позволить затраты, связанные с использованием кремниевых пластин высшего качества.

Нехватка кремния солнечного качества и неспособность фотоэлектрической промышленности достичь важной ориентировочной цены, вкупе с пришествием новых более эффективных солнечных элементов с тремя переходами, недавно вызвало значительный возобновившийся интерес к фотоэлектрическим концентраторам. Очевидным преимуществом фотоэлектрических концентраторов является потенциальная выгода в цене, получающаяся из-за использования больших площадей недорогих материалов (стеклянных зеркальных отражателей или пластиковых линз), чтобы сконцентрировать солнечный свет на значительно меньших площадях дорогих солнечных элементов, таким образом, используя дешевые материалы в качестве замены для дорогих материалов. Разработка конструкции фотоэлектрических концентраторов для 1000-кратной интенсивности солнечного излучения значительно уменьшит потребность в дорогом полупроводниковом кремнии на ~99,9%, что VMJ элементы на 1000 МВт могут использовать такое же количество дорогого полупроводникового кремния, которое в настоящее время нужно для традиционных солнечных элементов на 1 МВт. Фактически это считается практичным подходом для смягчения любых проблем, связанных с нехваткой кремния.

Основная работа над солнечными концентраторами главным образом была сосредоточена на улучшении конструкций солнечных элементов кремниевых концентраторов для высокой интенсивности; много существенной работы было проделано в период энергетического кризиса 1970-х, которая в тот период времени продемонстрировала скромные неудовлетворительные результаты относительно затрат. Были проведены исследования и улучшения, первоначально нацеленные на солнечные элементы для систем концентратора для работы при 500 интенсивностях солнечного излучения; тем не менее, цель была снижена до 250 интенсивностей солнечного излучения, когда столкнулись с неразрешимыми проблемами улучшения, связанными с попыткой решить проблему последовательного соединения в конструкции исследуемого солнечного элемента. Например, высокие потери последовательного соединения в солнечных элементах концентратора стали очевидной основной проблемой, которую технология традиционного VMJ солнечного элемента приняла во внимание и решила. Следует отметить, что значительная часть солнечных элементов, разработанных для технологии концентратора, является довольно сложной и дорогой с точки зрения производства, с 6 или 7 высокотемпературными этапами (>1000°С) и 6 или 7 этапами фотолитографического маскирования. Эта сложность относится к попыткам на уровне конструкции минимизировать потери последовательного соединения, которые изначально ограничивали работу при максимальной интенсивности, в лучших из этих конструкций, равной не более 250 интенсивностей солнечного излучения. Такая сложность и связанные с ней затраты препятствовали значительному развитию технологии концентратора и связанной с ней технологии солнечных элементов и способствовали развитию альтернативных технологий, таких как технология тонкопленочных солнечных элементов.

Технология многопереходных (VMJ) солнечных элементов с вертикальными переходами существенно отличается от традиционных солнечных элементов концентратора. Технология VMJ солнечных элементов обеспечивает, по меньшей мере, два преимущества относительно других технологий: (1) она не требует фотолитографии, и (2) один этап высокотемпературной диффузии, при температурах более 1000°С, может быть применен для формирования обоих переходов. Следовательно, задается меньшая стоимость производства. Кроме того, VMJ солнечные элементы могут работать при высоких интенсивностях, например, работать при 2500 интенсивностях солнечного излучения. Сразу понятно из таких условий работы, что сопротивление последовательного соединения не является проблемой для конструкции VMJ элемента; даже при интенсивностях с порядком величины, большей традиционно предлагаемой из соображений целесообразности, она не была жизнеспособна с точки зрения экономики. Также плотность тока в отдельном VMJ элементе при 2500 интенсивностях солнечного излучения обычно порядка 70А/см2, что составляет уровень излучения, который может причинить существенный ущерб большинству солнечных элементов, основанных на других технологиях.

Как указано выше, возобновленный интерес к фотоэлектрическим концентраторам разрастается в связи с разработкой солнечных элементов с тремя переходами, изготовленных с использованием материалов III-V групп, включающих галлий (Ga), фосфор (P), арсенид (As), индий (In) и германий (Ge). Элемент с тремя переходами может задействовать от 20 до 30 различных полупроводниковых слоев, соединенных последовательно над пластиной из германия: легированные слои GaInP2 и GaAs, выращенные в реакторе для химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), где каждый полупроводник будет иметь характерную ширину запрещенной энергетической зоны, что приведет к тому, что он будет поглощать солнечный свет наиболее эффективно при определенном цвете. Полупроводниковые слои выбираются аккуратно с целью поглощения практически всего спектра солнечного излучения, таким образом, генерируя столько электричества из света, сколько возможно. Эти многопереходные устройства являются наиболее эффективными солнечными элементами на сегодняшний день, достигая высокой отметки в 40,7% эффективности при умеренной концентрации солнечного света и лабораторных условиях. Но, так как они дорогие с точки зрения производства, необходимо их использование в фотоэлектрических концентраторах.

Тем не менее, потребность в материалах и стоимость материалов солнечных элементов III-V групп быстро увеличивается. Например, за 12 месяцев (12/2006-12/2007) стоимость чистого галлия увеличилась с порядка $350 за кг до $680 за кг, а цены на германий значительно увеличились до $1000-$1200 за кг. Цена на индий, которая была равна $94 за кг в 2002, увеличилась до практически $1000 за кг в 2007. Кроме того, потребность в индии по прогнозам продолжит увеличиваться в связи с большим объемом производства тонкопленных (CuInGaSe) солнечных элементов, начатым несколькими новыми компаниями в 2007 году. Более того, индий является редким элементом, который широко используется для формирования прозрачного электрического покрытия в виде оксида индия и олова для жидкокристаллических дисплеев и больших мониторов с плоской панелью. Фактически эти материалы оказываются нежизнеспособны с точки зрения долгосрочных фотоэлектрических (ФЭ) решений, необходимых для предоставления тераватт дешевой энергии в решении глобальных энергетических проблем.

При том, что полупроводниковые солнечные элементы III-V групп с площадью 0,26685 см2 могут генерировать энергию, равную 2,6 ваттам или порядка 10 Вт/см2, и было предварительно оценено, что такая технология может в итоге производить электричество по цене 8-10 центов/кВт·ч, практически равной цене за электричество от традиционных источников, дальнейший анализ может потребоваться для подтверждения такой оценки. Тем не менее, VMJ солнечные элементы продемонстрировали выходную мощность, превышающую 40 Вт/см2 при 2500 интенсивностях солнечного излучения с использованием наименее дорогого полупроводникового материала с низкой стоимостью производства. (Эта выходная мощность превышает 400000 Вт/м2.) Наряду с комплексом ФЭ технологий, основанных на улучшенных материалах, технология солнечных элементов на основе Si остается в целом преобладающей в фотоэлектрических элементах и областях применения. Более того, в случае возникновения глобальной потребности, кремний является единственным полупроводниковым материалом с существующей промышленной базой, которая будет способна предоставить тераватты фотоэлектрической энергии в обозримом будущем для широкого глобального применения.

Сущность изобретения

Приведенное ниже описание представляет упрощенную сущность изобретения с целью предоставления базового понимания некоторых аспектов, здесь описанных. Описание сущности изобретения не является подробным описанием и не предназначено для выявления ключевых/важнейших элементов или для ограничения объема различных аспектов, здесь описанных. Его единственной целью является предоставить некоторые концепции в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, которое представлено за ним.

Данное изобретение предоставляет фотоэлектрические элементы на основе полупроводников, которые уменьшают рекомбинационные потери фотогенерированных носителей. В аспекте для уменьшения рекомбинационных потерь диффузные легированные слои в активных фотоэлектрических элементах покрываются структурой диэлектрического(их) материала(ов), что уменьшает контакт между металлическими контактами и активным ФЭ элементом. Различные структуры могут быть использованы, и одна или более поверхности ФЭ элемента может быть покрыта одним или более диэлектриками. Многопереходные (VMJ) солнечные элементы с вертикальным переходом могут быть произведены со структурированными ФЭ элементами или отдельными элементами. Структурированные ФЭ элементы могут увеличить сопротивление последовательного соединения VMJ солнечных элементов, и структурирование одной или более поверхностей ФЭ элемента может увеличить сложность процесса, задействованного при производстве VMJ солнечных элементов; тем не менее, уменьшение потерь носителей в диффузных легированных слоях может увеличить эффективность солнечных элементов и, таким образом, предоставить ФЭ рабочие преимущества, которые перевешивают увеличение сложности производства. Система, которая делает возможным производство ФЭ элементов на основе полупроводников, также предоставляется.

Аспекты или особенности, здесь описанные и связанные с ними преимущества, такие как уменьшение рекомбинационных потерь фотогенерированных носителей, могут быть использованы в любом классе фотоэлектрических элементов, таких как солнечные элементы, термофотоэлектрические элементы, или элементы, возбуждаемые лазерными источниками или фотонами. Кроме того, аспекты данного изобретения также могут быть осуществлены в другом(их) классе(ах) элементов, преобразующих энергию, таких как бета-электрические элементы.

Данное изобретение уменьшает основную часть рекомбинационных потерь в многопереходном (VMJ) элементе с вертикальными переходами посредством текстурирования поверхностей, принимающих свет. Текстуры могут быть в виде имеющих форму углублений бороздок, такими как конфигурации c поперечным сечением в форме «V», конфигурации c поперечным сечением в форме «U» и им подобными, где плоскость, которая включает конфигурации с таким поперечным сечением, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. В одном аспекте плоскость, которая включает в основном периодически повторяющиеся поперечные сечения (например, при рассмотрении поперечного сечения в направлении, в котором по ней проходят бороздки), практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов. Такое расположение способствует направлению преломленного света от p+ и n- диффузных легированных областей VMJ, при этом в то же время создавая желательные носители в уменьшающемся объеме. Соответственно, падающий свет может быть преломлен на плоскости, которая включает конфигурацию с поперечным сечением и которая является практически перпендикулярной направлению наложения отдельных элементов.

Следует оценить, что текстурирование для VMJ данного изобретения отличается от известного уровня техники для текстур традиционных кремниевых полупроводниковых элементов, как в вопросе ориентации PN переходов, так и/или в вопросе взаимодействия с падающим светом. Например, традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы обычно текстурированы так, чтобы отклонить проникающий свет таким образом, чтобы больше волн, имеющих большую длину волны, поглощалось ближе к PN переходам (расположенным горизонтально) для лучшего токосъема носителями, и, следовательно, смягчить низкую спектральную чувствительность к большим длинам волн в спектре солнечного излучения. И напротив, это не требуется в VMJ данного изобретения, который включает вертикальные переходы и, следовательно, уже обеспечивает увеличенную спектральную чувствительность к более длинным волнам в спектре солнечного излучения.

В отдельном аспекте результат применения бороздок в соответствии с данным изобретением (например, бороздок в форме V) заключается в уменьшении основной части рекомбинационных потерь путем уменьшения объема основной части (по сравнению с поверхностями традиционных солнечных элементов с текстурой, которая уменьшает отражение или приближает отраженный или преломленный свет к переходам). В частности, VMJ элементы продемонстрировали лучший токосъем носителями как для коротких длин волн, так и для длинных длин волн, где чувствительность к коротким длинам волн наблюдается за счет исключения сильнолегированных горизонтальных переходов на верхней поверхности, а чувствительность к длинным длинам волн наблюдается в связи с увеличенной эффективностью сбора вертикальных переходов. В качестве другого примера, если вместо текстуры в виде бороздок в форме углублений в соответствии с данным изобретением другие текстуры (например, со случайной, пирамидальной, куполообразной или схожей выступающей конфигурацией) были бы использованы как часть VMJ, падающий свет начал бы преломляться во всех направлениях, что привело бы к поглощению света в p+ и n+ диффузных областях и, следовательно, к уменьшенной эффективности.

В соответствии со связанным способом на начальном этапе VMJ может быть сформирован путем наложения (в виде пакета) множества отдельных элементов, где каждый элемент сам может включать множество параллельных полупроводниковых подложек или слоев, которые сложены вместе. Каждый слой может состоять из нечистого легированного полупроводникового материала, который формирует PN переход, а также включать «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое облегчает перемещение неосновных носителей в сторону такого PN перехода. Затем множество таких отдельных элементов объединяется, чтобы сформировать VMJ. Далее на поверхности VMJ элемента, которая принимает свет, могут быть сформированы бороздки в форме углублений (например, посредством установки для резки полупроводниковых пластин), где плоскость, которая включает поперечное сечение конфигурации, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. Соответственно, падающий свет может быть преломлен в плоскости, которая включает повторяющиеся конфигурации с поперечным сечением и которая практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов (например, таким образом, обеспечивая более сильное поглощение для заданной глубины). Более того, различная(ые) задняя(задние) поверхность(и) и боковая(ые) поверхность(и) с отражающим покрытием могут быть использованы в сочетании с различными аспектами данного изобретения.

В связанном аспекте поверхность с бороздками по данному изобретению также улучшает съем носителей, при этом уменьшая большую часть рекомбинационных потерь. Например, бороздки в форме V могут быть расположены перпендикулярно p+nn+ (или n+pp+) отдельным элементам, чтобы увеличить оптическую длину путей поглощения более длинных длин волн в спектре солнечного излучения и сделать поглощение света практически целиком ограниченным внутри основного объема области n-типа p+nn+ отдельных элементов. Более того, такие бороздки в форме V могут иметь антиотражающее покрытие, примененное для улучшенного поглощения падающего света элементом.

В связанном аспекте данное изобретение уменьшает основную часть рекомбинационных потерь в многопереходном (VMJ) элементе с вертикальными переходами посредством структурирования его принимающей свет поверхности. Текстуры могут иметь форму углубленных бороздок, таких как конфигурации с поперечным сечением в форме «V», конфигурации с поперечным сечением в форме «U» и им подобными, где плоскость, которая включает такую конфигурацию с поперечным сечением, является практически перпендикулярной направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. В одном аспекте плоскость, которая включает постоянно повторяющиеся поперечные сечения (например, создающая поперечное сечение в направлении, в котором проходят бороздки), практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов. Такое расположение способствует направлению преломленного света от p+ и n- диффузных легированных областей VMJ, при этом в то же время создавая желательные носители в уменьшающемся объеме. Соответственно, падающий свет может быть преломлен на плоскости, которая включает конфигурацию с поперечным сечением и которая является практически перпендикулярной направлению наложения отдельных элементов.

Следует оценить, что текстурирование для VMJ данного изобретения отличается от известного уровня техники для текстур традиционных кремниевых полупроводниковых элементов как в вопросе ориентации PN переходов, так и/или в вопросе взаимодействия с падающим светом. Например, традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы обычно текстурированы так, чтобы отклонить проникающий свет таким образом, чтобы больше волн, имеющих большую длину волны, поглощалось ближе к PN переходам (расположенным горизонтально) для лучшего токосъема носителями, и, следовательно, смягчить низкую спектральную чувствительность к большим длинам волн в спектре солнечного излучения. И напротив, это не требуется в VMJ данного изобретения, который включает вертикальные переходы и, следовательно, уже обеспечивает увеличенную спектральную чувствительность к более длинным волнам в спектре солнечного излучения.

В отдельном аспекте результат применения бороздок в соответствии с данным изобретением (например, бороздки в форме V) заключается в уменьшении основной части рекомбинационных потерь путем уменьшения объема основной части (по сравнению с поверхностями традиционных солнечных элементов со структурой, которая уменьшает отражение или приближает отраженный или преломленный свет к переходам). В частности, VMJ элементы продемонстрировали лучший токосъем носителями как для коротких длин волн, так и для длинных длин волн, где чувствительность к коротким длинам волн наблюдается за счет исключения сильнолегированных горизонтальных переходов на верхней поверхности, а чувствительность к длинным длинам волн наблюдается в связи с увеличенной эффективностью сбора вертикальных переходов. В качестве другого примера, если вместо структуры бороздок углубленной формы в соответствии с данным изобретением другие структуры (например, со случайной, пирамидальной, куполообразной или схожей выступающей конфигурацией) были бы использованы как часть VMJ, падающий свет начнет преломляться во всех направлениях, что приведет к поглощению света в p+ и n+ диффузных областях и, следовательно, к уменьшенной эффективности.

В соответствии со связанным способом на начальном этапе VMJ может быть сформирован путем наложения множества отдельных элементов, где каждый элемент сам может включать множество параллельных полупроводниковых подложек или слоев, которые сложены вместе. Каждый слой может состоять из нечистого легированного полупроводникового материала, который формирует PN переход, а также включать «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость носителя в сторону такого PN перехода. Затем множество таких отдельных элементов объединяется, чтобы сформировать VMJ. Далее на поверхности VMJ элемента, которая принимает свет, могут быть сформированы бороздки в форме углублений (например, посредством установки для резки полупроводниковых пластин), где плоскость, которая включает поперечное сечение конфигурации, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. Соответственно, падающий свет может быть преломлен в плоскости, которая включает повторяющиеся конфигурации с поперечным сечением и которая практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов (например, таким образом, обеспечивая более сильное поглощение для заданной глубины). Более того, различная(ые) задняя(задние) поверхность(и) и боковая(ые) поверхность(и) с отражающим покрытием могут быть использованы в сочетании с различными аспектами данного изобретения.

В связанном аспекте поверхность с бороздками по данному изобретению также улучшает съем носителей, при этом уменьшая большую часть рекомбинационных потерь. Например, бороздки в форме V могут быть расположены перпендикулярно p+nn+ (или n+pp+) отдельным элементам, чтобы увеличить оптическую длину путей поглощения более длинных длин волн в спектре солнечного излучения и сделать поглощение света практически целиком ограниченным внутри основного объема области n-типа p+nn+ отдельных элементов. Более того, такие бороздки в форме V могут иметь антиотражающее покрытие, примененное для улучшенного поглощения падающего света элементом.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет буферную(ые) зону(ы) на конце слоев кремниевого многопереходного (VMJ) фотоэлектрического элемента с вертикальными переходами высокого напряжения, чтобы обеспечить барьер, который защищает активные слои, в то же время обеспечивая омический контакт. Такая(ие) буферная(ые) зона(ы) может быть в форме структуры неактивного(ых) слоя(ев), которая дополнительно накладывается на и/или под концевые слои VMJ элемента. VMJ элемент сам по себе может включать множество отдельных элементов, где каждый отдельный элемент задействует несколько активных слоев (например, три), чтобы сформировать PN переход и «встроенное» электростатическое дрейфовое поле (которое увеличивает малую скорость перемещения носителя в сторону PN перехода).

Соответственно, различные активные слои, такие как nn+ и/или p+n переходы, расположенные на обоих концах VMJ элемента (и являющиеся частями его отдельных элементов), могут быть защищены от неблагоприятных видов давления и/или растяжения (например, от термического/механического сжатия, скручивания, напряжения, деформации и им подобного, которые могут быть приложены к VMJ в процессе его производства и/или работы). Более того, буферная зона может быть сформирована с использованием материалов, которые имеют омический контакт очень малого сопротивления, как металлов, так и полупроводников, такого, что он не приведет к каким-либо значительным потерям последовательного сопротивления в фотоэлектрическом элементе при рабочих условиях. Например, буферная зона может быть сформирована путем использования легированных кремниевых пластин p-типа с низким сопротивлением таким образом, что при использовании других легирующих примесей p-типа, таких как сплавы алюминия при производстве VMJ фотоэлектрического элемента, она снизит опасность автолегирования (в сравнении с использованием пластин n-типа, которые могут создать нежелательные pn переходы), когда целью является создание омического контакта очень малого сопротивления. Следует оценить, что данное изобретение может быть использовано как часть любого класса фотоэлектрических элементов, таких как солнечные элементы и термофотоэлектрические элементы. Кроме того, аспекты данного изобретения также могут быть применены в преобразующих энергию элементах другого(их) класса(ов), таких как бета-электрические элементы.

В связанных аспектах буферная зона может быть в форме бандажа на поверхности концевого слоя отдельного элемента, которая выступает в роли защитной границы для такого активного слоя и также обрамляет VMJ элемент для простоты обращения и транспортировки. Также путем обеспечения защитного захвата VMJ элемента конструкция такого бандажа также облегчает процедуру, связанную с антиотражающим покрытием (например, покрытие может быть нанесено равномерно, когда элемент надежно удерживается в процессе обработки, например, с помощью механического зажима). Более того, буферные зоны (например, неактивные слои, расположенные на концах VMJ) могут быть физически расположены рядом с другими буферными зонами в процессе отложения, и, следовательно, любой нежелательный диэлектрический материал покрытия, который неблагоприятно проникает ниже на контактные поверхности, может быть легко удален, не повреждая активные отдельные элементы. Буферная зона может быть сформирована из сильнолегированного кремния очень низкого сопротивления (например, толщиной порядка 0,008”). Такая буферная зона может в целом контактировать с проводниками, которые отгораживают или разделяют VMJ элемент от другого VMJ элемента в структуре фотоэлектрического элемента.

В соответствии со следующим аспектом буферная зона может быть расположена между электрическим контактом и активными слоями VMJ элементов. Более того, такие буферные зоны могут иметь характеристики теплового расширения, которые практически совпадают с характеристиками активных слоев, таким образом снижая ухудшение эффективности (например, снижение давления/растяжения, прилагаемых, когда проводники привариваются или припаиваются в процессе производства). Например, сильнолегированные слои кремния малого сопротивления могут быть использованы, которые совпадают по значению коэффициента теплового расширения (3×10-6/°С) со всеми активными отдельными элементами. Соответственно, очень хороший омический контакт может быть обеспечен активными отдельными элементами, что дополнительно уменьшает проблемы, связанные с давлением, вызванные сваркой/припоем и/или несовпадением коэффициентов теплового расширения контактных материалов. Другие примеры включают металлические слои, такие как из вольфрама (4,5×10-6/°С) или молибдена (5,3×10-6/°С), которые выбраны за их коэффициенты теплового расширения, практически равные коэффициенту активного кремния (3×10-6/°С) p+nn+ отдельных элементов. Металлизация, примененная ко внешним слоям кремниевых слоев малого сопротивления буферной зоны или к металлическим слоям электродов, которые сплавляют с активными отдельными элементами, может быть проведена с помощью сварки или припоя без оказания опасного давления на солнечный элемент высокой интенсивности или фотоэлектрический элемент, где такие внешние слои служат в роли омических контактов, а не части отдельных элементов, соединенные последовательно с другими отдельными элементами.

Различные аспекты данного изобретения могут быть применены в качестве части пластины, имеющей миллеровские индексы (111) для ориентации связанных кристаллических плоскостей буферной зоны, которая считается более механически прочной и более стойкой к травлению по сравнению с (100) кремнием с кристаллической ориентацией, обычно используемым для изготовления активных VMJ отдельных элементов. Соответственно, слои кремния малого сопротивления могут иметь кристаллическую ориентацию, отличную от ориентации активных отдельных элементов, где путем применения такой альтернативной ориентации обеспечивается устройство с улучшенными механической прочностью/концевыми контактами. Другими словами, края (100) ориентированных отдельных элементов обычно вытравливаются быстрее и существенно скругляют углы активных отдельных элементов с такой кристаллической ориентацией, по сравнению с неактивными (111) ориентированными концевыми слоями, таким образом, получается более надежная структура устройства с большей механической прочностью для сварки или иного способа присоединения концевых контактов.

В связанном аспекте в данном изобретении используется многопереходный (VMJ) фотоэлектрический элемент с вертикальными переходами, чтобы обеспечить электролиз на соединения (например, воды) посредством падающего света и генерации тока для электролиза (например, генерации водорода и кислорода). Такой VMJ включает множество отдельных элементов, находящихся в контакте с электролитом, где каждый отдельный элемент задействует несколько активных слоев (например, три), чтобы сформировать PN переход и «встроенное» электростатическое дрейфовое поле (которое увеличивает малую скорость перемещения в сторону PN перехода). VMJ может быть частично или полностью погружен в воду/электролиты как часть прозрачного корпуса, из такого материала как стекло или пластик, где, когда свет воздействует на такой VMJ, множество электродов для электролиза (анодов/катодов) может быть сформировано через VMJ. Ток, проходящий между такими электродами для электролиза, течет через воду и разлагает воду на водород и кислород, когда достигается пороговое значение напряжения электролиза. Обычно такое пороговое значение напряжения разложения находится в интервале от 1,18 вольт до 1,6 вольт, чтобы расщепить воду и создать водород и кислород. Следует оценить то, что большие значения напряжения могут быть достигнуты путем наложения множества отдельных элементов (например, множество элементов, соединенных последовательно). Кроме того, добавление катализаторов может также быть применено с целью увеличения эффективности выделения водорода и кислорода и уменьшения коррозии полупроводника, вызванной высоким потенциалом электрода и растворами электролитов. Более того, электролит может быть сформирован из любых растворов, которые не влияют неблагоприятно на наложенные слои, которые формируют VMJ элемент (например, материал на основе иридия, сделанный из иридия, его бинарного сплава или его оксида).

В связанном аспекте VMJ частично или полностью погружен в воду/электролит и может включать выступающие металлические области (например, VMJ электроды), которые выступают над кремнием VMJ элемента, чтобы увеличить площадь контакта с водой и электролитом и ускорить получение водорода. Такие выступы могут быть порядка нескольких миллиметров, например. В соответствии с другим аспектом, очень тонкие слои материалов, являющихся электрокатализаторами, таких как платина, RuO2 или титан, могут быть включены в металлическое покрытие в процессе производства VMJ элемента, чтобы ускорить образование водорода. Более того, существует хорошая возможность выбора материала, являющегося электрокатализатором, так как n+ отрицательная (-) сторона металлического покрытия может отличаться от металлического покрытия p+ положительной (+) стороны. Следует оценить, что специалист в данной области техники может легко выбрать материалы, являющиеся катализаторами, которые ускорят получение водорода и являются стойкими и совместимыми с производством VMJ элемента. Более того, ультразвуковые установки могут быть использованы для того, чтобы высвободить образовавшиеся пузырьки кислорода и водорода, которые остаются прикрепленными к электродам для электролиза. Следует оценить то, что поток электролита также может удалить такие сформировавшиеся пузырьки.

В соответствии со связанным способом раствор электролита вводится в контейнер, который включает VMJ, в котором он полностью или практически полностью погружен. Такая система затем помещается под падающий свет, и электрический ток генерируется в VMJ. Падающий свет на VMJ может генерировать электрический ток через раствор электролита, и в любом месте, где пороговое значение для разложения воды достигается или превышается (например, порядка 1,6 вольт), происходит электролиз воды. Например, на каждом отдельном элементе может генерироваться напряжение, равное 0,6 вольтам (например, для 1000 интенсивностей солнечного излучения), и между областями первого отдельного элемента и третьего отдельного элемента может произойти электролиз. Соответственно, различные механизмы сбора (например, мембраны, решетчатые пластины и им подобные) для сбора полученных газообразных кислорода и водорода могут быть помещены между областями, где напряжение превышает пороговое значение для электролиза воды (например, порядка 1,6 вольт), и предполагается разложение воды. Следует оценить то, что такие механизмы сбора могут также быть расположены далее по ходу движения потока электролита для сбора полученных газообразных кислорода и водорода.

Для довершения идущих далее и связанных итогов определенные иллюстрирующие аспекты описаны здесь в связи со следующим описанием и приложенными чертежами. Эти аспекты указывают на различные способы применения, все из которых, предположительно, здесь описаны. Другие преимущества и новые особенности могут стать ясны из следующего детального описания при рассмотрении вместе с чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает схематический вид в перспективе текстурированной или покрытой бороздками поверхности как части многопереходного (VMJ) элемента с вертикальными переходами в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.2 изображает приведенное в качестве примера поперечное сечение используемых по данному изобретению бороздок.

Фиг.3 изображает в качестве примера наложение отдельных элементов с целью формирования VMJ с поверхностью с бороздками в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.4 изображает конкретный отдельный элемент, который в виде части формирует VMJ в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.5 изображает связанный способ создания VMJ с поверхностью с бороздками, чтобы уменьшить большую часть рекомбинационных потерь в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.6 изображает схематическую структурную схему структуры буферных зон как части многопереходного (VMJ) элемента с вертикальными переходами в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.7 изображает отдельный аспект отдельного элемента, структура из которых может сформировать VMJ элемент в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.8 изображает в качестве примера поперечное сечение буферной зоны в виде сформированного бандажа на поверхностях отдельных элементов, расположенного на обоих концах VMJ.

Фиг.9 изображает связанный способ применения буферных зон на концевых слоях кремниевого многопереходного (VMJ) фотоэлектрического элемента высокого напряжения с целью обеспечения барьера, который защищает его активные слои.

Фиг.10 изображает схематический вид в поперечном сечении солнечной установки, которая включает модульную структуру фотоэлектрических (ФЭ) элементов, в которой могут использоваться VMJ с буферными зонами.

Фиг.11 изображает схематическую структурную схему системы для электролиза, в которой используется многопереходный (VMJ) элемент с вертикальными переходами для электролиза воды в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.12 изображает выступы металлических слоев над поверхностью VMJ, которые могут способствовать процессу электролиза.

Фиг.13 изображает градиент напряжения вдоль VMJ и через наложенные элементы как его части.

Фиг.14 изображает способ электролиза воды посредством VMJ в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.15 изображает VMJ элемент, который может быть использован для электролиза по данному изобретению.

Фиг.16 изображает один отдельный элемент, множество которых формирует VMJ для электролиза по данному изобретению.

Фиг.17 изображает VMJ элемент с поверхностью с бороздками для улучшения эффективности процесса электролиза.

Фиг.18 изображает в качестве примера бороздки для поверхности VMJ, используемого для электролиза в соответствии с аспектом данного изобретения.

Фиг.19А и 19В являются схемами примерной конфигурации структурированных поверхностей ФЭ элементов в соответствии с аспектами, раскрытыми в данном описании. Фиг.19С изображает схему примерного набора исходных материалов и полученных ФЭ элементов, которые могут быть произведены путем легирования в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Фиг.20А-20С изображают схемы примерных конфигураций структурированного диэлектрического покрытия ФЭ элементов и пояснительный блок VMJ в соответствии с аспектами, здесь описанными. Фиг.20D изображает VMJ ФЭ элемент, обработанный с целью получения открытой специальной кристаллической поверхности.

Фиг.21А-21С изображают схемы примерных конфигураций структурированного диэлектрического покрытия ФЭ элементов и пояснительный блок VMJ в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Фиг.22 изображает схему в поперечном разрезе примерной конфигурации структурированного диэлектрического покрытия активного ФЭ элемента с уменьшенным диффузным легированным слоем в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Фиг.23А и 23В изображают схемы примерных конфигураций структурированных диэлектрических покрытий ФЭ элемента в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Фиг.24 представляет изображение в перспективе варианта осуществления фотоэлектрического элемента с текстурированной поверхностью в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Фиг.25 является схемой производственного процесса примерного способа производства фотоэлектрического элемента с уменьшенными рекомбинационными потерями носителей в соответствии с аспектами, здесь раскрытыми.

Фиг.26 отображает схему производственного процесса примерного способа производства VMJ солнечных элементов с уменьшенными рекомбинационными потерями носителей в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Фиг.27 является структурной схемой примерной системы, которая делает возможным производство солнечных элементов в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Подробное описание

Данное изобретение теперь будет описано со ссылкой на чертежи, где одни и те же ссылочные номера используются для соотнесения с одинаковыми элементами. В следующем описании с целью разъяснения описываются многочисленные отдельные детали с целью обеспечения полного понимания данного изобретения. Может быть очевидно, тем не менее, что данное изобретение может быть использовано без этих отдельных деталей. В иных случаях хорошо известные структуры и устройства изображены на структурной схеме, чтобы способствовать описанию данного изобретения.

В данном описании, приложенной формуле изобретения или чертежах термин «или» предполагается обозначающим скорее включающее «или», чем исключающее «или». Это значит, если иное отдельно не установлено, или ясно из контекста, что предполагают, что фраза «X использует А или В» означает любые включающие перестановки. То есть, если X использует А, Х использует В или Х использует как А, так и В, то «Х использует А или В» удовлетворяется в любых приведенных далее случаях. Более того, артикли «a», «an», в соответствии с тем, как они используются в данном описании и приложенных чертежах, должны, в общем, толковаться как обозначающие «один или более», если отдельно не установлено или ясно из контекста, что они являются указанием на единственное число.

Более того, относительно терминологии легированных примесями материалов, которые являются частью фотоэлектрических элементов, здесь описанных, для легирования донорной примесью, термины «n-типа» и «N-типа» используются взаимозаменяемо, также как и термины «n+-типа» и «N+-типа». Для легирования акцепторными примесями термины «p-типа» и «P-типа» также используются взаимозаменяемо, также как и термины «p+-типа» и «P+-типа». Для ясности, тип легирования также обозначается аббревиатурой, например, n-тип обозначен как N, p+-тип обозначен как P+, и т.д. Многослойные фотоэлектрические элементы или отдельные элементы обозначены набором букв, каждая из которых указывает на тип легирования слоя; например, переход p-типа/n-типа обозначен PN, тогда как переход p+-типа/n-типа/n+-типа обозначен как P+NN+; обозначение прочих сочетаний переходов также соответствует этой форме записи.

Фиг.1 изображает схематический вид в перспективе поверхности с бороздками 100 как части многопереходного (VMJ) элемента с вертикальными переходами 120 в соответствии с аспектом данного изобретения. Такая структура для текстурирования 100 позволяет преломленному свету быть направленным от p+ и n+ диффузных легированных областей, притом, что в то же время создаются желаемые носители. Соответственно, падающий свет может быть преломлен в плоскости 110, имеющей нормальный вектор n. Такая плоскость 110 параллельна плоскостям PN перехода VMJ 10 и может включать конфигурацию с поперечным сечением бороздок 100. Более того, антиотражающее покрытие может быть применено к текстурированной поверхности 100, чтобы увеличить поглощение падающего света в элементе. Другими словами, ориентация плоскости 110 практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов 111, 113, 115. Следует оценить, что другие, отличные от перпендикулярной, ориентации также могут быть рассмотрены (например, кристаллические плоскости, открытые под разными углами), и все такие аспекты нужно считать входящими в объем данного изобретения.

Фиг.2 изображает примерные текстуры для бороздок на поверхности VMJ, которая принимает на себя свет. Такие бороздки могут быть в виде бороздок углубленной формы, например, такой как конфигурация с поперечным сечением в форме «V», имеющей разные углы (например, 0°<θ<180°), конфигурация с поперечным сечением в форме «U» и им подобными, где плоскость, которая включает конфигурацию с поперечным сечением, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ, и/или практически параллельна PN переходам VMJ. Следует оценить, что текстурирование 210, 220, 230 для VMJ по данному изобретению отличается от известных в данной области техники текстур традиционных кремниевых фотоэлектрических элементов в области ориентации PN переходов и/или взаимодействия с падающим светом. Например, традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы обычно текстурированы так, чтобы отклонить проникающий свет таким образом, чтобы больше волн, имеющих большую длину волны, поглощалось ближе к PN переходам (расположенным горизонтально) для лучшего токосъема носителями, и, следовательно, смягчить низкую спектральную чувствительность к большим длинам волн в спектре солнечного излучения. И напротив, это не требуется в VMJ данного изобретения, который включает вертикальные переходы и, следовательно, уже обеспечивает увеличенную спектральную чувствительность к более длинным волнам в спектре солнечного излучения.

Предпочтительно, один аспект применения бороздок в соответствии с данным изобретением (например, бороздок в форме V) заключается в уменьшении основной части рекомбинационных потерь путем уменьшения объема основной части (по сравнению с поверхностями традиционных солнечных элементов с текстурой, которая уменьшает отражение или приближает отраженный или преломленный свет к переходам). В частности, VMJ элемент продемонстрировал лучший токосъем носителями как для коротких длин волн, так и для длинных длин волн, где чувствительность к коротким длинам волн наблюдается за счет исключения сильнолегированных горизонтальных переходов на верхней поверхности, а чувствительность к длинным длинам волн наблюдается в связи с увеличенной эффективностью сбора вертикальных переходов. В качестве другого примера, если вместо текстуры бороздок в форме углублений в соответствии с данным изобретением другие текстуры (например, со случайной, пирамидальной, куполообразной или схожей выступающей конфигурацией) были бы использованы как часть VMJ, падающий свет начал бы преломляться во всех направлениях, что привело бы к поглощению света в p+ и n+ диффузных областях и, следовательно, к уменьшенной эффективности. Следует оценить, что такие бороздки в форме «U» и «V» приведены по сути в качестве примера, и другие конфигурации возможны в рамках объема данного изобретения.

Фиг.3 изображает структуру отдельных элементов 311, 313, 317, которая может использовать текстуры с бороздками на стороне 345 в соответствии с аспектом данного изобретения. Как объяснялось ранее, сам VMJ 315 формируется из множества соединенных вместе отдельных элементов 311, 313, 317 (от 1 до k, где k является целым числом), где каждый отдельный элемент сам сформирован из наложенных подложек или слоев (не изображены). Например, каждый отдельный элемент 311 может включать множество параллельных полупроводниковых подложек, сложенных вместе и состоящих из легированных примесями полупроводниковых материалов, которые формируют PN переход и «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителя к такому PN переходу. Следует оценить, что различные легированные слои N+-типа и P-типа могут быть применены для формирования частей отдельных элементов, и такие структуры входят в рамки объема данного изобретения.

Соответственно, текстуры на поверхности, принимающей свет 345, способствуют преломлению света для направления его от p+ и n+ диффузных легированных областей, при этом в то же время создаются желаемые носители. Таким образом, падающий свет может быть преломлен в плоскости, которая включает конфигурацию с поперечным сечением и которая практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов (например, перпендикулярна вектору n).

Фиг.4 изображает отдельный аспект отдельного элемента, структура которого может формировать VMJ элемент, имеющий текстурированные бороздки по данному изобретению. Отдельный элемент 400 включает слои 411, 413, 415, сложенные вместе в практически параллельную структуру. Такие слои 411, 413, 415 могут также включать легированный примесями полупроводниковый материал, где слой 413 одного типа электропроводности, а слой 411 противоположного типа электропроводности, чтобы установить PN переход в месте соединения 412. Также слой 415 может быть того же типа электропроводности, что и слой 413, но со значительно большей концентрацией примесей, таким образом, генерируя встроенное электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малые скорости перемещения носителей в сторону PN перехода 412. Такие отдельные элементы могут быть соединены вместе для формирования VMJ и поверхности с бороздками в соответствии с различными аспектами данного изобретения.

В соответствии с другим аспектом, чтобы произвести VMJ из множества элементов 400, сначала одинаковые PNN+ (или NPP+) переходы могут быть сформированы на глубине примерно от 3 до 10 мкм в плоских пластинах из кремния высокого сопротивления (например, более 100 Ом на см) N типа (или P типа), имеющих толщину примерно равную 0,008 дюймам. Далее такие PNN+ пластины складываются вместе с тонким слоем алюминия, расположенным между ними, где PNN+ переход и кристаллическая ориентация каждой пластины могут быть направлены в одном направлении. Более того, алюминийкремниевые легкоплавкие сплавы могут быть использованы или металлы, такие как молибден или вольфрам, которые имеют термический(ие) коэффициент(ы), которые практически совпадают с термическим коэффициентом кремния. Далее кремниевые пластины и алюминиевые поверхности могут быть сплавлены вместе таким образом, что наложенная структура может быть соединена. Буферные зоны с очень низким сопротивлением могут также быть применены в качестве структуры неактивного(ых) слоя(ев), которая дополнительно накладывается на и/или под концевые слои VMJ элемента, таким образом используя барьер, который защищает активные слои от неблагоприятных видов давления и/или растяжения (например, от термического/механического сжатия, скручивания, напряжения, деформации и им подобного, которые могут быть приложены к VMJ в процессе его производства и/или работы). Поверхность такого элемента может быть затем покрыта бороздками, чтобы уменьшить основную часть рекомбинационных потерь, как подробно описано выше. Следует оценить, что другой материал, такой как германий или титан, также может быть использован. Также алюминийкремниевые легкоплавкие сплавы тоже могут быть использованы.

Фиг.5 изображает связанный способ 500 нанесения бороздок на поверхность VMJ, которая принимает свет. При том, что приведенный в качестве примера способ изображен и описан здесь как последовательность блоков, отображающих различные события и/или действия, данное изобретение не ограничено изображенным порядком таких блоков. Например, некоторые действия или события могут происходить в различной последовательности и/или одновременно с другими действиями или событиями, в отличие от последовательности, здесь изображенной, в соответствии с изобретением. Кроме того, не все изображенные блоки, события или действия могут требоваться для применения способа в соответствии с данным изобретением. Более того, будет оценено то, что примерный способ и другие способы в соответствии с изобретением могут быть применены в связи со способом, изображенным и описанным здесь, также как и в связи с другими системами и установками, не изображенными или не описанными.

Сначала на этапе 510 множество отдельных элементов с PN переходами формируются, как подробно описано выше. Как было объяснено ранее, каждый отдельный элемент сам может включать множество параллельных полупроводниковых подложек, которые соединены вместе. Каждый слой может состоять из легированного примесями полупроводникового материала, который формирует PN переход, и также включает «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителей к такому PN переходу. Далее на этапе 520 множество таких отдельных элементов объединяется для формирования VMJ, где буферные зоны также могут быть использованы в виде защиты таких элементов (например, от давления/растяжения, приложенных к ним в процессе производства). Далее на этапе 530 на поверхности VMJ, которая принимает свет, бороздки углубленной формы могут быть сформированы (например, с помощью установки для резки полупроводниковых пластин), где плоскость, которая включает конфигурацию с поперечным сечением, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. Далее на этапе 540 свет может быть преломлен в плоскости, которая включает конфигурацию поперечного сечения (и/или параллельной PN переходам) и которая практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов.

Фиг.6 изображает схематическую структурную схему структуры для буферных зон, представляющих собой часть многопереходного (VMJ) элемента с вертикальными переходами в соответствии с аспектом данного изобретения. VMJ 615 сам сформирован из множества соединенных отдельных элементов 611, 617 (с 1 по n, n является целым числом), где каждый отдельный элемент сам сформирован из сложенных подложек или слоев (не изображено). Например, каждый отдельный элемент 611, 617 может включать множество параллельных полупроводниковых подложек, соединенных вместе и состоящих из легированного примесями полупроводникового материала, который формирует PN переход и «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителей в сторону этого PN перехода. Соответственно, различные активные слои, такие как nn+ и/или p+n переходы или pp+ и/или pn+ переходы, расположенные на обоих концах VMJ элемента 615 (и являющиеся частью самого элемента), могут быть защищены от неблагоприятных видов давления и/или растяжения (например, от термического/механического сжатия, скручивания, напряжения, деформации и им подобного, которые могут быть приложены к VMJ в процессе его производства и/или работы).

Более того, каждая из буферных зон 610, 612 может быть сформирована с помощью материала, который имеет омический контакт очень малого сопротивления (например, в любом интервале с верхней границей менее чем порядка 0,5 Ом на см), при этом уменьшая и/или исключая нежелательное автолегирование. Например, буферные зоны 610, 612 могут быть сформированы путем использования пластин малого сопротивления, легированных p-типом, с другими примесями p-типа, такими как сплавы алюминия, чтобы снизить возможность автолегирования (по сравнению с применением пластин n-типа, которые могут создать нежелательные pn переходы, когда желательно создать омические контакты очень малого сопротивления).

Фиг.7 изображает отдельный аспект отдельного элемента, структура которых может сформировать VMJ элемент. Отдельный элемент 700 включает слои 711, 713, 715, сложенные вместе в практически параллельную структуру. Такие слои 711, 713, 715 могут также включать легированный примесями полупроводниковый материал, где слой 713 является слоем одного типа электропроводности, а слой 711 является слоем противоположного типа электропроводности, чтобы определить PN переход в месте соединения 712. Также слой 715 может быть слоем того же типа электропроводности, что и слой 713, но со значительно большей концентрацией примесей, таким образом, генерируя «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителей в направлении PN перехода 712. Такие отдельные элементы могут быть соединены вместе для формирования VMJ, где буферная зона по данному изобретению может быть помещена для защиты VMJ и связанных отдельных элементов и/или слоев, которые их формируют.

В соответствии с другим аспектом, чтобы произвести VMJ из множества элементов 700, сначала одинаковые PNN+ (или NPP+) переходы могут быть сформированы на глубине примерно от 3 до 10 мкм в плоских пластинах из кремния высокого сопротивления (например, более 100 Ом на см) N типа (или P типа), имеющих толщину, примерно равную 0,008 дюймам. Далее такие PNN+ пластины складываются вместе с тонким слоем алюминия, расположенным между ними, где PNN+ переход и кристаллическая ориентация каждой пластины могут быть направлены в одном направлении. Более того, алюминийкремниевые легкоплавкие сплавы могут быть использованы, или металлы, такие как молибден или вольфрам, которые имеют термический(ие) коэффициент(ы), которые практически совпадают с термическим коэффициентом кремния. Далее поверхности кремниевых пластин и алюминиевые поверхности могут быть сплавлены вместе таким образом, что наложенная структура может быть соединена. Более того, алюминийкремниевые легкоплавкие сплавы также могут быть использованы. Следует оценить, что различные легированные слои N+-типа и P-типа могут быть использованы как части отдельных элементов, и такие структуры входят в объем данного изобретения.

Буферные зоны с очень низким сопротивлением могут также быть применены в качестве структуры неактивного(ых) слоя(ев), которая дополнительно накладывается на и/или под концевые слои VMJ элемента, таким образом, используя барьер, который защищает активные слои от неблагоприятных видов давления и/или растяжения (например, от термического/механического сжатия, скручивания, напряжения, деформации и им подобного, которые могут быть приложены к VMJ в процессе его производства и/или работы).

Фиг.8 изображает примерное поперечное сечение буферной зоны в виде бандажа 810 (812), сформированного на поверхностях концевого слоя 831 (841) отдельных элементов 830 (840), который в качестве части формирует VMJ элемент 800. Такие сформированные бандажи 810, 812 выступают в роли защитного соединения для активных слоев отдельных элементов и также частично обрамляют VMJ элемент 800 для простоты обращения и транспортировки (например, буферную зону малого сопротивления и краевой или концевой контакт VMJ элемента). Также путем обеспечения защитного захвата VMJ элемента конструкция такого бандажа также облегчает процедуру, связанную с антиотражающим покрытием (например, покрытие может быть нанесено равномерно, когда элемент надежно удерживается в процессе обработки, например, с помощью механического зажима). Более того, такие сформированные бандажи могут быть физически расположены рядом с другими сформированными бандажами в процессе отложения, где любой нежелательный диэлектрический материал покрытия, который неблагоприятно проникает ниже на контактные поверхности, может быть легко удален, не повреждая отдельные элементы 830, 840. Сформированный бандаж 810 (812), представляющий собой буферную зону, может быть сформирован из сильнолегированного кремния очень низкого сопротивления (например, толщиной порядка 0,008”), где сформированные бандажи могут, в целом, контактировать с проводниками, которые отгораживают или разделяют VMJ элемент от другого VMJ элемента в структуре фотоэлектрического элемента. Более того, из-за очень малого сопротивления буферной зоны проводники не требуются для того, чтобы иметь полный электрический контакт с буферной зоной. Поэтому они могут являться частичными контактами, такими как точечные контакты, или последовательным соединением точечных контактов, при этом все же обеспечивая хороший электрический контакт. Следует оценить, что фиг.8 является по сути примерной, и другие варианты, такие как буферная зона 810, сформированная в процессе производства, касающаяся поверхностей 800, где 810 соединена с активными слоями 841, также возможны в рамках объема данного изобретения. Например, форма 810 может представлять собой частичный ведущий контакт с металлическим слоем на буферной зоне, как обсуждалось ранее.

Проводники могут быть в виде электродных слоев, которые сформированы путем отложения первого проводящего материала на подложку, и могут включать: вольфрам, серебро, медь, титан, хром, кобальт, тантал, германий, золото, алюминий, магний, марганец, индий, железо, никель, платину, цинк, их сплавы, оксид индия и олова, другие проводящие и полупроводниковые металлические оксиды, нитриды и силициды, поликремний, легированный аморфный кремний и различные содержащие металл сплавы. Кроме того, другие легированные и нелегированные проводящие или полупроводниковые полимеры, олигомеры или мономеры, такие как PEDOT/PSS, полианилин, политиофен, полипиррол, их производные и им подобные, могут быть использованы для электродов. Более того, так как некоторые металлы могут иметь слой оксида, сформированный на них, который может неблагоприятно влиять на производительность VMJ элемента, неметаллические материалы, такие как аморфный углерод, могут также быть использованы для формирования электродов. Следует оценить то, что сформированный бандаж с фиг.8 является примерным по сути, и другие конфигурации буферной зоны, такие как прямоугольные, круглые области поперечного сечения, имеющие области поверхностного контакта с активными слоями, входят в рамки объема данного изобретения.

Более того, другой аспект данного изобретения может быть использован как часть пленок, имеющих миллеровские индексы (111) для ориентации из связанных кристаллических плоскостей буферных зон, которые считаются механически более прочными и медленнее вытравливаемыми, чем (100) кремний с кристаллической ориентацией, обычно используемый в производимых активных отдельных элементах VMJ. Соответственно, слои кремния малого сопротивления могут иметь отличную кристаллическую ориентацию от ориентации активных отдельных элементов, где путем применения такой альтернативной ориентации предоставляется устройство с улучшенной механической прочностью/концевыми контактами. Другими словами, края (100) ориентированных отдельных элементов обычно вытравливаются быстрее до практически скругленных углов активных отдельных элементов с такой кристаллической ориентацией, по сравнению с неактивными (111) ориентированными концевыми слоями, таким образом, приводя к более надежной структуре устройства с большей механической прочностью для сварки или какого-либо другого соединения концевых контактов.

Фиг.9 изображает связанный способ применения буферных зон на концевых слоях кремниевого многопереходного (VMJ) фотоэлектрического элемента высокого напряжения с целью обеспечения барьера, который защищает его активные слои. При том, что приведенный в качестве примера способ изображен и описан здесь как последовательность блоков, отображающих различные события и/или действия, данное изобретение не ограничено изображенным порядком таких блоков. Например, некоторые действия или события могут происходить в различной последовательности и/или одновременно с другими действиями или событиями, в отличие от последовательности, здесь изображенной, в соответствии с изобретением. Кроме того, не все изображенные блоки, события или действия могут требоваться для применения способа в соответствии с данным изобретением. Более того, будет оценено то, что примерный способ и другие способы в соответствии с изобретением могут быть применены в связи со способом, изображенным и описанным здесь, также как и в связи с другими системами и установками, не изображенными или не описанными. Сначала на этапе 910 множество отдельных элементов с PN переходами формируется, как подробно описано выше. Как объяснено ранее, каждый отдельный элемент сам может включать множество параллельных полупроводниковых подложек, которые сложены вместе. Каждый слой может состоять из легированного примесями полупроводникового материала, который формирует PN переход, и также включает «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителей к такому PN переходу. Далее на этапе 920 множество таких отдельных элементов объединяется для формирования VMJ. Дальше на этапе 930 буферная зона может быть использована, которая контактирует с концевым слоем VMJ, чтобы обеспечить барьер, который защищает его активные слои. Такая(ие) буферная(ые) зона(ы) может(гут) быть в виде структуры неактивного(ых) слоя(ев), которая дополнительно накладывается на и/или под концевые слои VMJ элемента. VMJ может затем быть использован в качестве фотоэлектрического элемента на этапе 940.

Фиг.10 изображает схематический вид в поперечном разрезе 1000 солнечной установки, которая включает модульную структуру 1020 фотоэлектрических (ФЭ) элементов 1023, 1025, 1027 (от 1 до k, где k является целым числом). Каждый ФЭ элемент может использовать множество VMJ с буферными зонами в соответствии с аспектом данного изобретения. Обычно каждый из ФЭ элементов (также называемых фотоэлектрическими элементами) 1023, 1025, 1027 может преобразовывать свет (например, солнечный свет) в электрическую энергию. Модульная структура 1020 ФЭ элементов может включать стандартизированные элементы или сегменты, которые упрощают конструкцию и обеспечивают гибкую структуру.

В одном примерном аспекте каждых из фотоэлектрических элементов 1023, 1025, 1027 может быть сенсибилизированным красителем солнечным элементом (DSC), который включает множество стеклянных подложек (не изображено), где на них отложены прозрачные проводящие материалы, такие как слой легированного фтором оксида олова, например. Такой DSC может также включать полупроводниковый слой, такой как частицы TiO2, сенсибилизирующий красителем слой, слой электролита и катализатора, такой как Pt (не изображен), который может быть расположен между стеклянными подложками. Полупроводниковый слой может далее быть отложен на покрытие стеклянной подложки, например. Таким образом, электрод и противоэлектрод могут быть сформированы с окислительно-восстановительным посредником, чтобы контролировать поток электронов между ними.

Соответственно, элементы 1023, 1025, 1027 испытывают периодически возбуждение, окисление и восстановление, что приводит к возникновению потока электронов, например, электрической энергии. Например, падающий свет 1005 возбуждает молекулы красителя в слое красителя, где возбужденные светом молекулы красителя далее испускают электроны в проводящую область полупроводникового слоя. Это может вызвать окисление молекул красителя, где испускаемые электроны могут проходить через полупроводниковый слой для формирования электрического тока. Затем электроны восстанавливают электролит в слое катализатора и возвращают окисленные молекулы красителя в нейтральное состояние. Такой цикл возбуждения, окисления и восстановления может непрерывно повторяться для предоставления электрической энергии.

Фиг.11 изображает схематическую структурную схему системы электролиза, которая использует многопереходный (VMJ) элемент с вертикальными переходами 1110 для электролиза в соответствии с аспектом данного изобретения. VMJ 1110 может быть частично или полностью погружен в воду/электролит, как часть прозрачного корпуса, такого как из стекла, кварца или пластика 1130. Когда падающий свет 1135 воздействует на поверхность 1137 такого VMJ 1110, множество электродов для электролиза в виде анодов и/или катодов могут быть сформированы через VMJ, и/или на его поверхности 1137. Ток, текущий между такими электродами для электролиза, которые сформированы на поверхности 1137, затем проходит через воду и разлагает воду на водород и кислород там, где достигается пороговое значение напряжения электролиза. VMJ 1110 включает множество связанных вместе отдельных элементов 1111, 1117 (с 1 по n, где n является целым числом), где такие отдельные элементы сами сформированы из сложенных подложек или слоев (не изображено). Например, каждый отдельный элемент 1111, 1117 может включать множество параллельных полупроводниковых подложек, сложенных вместе и состоящих их легированного примесями полупроводникового материала, который формирует PN переход и «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителей в направлении такого PN перехода. Когда падающий свет 1135 направлен на поверхность 1137 в различных областях VMJ 1110, тогда множество катодов и анодов могут быть сформированы, которые затем выступают в роли электродов для процесса электролиза.

Ток, проходящий через такие электроды для электролиза, проходит через электролит и разлагает воду на водород и кислород, при достижении порогового значения напряжения электролиза. Обычно такое пороговое значение разложения находится в интервале от 1,18 вольт до 1,6 вольт для расщепления воды и создания водорода и кислорода. Следует оценить то, что более высокие значения напряжения могут быть достигнуты путем сложения множества отдельных элементов (например, множества элементов, соединенных последовательно). Кроме того, материалы катализатора могут также быть использованы для увеличения эффективности образования водорода и кислорода и уменьшения коррозии полупроводников, вызванной высоким потенциалом электродов и растворами электролита. Более того, электролит может быть сформирован из любого раствора и не влияет неблагоприятно на сложенные слои, которые формируют VMJ элемент (например, катализатор на основе иридия, сделанный из иридия, его двухкомпонентного сплава или его оксида). В связанных аспектах ультразвуковые преобразователи могут при работе взаимодействовать с системой электролиза, чтобы высвободить пузырьки кислорода или водорода, которые остаются прикрепленными к электродам для электролиза.

VMJ 1110 может также быть расположен на установке, регулирующей нагрев 1119, которая отводит генерируемое тепло от областей горячих точек, чтобы поддерживать уровень отклонения температуры для VMJ элемента в рамках предварительно установленных уровней. Такая установка, регулирующая нагрев 1119, может быть в форме теплоотводящей структуры, которая включает множество теплоотводов с поверхности, установленной на задней стороне VMJ, где каждый теплоотвод может также включать множество ребер (не изображены), проходящих практически перпендикулярно задней стороне. Ребра могут увеличить площадь поверхности теплоотвода, чтобы увеличить контакт с охлаждающим агентом (например, электролитом, охлаждающей жидкостью, такой как вода), который может далее использоваться, чтобы рассеять тепло от ребер и/или фотоэлектрических элементов. Таким образом, тепло от VMJ может быть передано через теплоотвод в окружающий электролит, и/или вещество, которое не воздействует на процесс электролиза. Более того, тепло от VMJ элемента может быть передано по теплопроводящим путям (например, металлическим слоям) к теплоотводам, чтобы уменьшить прямой физический и тепловой перенос теплоотводов в VMJ элементы и предоставить масштабируемое решение для обеспечения нормального процесса электролиза.

В связанном аспекте теплоотводы могут быть расположены в различных плоских или трехмерных структурах, чтобы контролировать, регулировать и, прежде всего, осуществлять отвод тепла от VMJ элемента. Более того, каждый теплоотвод может также использовать тепло/электрические структуры (не изображены), которые могут иметь форму спиральной, крученой, винтовой, схожей с лабиринтом или другой структурной формы с плотным распределением структур линий в одной части и относительно менее плотным распределением структур линий в других частях. Например, одна часть таких структур может быть сформирована из материала, который обеспечивает относительно высокую изотропную проводимость, а другая часть может быть сформирована из материала, который обеспечивает высокую тепловую проводимость в другом направлении. Соответственно, каждая тепло/электрическая структура установки, регулирующей тепло, обеспечивает проводящий тепло путь, который может рассеять тепло от горячих точек и передать его в различные теплопроводные слои или связанные теплоотводы устройства, регулирующего нагрев, и, таким образом, способствует процессу электролиза. Следует оценить, что теплоотводы могут охлаждаться с помощью независимого охлаждающего агента, который отделен от вещества электролита.

Фиг.12 изображает другой аспект данного изобретения, который включает выступающие части 1211, 1215 металлических слоев, которые связаны с электродами одного отдельного элемента 1201. Такие выступающие части 1211, 1215 выступают (например, на несколько миллиметров) от поверхности 1241 VMJ 1200, чтобы способствовать процессу электролиза посредством увеличения площади поверхности контакта. Кроме того, очень тонкие слои материалов электрических катализаторов, таких как платины, RuO2 или титана, могут быть включены в металлическое покрытие в процессе производства VMJ элемента, чтобы увеличить производство водорода. Более того, существует хорошая возможность выбора материала электрического катализатора, так как n отрицательная (-) сторона 1211 металлического покрытия может отличаться от p+ положительной (+) стороны 1215. Следует оценить, что специалист в данной области техники может легко выбрать материалы катализаторов, которые увеличат выработку водорода и устойчивы и совместимы с производством VMJ элемента. Когда падающий свет 1235 достигает поверхности 1241 VMJ, множество катодов/анодов может быть сформировано на ней. Например, в области VMJ при отрицательно заряженном катоде идет реакция восстановления, причем электроны (e-) от катода передаются к катионам водорода с образованием газообразного водорода (часть реакции сбалансирована кислотой):

Катод (восстановление): 2H+(aq)+2e-→H2(g)

На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления, генерируя газообразный кислород и передавая электроны к катоду, чтобы замкнуть контур:

Анод (окисление): 2H2O(l)→O2(g)+4H+(aq)+4e-

Те же самые части реакции могут быть сбалансированы основанием, как указано ниже. В общем, не все части реакции должны быть сбалансированы кислотой или основанием. В общем, чтобы сложить части реакции, они обычно должны быть сбалансированы либо кислотой, либо основанием:

Катод (восстановление): 2H2O(l)+2e-→H2(g)+2OH-(aq)

Анод (окисление): 4OH-(aq)→O2(g)+2H2O(l)+4e-

Объединение обеих частей реакций приводит к тому же самому полному разложению воды на водород и кислород:

Полная реакция: 2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)

Как указано выше, число получаемых молекул водорода, таким образом, в два раза больше числа молекул кислорода. При условии равной температуры и давления для обоих газов получаемый газообразный водород имеет, таким образом, объем, в два раза больший получаемого газообразного кислорода. Число электронов, проходящих через воду, в два раза больше числа генерируемых молекул водорода и в четыре раза больше числа генерируемых молекул кислорода. Как объяснено ранее, если добавляется растворимый в воде электролит, проводимость воды существенно возрастает. Соответственно, электролит диссоциирует на катионы и анионы, где анионы перемещаются в сторону анода и там нейтрализуют скопление положительно заряженных H+; аналогично катионы перемещаются в сторону катода и там нейтрализуют скопление отрицательно заряженных OH-. Это делает возможным продолжительное протекание электрического тока. Следует оценить, что выбор электролита должен быть сделан с учетом материала, используемого в VMJ элементе, чтобы не оказывать неблагоприятный эффект на его материал и работу. Дополнительные факторы в выборе электролита относятся к тому факту, что анион электролита конкурирует с гидроксидионами в плане отдачи электрона. Анион электролита с меньшим значением нормального электродного потенциала по сравнению с гидроксидом будет, скорее всего, окисляться вместо гидроксида, и, следовательно, не будет получаться газообразный кислород. Аналогично катион с большим значением нормального электродного потенциала, чем у гидроксидиона, будет восстанавливаться, и газообразный водород не будет получаться. Чтобы исключить подобные обстоятельства, следующие катионы имеют меньшее значение нормального электродного потенциала, чем H+, и, таким образом, подходят для использования в качестве катионов электролита: Li+, Rb+, K+, Cs+, Ba2+, Sr2+, Ca2+, Na+ и Mg2+. Натрий и литий также могут быть использованы, если это не окажет неблагоприятного воздействия на VMJ элемент, так как они формируют недорогие растворимые соли.

Фиг.13 изображает график зависимости напряжения от расстояния для VMJ 1310, где отдельные элементы 1311, 1317 пересекаются или разделяют общую границу. Как изображено, VMJ 1310 включает множество отдельных элементов 1311, 1317, которые соединены последовательно, в которых напряжение может увеличиваться как линейная функция от числа элементов, которые сложены вместе (например, слева направо по горизонтальной оси). Как изображено на фиг.13, разность напряжений между обеими концами элемента1 составляет 0,6 вольт, и путем наложения на него элемента2 такая разность напряжений в совмещенных элементах увеличится до 1,2 вольт. Аналогично путем наложения на них элемента3 разность напряжения может быть увеличена до 1,8 вольт. Таким образом, электролиз может происходить между любыми двумя точками на поверхности VMJ, где превышается пороговое значение напряжения для разложения воды. Например, для разомкнутого контура напряжение 40 переходов VMJ элемента при 1000 интенсивностях солнечного излучения, равное 32 вольтам, может быть получено (например, 0,8 вольт на отдельном элементе). Принимая, что электролиз начинается при 1,6 вольт, только два отдельных элемента необходимы для обеспечения напряжения. В другом аспекте при увеличении токовой нагрузки напряжение, определяемое по вольтамперной характеристике VMJ элемента при максимальной мощности при 1000 интенсивностях солнечного излучения, падает до 24 вольт, или 0,6 вольт на отдельном элементе. Таким образом, три отдельных элемента могут понадобиться, что соответствует 1,8 вольтам для питания реакции электролиза. (Обычно большее напряжение также может потребоваться для электролиза при высоких плотностях тока.)

Далее следует оценить то, что, хотя электролиз описан в контексте использования одного VMJ, данное изобретение не ограничено этим и может быть применено как часть множества VMJ элементов (например, параллельно или последовательно соединенных, или работающих отдельно друг от друга). Путем определения зависимостей тока, сформированных в разных областях VMJ, которые демонстрируют различные напряжения, можно подобрать такую конструкцию VMJ элемента, чтобы обеспечить дополнительную область контакта для обращения с большими токами, где это необходимо. Например, контактные плотности тока могут быть уменьшены путем увеличения толщины металлического покрытия в различных точках, если это требуется. Более того, различные виды создания давления могут быть применены, чтобы увеличить эффективность электролиза и/или получение (например, с помощью устройств отсеивания, устройств фильтрации и им подобного) продуктов разложения (например, водорода, кислорода). Следует оценить, что данное изобретение не ограничено электролизом воды, а электролиз других смесей, которые совместимы с VMJ, входит в рамки объема данного изобретения.

Фиг.14 изображает связанный способ 1400 электролиза воды посредством VMJ в соответствии с аспектом данного изобретения. При том, что приведенный в качестве примера способ изображен и описан здесь как последовательность блоков, отображающих различные события и/или действия, данное изобретение не ограничено изображенным порядком таких блоков. Например, некоторые действия или события могут происходить в различной последовательности и/или одновременно с другими действиями или событиями, в отличие от последовательности, здесь изображенной, в соответствии с изобретением. Кроме того, не все изображенные блоки, события или действия могут требоваться для применения способа в соответствии с данным изобретением. Более того, будет оценено то, что примерный способ и другие способы в соответствии с изобретением могут быть применены в связи со способом, изображенным и описанным здесь, также как и в связи с другими системами и установками, не изображенными или не описанными. Сначала на этапе 1410 раствор электролита вводится в контейнер, который содержит VMJ, где он полностью или большей частью погружен. Такая система затем подвергается воздействию падающего света на этапе 1420, и течет ток, генерируемый VMJ. Падающий свет может генерировать электролиз воды через раствор электролита на этапе 1430, и в любом месте, где достигается или превышается пороговое значение разложения воды (например, порядка 1,2 вольт), происходит электролиз. Например, на каждом отдельном элементе может генерироваться напряжение, равное 0,6 вольтам (например, для 1000 интенсивностей солнечного излучения), и между областями первого отдельного элемента и третьего отдельного элемента может произойти электролиз. Соответственно, различные устройства для сбора (например, мембраны, решетчатые пластины и им подобные) могут быть расположены между областями, где напряжение превышает пороговое значение для электролиза (например, порядка 1,6 вольт), и, таким образом, собирать получающийся газообразный водород на этапе 1440. Также следует оценить, что другие устройства для сбора, такие как сбор далее по ходу потока, также возможны.

Фиг.15 изображает VMJ элемент, который может быть использован для электролиза в соответствии с аспектом данного изобретения. VMJ 1515 сам сформирован из множества соединенных вместе отдельных элементов 1511, 1517 (от 1 до n, где n является целым числом), где каждый отдельный элемент сам сформирован из сложенных подложек или слоев (не изображены). Например, каждый отдельный элемент 1511, 1517 может включать множество параллельных полупроводниковых подложек, сложенных вместе и состоящих из легированного примесями полупроводникового материала, который формирует PN переход и «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителей в направлении таких PN переходов. Более того, путем использования буферных(ой) зон(ы) 1510, 1512 различные активные слои, такие как c nn+ и/или p+n переходами, расположенные на обоих концах VMJ элемента 1515 (и являющиеся частью его отдельных элементов), могут быть защищены от неблагоприятных видов давления и/или растяжения (например, от термического/механического сжатия, скручивания, напряжения, деформации и им подобного, которые могут быть приложены к VMJ в процессе его производства и/или работы). Каждая из таких буферных зон 1510, 1512 может быть сформирована с помощью материала, который имеет омический контакт очень малого сопротивления (например, в любом интервале с верхней границей менее чем порядка 0,5 Ом на см), при этом уменьшая и/или исключая нежелательное автолегирование. Например, буферные зоны 1510, 1512 могут быть сформированы путем использования пластин малого сопротивления, легированных p-типом, с другими примесями p-типа, такими как сплавы алюминия, чтобы снизить возможность автолегирования (по сравнению с применением пластин n-типа, которые могут создать нежелательные pn переходы, когда желательно создать омические контакты очень малого сопротивления). Материалы-катализаторы (например, платина, титан и им подобные) также могут быть использованы на концевых контактах VMJ, чтобы способствовать процессу электролиза, например.

Фиг.16 изображает отдельный аспект отдельного элемента 1600, структура которых может сформировать VMJ элемент. Отдельный элемент 1600 включает слои 1611, 1613, 1615, сложенные вместе в практически параллельную структуру. Такие слои 1611, 1613, 1615 могут также включать легированный примесями полупроводниковый материал, где слой 1613 является слоем одного типа электропроводности, а слой 1611 является слоем противоположного типа электропроводности, чтобы определить PN переход в месте соединения 1612. Также слой 1615 может быть слоем того же типа электропроводности, что и слой 1613, но со значительно большей концентрацией примесей, таким образом, генерируя «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость перемещения носителей в направлении PN перехода 1612. Такие отдельные элементы могут быть соединены вместе для формирования VMJ (например, используя материал-катализатор для такой связи, чтобы усилить электролиз), который осуществляет электролиз, как подробно описано выше.

В соответствии с другим аспектом, чтобы произвести VMJ из множества элементов 1600, сначала одинаковые PNN+ (или NPP+) переходы могут быть сформированы на глубине примерно от 3 до 10 мкм в плоских пластинах из кремния высокого сопротивления (например, более 100 Ом на см) N типа (или P типа), имеющих толщину, примерно равную 0,008 дюймам. Далее такие PNN+ пластины складываются вместе с тонким слоем алюминия, расположенным между ними, где PNN+ переход и кристаллическая ориентация каждой пластины могут быть направлены в одном направлении. Более того, алюминийкремниевые легкоплавкие сплавы могут быть использованы, или металлы, такие как германий и титан, или металлы, такие как молибден или вольфрам, которые имеют термический(ие) коэффициент(ы), которые практически совпадают с термическим коэффициентом кремния. Далее поверхности кремниевых пластин и алюминиевых сплавов могут быть сплавлены вместе таким образом, что наложенная структура может быть соединена (например, также включая материал катализатор). Следует оценить, что другой материал, такой как германий или вольфрам, может также быть использован. Также алюминийкремниевые легкоплавкие сплавы тоже могут быть использованы. Также следует оценить, что электролит должен выбираться так, чтобы он не оказывал неблагоприятного воздействия на работу VMJ и/или приводил к химическим реакциям, вредным для VMJ. Следует оценить, что различные легированные слои N+-типа и P-типа могут быть использованы как части отдельных элементов, и такие структуры входят в объем данного изобретения.

Фиг.17 изображает следующий аспект данного изобретения, который включает VMJ с текстурированной поверхностью, использованный для электролиза. Схематический вид в перспективе поверхности с бороздками 1700 изображен как часть многопереходного (VMJ) элемента с вертикальными переходами 1720 в соответствии с аспектом данного изобретения. Такая структура для структурирования 1700 позволяет преломленному свету быть направленным от p+ и n+ диффузных легированных областей, при том, что в то же время создаются желаемые носители. Соответственно, падающий свет может быть преломлен в плоскости 1710, имеющей нормальный вектор n. Такая плоскость 1710 параллельна плоскостям PN перехода VMJ 1720 и может включать конфигурацию с поперечным сечением бороздок 1700. Другими словами, ориентация плоскости 1710 практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов 1711, 1713, 1715. Такая поверхность с бороздками может увеличить эффективность процесса электролиза.

Фиг.18 изображает примерные текстуры для бороздок на поверхности VMJ, которая принимает на себя свет для электролиза электролита. Такие бороздки могут быть в виде бороздок углубленной формы, например, такой как конфигурации с поперечным сечением в форме «V», имеющей разные углы θ (например, 0°<θ<180°) конфигурации с поперечным сечением в форме «U» и им подобными, где плоскость, которая включает конфигурацию с поперечным сечением, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ, и/или практически параллельна PN переходам VMJ. Следует оценить, что текстурирование 1810, 1820, 1830 для VMJ по данному изобретению отличается от известных в данной области техники текстур традиционных кремниевых фотоэлектрических элементов в области ориентации PN переходов и/или взаимодействия с падающим светом. Например, традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы обычно текстурированы так, чтобы отклонить проникающий свет таким образом, чтобы больше волн, имеющих большую длину волны, поглощалось ближе к PN переходам (расположенным горизонтально) для лучшего токосъема носителями, и, следовательно, смягчить низкую спектральную чувствительность к большим длинам волн в спектре солнечного излучения. И напротив, это не требуется в VMJ данного изобретения, который включает вертикальные переходы и, следовательно, уже обеспечивает увеличенную спектральную чувствительность к более длинным волнам в спектре солнечного излучения.

Предпочтительно, один аспект применения бороздок с фиг.7 (например, бороздок в форме V) заключается в уменьшении основной части рекомбинационных потерь путем уменьшения объема основной части (по сравнению с поверхностями традиционных солнечных элементов с текстурой, которая уменьшает отражение или приближает отраженный или преломленный свет к переходам). В частности, VMJ элемент продемонстрировал лучший токосъем носителями как для коротких длин волн, так и для длинных длин волн, где чувствительность к коротким длинам волн наблюдается за счет исключения сильнолегированных горизонтальных переходов на верхней поверхности, а чувствительность к длинным длинам волн наблюдается в связи с увеличенной эффективностью сбора вертикальных переходов. В качестве другого примера, если вместо структуры бороздок углубленной формы в соответствии с данным изобретением другие текстуры (например, со случайной, пирамидальной, куполообразной или схожей выступающей конфигурацией) были бы использованы как часть VMJ, падающий свет начал бы преломляться во всех направлениях, что привело бы к поглощению света в p+ и n+ диффузных областях и, следовательно, к уменьшенной эффективности. Более того, отражающие покрытия могут быть применены к задней поверхности VMJ элемента с целью дальнейшего усиления поглощения света.

В другом аспекте данное изобретение относится к увеличенной эффективности фотоэлектрических элементов, например, солнечных элементов, в частности солнечных элементов высокой интенсивности, таких как освещаемые с края структуры или структуры с вертикальными переходами, которые могут иметь значительную большую выходную мощность при высоких уровнях интенсивности излучения. Различные конструкции ФЭ элементов, которые формируют отдельные элементы, использованные для производства VMJ фотоэлектрических элементов, предлагаются здесь с целью уменьшения рекомбинационных потерь фотогенерированных носителей с помощью структурированных контактов.

VMJ элемент имеет теоретическое значение собственного предела эффективности, превышающее 30% при 1000 интенсивностях солнечного излучения, так что дальнейшие улучшения производительности возможны при экспериментальном понимании и осознании сути из анализа имитаций и моделирования на компьютере. Хотя традиционные солнечные элементы, рассчитанные на одну интенсивность солнечного излучения, легко моделируются с хорошими результатами, используя аналитические уравнения, это не подходит для освещаемых с края VMJ элементов, работающих при высоких интенсивностях, так как при высоких интенсивностях даже воздействия второго порядка могут оказать значительное(ые) воздействие(я) на эффективность работы элемента. При том, что аспекты или особенности данного изобретения изображены с солнечными элементами, такие аспекты или особенности и связанные с ними преимущества, такие как уменьшение рекомбинационных потерь фотогенерированных носителей, могут быть использованы в других фотоэлектрических элементах, например, в термофотоэлектрических элементах, или элементах, возбуждаемых лазерным(и) источником(ами) фотонов. Более того, аспекты данного изобретения также могут быть использованы в других классах элементов, преобразующих энергию, таких как бета-электрических элементах.

Физика пары носителей электрон-дырка, получаемой в солнечных элементах при высоких интенсивностях, довольно сложна, так как задействованы многие физические параметры, включая, но не ограничиваясь этим: скорости поверхностной рекомбинации, подвижности и концентрации носителей, обратные токи насыщения излучателей (например, рассеяния), продолжительности жизни неосновных носителей, сужение запрещенной энергетической зоны, встроенные электростатические поля и различные механизмы рекомбинации. Подвижность резко уменьшается с увеличением плотности носителей, а рекомбинация Оже резко возрастает с интенсивностью в кубической зависимости от плотности носителей. Чтобы включить такие аспекты в моделирование производительности VMJ солнечного элемента, компьютерные имитации (например, двухмерный числовой компьютерный анализ перемещения фотогенерированного носителя в полупроводнике) могут обеспечить осознание сути физических параметров отдельных элементов с вертикальными переходами, или ФЭ элементов, работающих для работы при высоких интенсивностях. Такие имитации предоставляют возможность анализа и разработки для понимания возможных источников эффективности производительности и увеличения производительности VMJ элементов при высоких интенсивностях. Следует оценить то, что, хотя традиционные солнечные элементы для работы при одной интенсивности солнечного излучения легко моделируются с хорошими результатами при использовании простых аналитических уравнений, это не подходит для освещаемых с края фотоэлектрических VMJ элементов, работающих при высоких интенсивностях освещения, так как при высоких интенсивностях даже воздействия второго порядка могут оказать существенное воздействие на эффективность работы элемента.

Компьютерные имитации основаны на моделях расположенных контакт к контакту VMJ отдельных элементов, которые включены в структуру полупроводниковых отображающих физику специальных областей в VMJ отдельных элементах, где рекомбинационные потери фотогенерированных носителей имеют место при высоких интенсивностях. По меньшей мере, некоторые из таких областей представляют сложные механизмы потерь, которые зависят от интенсивности. Компьютерная(ые) имитация(ии) отображает области в ФЭ элементах или VMJ отдельных элементах, которые могут быть улучшены с целью уменьшения рекомбинационных потерь и увеличения производительности VMJ элементов. Аспекты данного изобретения предоставляют такие улучшения.

Сопротивление последовательного соединения считалось существенным источником разработки решений для традиционных солнечных элементов концентраторов. Конструкция VMJ фотоэлектрического элемента показала себя более чем достойно в этом отношении, демонстрируя то, что сопротивления последовательного соединения не являются проблемой даже при 2500 интенсивностях солнечного излучения. Тем не менее, в некоторых случаях может оказаться выгодно пойти на компромисс и увеличить сопротивление последовательного соединения с целью меньшего усложнения конструкции, для того чтобы увеличить эффективность VMJ фотоэлектрических элементов для фотоэлектрических концентраторов, работающих при порядка 1000 интенсивностях солнечного излучения.

Следует оценить, что конструкция для работы при значительно более высоких интенсивностях, таких как 2500 интенсивностей солнечного излучения, где VMJ элементы все еще способны работать эффективно, могут потребовать значительно белее требовательной и дорогой разработки системы концентратора в области оптики, структур, подачи солнечного освещения и теплового регулирования, при этом, скорее всего, не улучшая в целом производительность или экономичность. Таким образом, аспекты или особенности солнечных элементов и связанный(ые) с ними процесс(ы) их производства, предложенные в данном изобретении, могут увеличить производительность VMJ элементов высокой интенсивности, работающих в интервале 1000 интенсивностей солнечного излучения или выше. Увеличение эффективности может сделать VMJ солнечные элементы или другие солнечные элементы, которые задействуют аспекты данного изобретения, более эффективными с точки зрения стоимости и жизнеспособными, даже при том, что это может привести к привлечению дополнительных производственных операций и потенциальному увеличению сопротивления последовательного соединения для интенсивностей, больших 1000 интенсивностей солнечного излучения. Аспекты и особенности, здесь описанные, могут обеспечить соответствующие компромиссы при разработке, чтобы сделать системы фотоэлектрических концентраторов, использующих солнечные элементы, VMJ элементы или что-либо, где используются аспекты данного изобретения, более жизнеспособными и эффективными с точки зрения стоимости путем обеспечения производительности с более низким показателем $/ватт.

Анализ компьютерного моделирования конструкции традиционного VMJ отдельного элемента, например, P+NN+ пластины с глубокими переходами, с использованием реальных параметров для хорошей обработки кремния (продолжительности жизни неосновных носителей, скорости поверхностной рекомбинации и т.д.) при интенсивностях более 500 интенсивностей солнечного излучения, продемонстрировал следующие процентные показатели рекомбинационных потерь для некоторых отдельных областей:

P+ диффузия 22,7%

P+ контакт 5,3%

N+ диффузия 32,8%

N+ контакт 11,4%

Таким образом, этот анализ предполагает, что сильно легированные P+ и N+ диффузные области излучения с их металлическими контактами отвечают за более чем половину всех рекомбинационных потерь в отдельных элементах, которые формируют VMJ солнечный элемент, и что оптимизированный диффузный N+ излучатель может отличаться по конструкции от оптимального диффузного P+ излучателя, отчасти в связи с разницей в подвижности. Относительная величина рекомбинационных потерь, возникающих в N+ и P+ областях, может быть изменена для N+PP+ отдельного(ых) элемента(ов) или P+NN+ отдельного(ых) элемента(ов) с поверхностным(и) P+N переходом(ами). В аспекте данное изобретение направлено на уменьшение рекомбинационных потерь в следующих диффузных областях с целью улучшения производительности VMJ элементов.

Высокие значения продолжительностей жизни неосновных носителей и низкие значения скоростей поверхностной рекомбинации были успешно достигнуты при разработке традиционного VMJ элемента с напряжением разомкнутой цепи Voc=0,8 вольт на переход отдельного элемента при высоких интенсивностях. Voc определяется генерируемыми солнечным светом токами и обратными токами насыщения диффузных излучателей (Jo), при присутствии как P+N, так и NN+ переходов в отдельном(ых) элементе(ах) VMJ солнечного элемента, составляющих часть напряжения разомкнутой цепи. Оптимальные переходы с электрической точки зрения имеют наименьшее значение Jo; при использовании Jo=1x10-13 Асм-2, которое типично для низких значений обратных токов насыщения высокого качества в диффузных переходах, анализ показал, что диффузные глубины порядка от 3 до 10 мкм являются достаточными глубинами как для P+, так и для N+ диффузий, даже при принятии бесконечных скоростей рекомбинации на омических металлических контактах.

Следует отметить, что даже при том, что глубокие и постепенные NN+ диффузионные профили обеспечат встроенное электростатическое дрейфовое поле, которое увеличит малую скорость перемещения носителей в направлении барьера перехода для предельно возможного сбора и снижения рекомбинации в этой области, компьютерные имитации показывают, что увеличение NN+ перехода становится менее эффективным при более высоких интенсивностях, что может привести к большей рекомбинации в N+ области, как показано выше.

Эксперименты и компьютерное моделирование и имитация определили, что лучшие области для улучшения производительности относятся к уменьшению рекомбинационных потерь в областях сильнолегированных P+ и N+ диффузных и металлических контактов для работы VMJ отдельных элементов при высоких интенсивностях. Так как оксидная пассивированная поверхность высокого качества может иметь малую скорость рекомбинации, равную нескольким см/секунда, что существенно меньше, чем у металлических контактов, и, принимая, что дрейфовые поля, создаваемые диффузными профилями, становятся менее эффективными при больших интенсивностях, аспекты данного изобретения обеспечивают уменьшенную площадь металлического контакта и диффузную площадь посредством структурированного диэлектрического покрытия ФЭ элементов, или VMJ отдельных элементов, чтобы улучшить производительность VMJ солнечных элементов.

Со ссылкой на чертежи, фиг.19А изображает схему 1900 фотоэлектрического элемента 1910 со структурированным диэлектрическим покрытием 1920 между одной из поверхностей ФЭ элемента и металлическим контактом 1925. Отметим, что поверхности ФЭ элемента 1910, диэлектрического покрытия 1920 и металлического контакта 1925 изображены находящимися не в контакте для ясности. Тем не менее, в солнечном(ых) элементе(ах), рассматриваемом(ых) здесь, такие поверхности находятся в контакте. Структурированное диэлектрическое покрытие 1920 изображено в виде разъединенных эллиптических областей, собранных в периодическую структуру или решетку. ФЭ элемент 1910 обычно является пластиной из полупроводникового материала N-типа, где полупроводниковый материал является одним из Si, Ge, GaAs, InAs или другого полупроводникового соединения III-V группы, полупроводникового соединения II-VI группы, CuGaSe, CuInSe, CuInGaSe. Пластина может включать легированную P+ диффузную область 1916 (обозначенную как P+) на первой поверхности пластины и легированную N+ диффузную область 1914 (обозначенную как N+) на второй поверхности, практически параллельной первой поверхности. Толщина активного ФЭ элемента 1910 обеспечивается слоем N-типа (N) 1912 между диффузными легированными слоями 1914 и 1916. Толщина диффузных слоев 1914 и 1916 может быть в интервале от 3 до 10 мкм и определяется процессом легирования, используемого для ввода носителей в пластину из материала N-типа (например, пластину 1912). Включение диффузных легированных слоев может быть совершено с использованием практически любых легирующих средств, например, технологий и легирующих материалов, обычно используемых в обработке полупроводников. Легирующие материалы могут включать фосфор и бор для N+ и P+ легирования соответственно. С целью объяснения, поверхности между диффузными слоями N+ 1914 и P+ 1916 b слоем N-типа (N) 1912 идеализированы в виде очень грубой поверхности раздела; тем не менее, такие поверхности могут быть нестандартными, с областями смешивания между нейтральными и легированными материалами. Степень смешивания определяется, по меньшей мере, частично механизмом или средствами, используемыми для получения легированных диффузных областей.

При том, что аспекты или особенности данного изобретения изображены для начальной пластины N-типа из полупроводникового материала как исходный элемент ФЭ элемента 1910, такие аспекты и особенности могут также применяться или выполняться в начальном внутреннем, например, номинально не легированном, исходном элементе ФЭ элемента 1910. Более того, в альтернативных или дополнительных вариантах исходный(ые) элемент(ы) P-типа может(гут) быть использован: ФЭ элемент 1910 может являться пластиной из легированного полупроводникового материала P-типа, которая может включать P+ диффузный слой 1916 на первой поверхности пластины и рядом с ней и N+ легированный диффузный слой 1914 на второй поверхности, практически параллельной первой поверхности, и рядом с ней, как описано выше.

В аспекте данного изобретения структурированное диэлектрическое покрытие 1920 уменьшает формирование поверхности соединения металла и диффузного легированного слоя (например, поверхности соединения металла и N+ слоя 1914) на металлическом покрытии активного ФЭ элемента 1910, отверстия в структурированном диэлектрическом покрытии являются областями, где металл и диффузный легированный слой образуют поверхность соединения. Так как такие поверхности соединения имеют высокие рекомбинационные потери, уменьшение контакта металла и диффузного легированного слоя, таким образом, снижает потери фотогенерированных носителей (например, электронов или дырок), не связанные с излучением, с вызванным этим увеличением фотоэлектрической эффективности ФЭ элемента 1910. Кроме того, покрытие ФЭ элемента 1910, например, с диэлектрическим материалом, образует пассивацию состояний поверхности и, таким образом, уменьшает поверхностные рекомбинационные потери. Структурирование диэлектрического покрытия может быть проведено посредством фотолитографических технологий или практически любой другой технологии, которая делает возможным регулируемое структурирование диэлектрической поверхности, например, влажным травлением. Такие фотолитографические технологии обычно осуществляют формирование структуры в результате выполнения множества производственных этапов маскирования и удаления диэлектрического материала в диэлектрическом покрытии. Как вариант или дополнительно, структурирование покрытия может быть осуществлено с помощью технологий осаждения, например, парового осаждения, такого как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), и его вариаций, усиленное плазмой CVD (PECVD), молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) и т.д., в присутствии маски, которая закрывает отложенный материал с целью задать специальную структуру.

Следует оценить, что слой диэлектрического покрытия 1920 может принимать различные планарные структуры и конфигурации, которые обеспечивают электрический контакт между N+- легированным диффузным слоем 1914 и металлическим контактом 1925. Как указано выше, в примерной схеме 1920 диэлектрическое покрытие 1920 принимает структуру квадратной решетки из эллиптических разъединенных областей. Другие решетки диэлектрических областей также могут быть сформированы. Такие решетки могут включать треугольную решетку, моноклинную решетку, гранецентрированную квадратную решетку или им подобные. Альтернативные или дополнительные структуры части(ей) диэлектрического материала внутри структурированного диэлектрического покрытия могут включать разъединенные или соединенные полосы диэлектрического материала. Следует отметить, что структурированное диэлектрическое покрытие, такое как покрытие 1920, может быть расположено между металлическим контактом 1935 и P+ диффузным легированным слоем 1916 (смотри, например, фиг.19В). Положение структурированного диэлектрического покрытия 1920 определяется нейтрально-легированным переходом, который имеет основные потери при рабочей интенсивности излучения в солнечном концентраторе или другой установке или устройстве для преобразования солнечной электроэнергии. Например, в ФЭ элементе 1910 (например, P+NN+ отдельном элементе) N+ диффузная область, или слой, и его контакты с металлом 1925 могут иметь значительно большие потери при больших интенсивностях электромагнитного излучения, таким образом, структурированное диэлектрическое покрытие 1920 в конфигурации, изображенной на схеме 1900, может иметь значительно менее дорогую конфигурацию для уменьшения рекомбинационных потерь (например, связанных с излучением или не связанных с излучением) и улучшения производительности ФЭ элемента 1910, особенно при высоких интенсивностях.

Следует оценить, что практически любая структура диэлектрического материала (например, разъединенная структура отверстий, такая как пространство между диэлектрическими эллиптическими областями в диэлектрическом покрытии 1920) может снизить рекомбинационные потери в одном диффузном слое (например, N+ слое 1914), так как металлическое покрытие, наносимое на более позднем этапе, может гарантировать, что все или практически все открытые контактные области взаимно соединены при полном соединении со следующим плоским отдельным элементом в структуре VMJ элемента. Отдельный(е) элемент(ы), используемый(е) для производства VMJ фотоэлектрического элемента, как здесь описано, состоит из ФЭ элемента 1910, покрытого диэлектрической структурой и металлизированного, как описано выше. Таким образом, такой(ие) отдельный(ые) элемент(ы) отличается(ются) от традиционного(ых) отдельного(ых) элемента(ов), используемого(ых) для производства традиционных VMJ солнечных элементов. Отмечается, что более маленькая(ие) область(и) контакта между металлом и легированным слоем может(гут) привести к увеличению сопротивления последовательного соединения блока ФЭ элементов, такого как 1910, который формирует солнечный элемент; таким образом, обладающая преимуществом структура для уменьшения относительного значения площади контакта представляет собой высокую концентрацию близко расположенных более маленьких отверстий для оптимизации производительности для заданной интенсивности. Рекомбинационные потери могут включать рекомбинацию, связанную с излучением и не связанную с излучением, фотогенерированных носителей, где рекомбинация, не связанная с излучением, может включать рассеивание Оже, релаксацию носителя-фонона или им подобное. Скорость рекомбинации Оже увеличивается в кубической зависимости от плотности носителей, например, плотности фотогенерированных носителей; увеличение объема фотоэлектрического устройства в два раза может привести к шестнадцатикратному увеличению рекомбинационных потерь, когда учитывается основное рассеивание Оже. Таким образом, более тонкие пластины 1910 или практически любые модификации конструкции, которые делают ФЭ элемент 1910 более тонким, такие как использование структур, собирающих свет, с текстурированными поверхностями, такими как поверхности с бороздками в форме V, поверхности с бороздками в форме U..., или отражателей на задней стороне, могут быть использованы для уменьшения основной части рекомбинации Оже при высоких плотностях путем уменьшения толщины отдельных элементов, которые формируют VMJ фотоэлектрический элемент. Эффективность съема в ФЭ элементах может значительно увеличиться, когда VMJ отдельные элементы, которые сконструированы в соответствии с аспектами, здесь описанными, обеспечивают 50% уменьшение рекомбинационных потерь.

Следует оценить, что практически любой диэлектрический материал может быть использован для диэлектрического покрытия 1920. В аспекте диэлектрическое покрытие может быть слоем термически образованного оксида, который имеет низкую скорость поверхностной рекомбинации. Также следует оценить, что, помещая электрические контакты на конце отдельного элемента или ФЭ элементов, выполненных на основе полупроводников (например, на основе Si) VMJ фотоэлектрических элементов со структурированными отверстиями в диэлектрике, может потребоваться полный электрический контакт, который может быть обеспечен с помощью кремния малого сопротивления, который термически совпадает или практически совпадает с коэффициентом теплового расширения отдельных элементов, или металла, такого как молибден или вольфрам, которые имеют термический(ие) коэффициент(ы), который(е) практически совпадает(ют) с термическим(ими) коэффициентом(амии) кремния. Аналогично для VMJ солнечного элемента, основанного на полупроводниковом материале или структуре, отличных от кремния, металлизация структурированного диэлектрического покрытия, например, 1920 или 1960, может быть осуществлена проводящим(и) материалом(ами), например, металлами или легированными полупроводниками малого сопротивления, которые имеют коэффициент(ы) теплового расширения, который(е) практически совпадает(ют) с термическим(и) коэффициентом(амии) полупроводникового материала отдельных элементов, которые формируют VMJ солнечные элементы.

Со ссылкой на металлические слои, слой металлического контакта 1925 и слой металлического контакта 1935 могут быть разными. Например, первый металлический контактный слой (например, слой 1925) может включать легирующие добавки, а второй контактный слой (например, слой 1935) может включать диффузный барьер с целью предотвратить автолегирование.

Фиг.19В является схемой 1950 фотоэлектрического элемента 1910 со структурированными покрытиями в обеих диффузных легированных областях. На схеме 1950 первое структурированное диэлектрическое покрытие 1920 расположено между N+ диффузным легированным слоем 1914 и первым металлическим контактом 1925, а второе структурированное диэлектрическое покрытие 1960 расположено между P+ диффузным легированным слоем 1916 и вторым металлическим контактом 1935. Аспекты диэлектрического покрытия 1960 практически те же, что и у диэлектрического покрытия 1920. Как упомянуто выше, слои металлического контакта 1925 и 1935 могут быть разными.

Следует отметить, что снижение рекомбинационных потерь фотогенерированных носителей и связанное с этим увеличение производительности ФЭ элемента, обеспеченное введением второго структурированного диэлектрического покрытия, более весомо по сравнению с дополнительной сложностью и возможными дополнительными затратами на дополнительный(е) этап(ы) производства, связанными с приготовлением второго структурированного диэлектрического покрытия.

Чтобы гарантировать эффективную работу ФЭ элемента 1910 в фотоэлектрическом устройстве, первая структура в диэлектрическом покрытии 1920 должна быть коррелированна со второй структурой в покрытии 1960 таким образом, чтобы иметь набор из одного или более открытия(ий) и, с другой стороны, секции(ий) металлических слоев 1925. Когда структурированное диэлектрическое покрытие 1920 «сдвинуто по фазе» относительно структурированного диэлектрического покрытия 1960, а диэлектрические покрытия взаимно закрывают секцию(ии) соответствующих металлических слоев 1925, сопротивление у отдельных элементов в блоке ФЭ элементов 1910 увеличивается, и эффективность VMJ солнечного элемента уменьшается.

Дополнительно или как вариант, отверстия, сформированные через структурированное диэлектрическое покрытие 1920, могут иметь различный размер, например, различную площадь, которую занимают отверстия в диэлектрическом покрытии 1960. Например, может быть более желательно иметь площадь отверстий для N+ контактов более широкую, чем для P+ контактов в ФЭ элементе 1910 или P+NN+ отдельных элементах, чтобы более эффективно снижать общие потери, в частности, если имеют место более высокие потери в N+ диффузной области и металлических контактах. Как описано выше, такое различие в размерах отверстий может быть использовано или применено независимо от конкретной структуры диэлектрического покрытия.

Фиг.19С изображает схему примерного набора исходных элементов и получаемого(ых) ФЭ элемента(ов), который(е) может(гут) быть произведен(ы) путем легирования в соответствии с аспектами, здесь описанными. Как указано выше, три типа исходных элементов (прекурсоров) могут быть использованы, чтобы произвести ФЭ элементы, которые обрабатываются, чтобы получить структурированное(ые) диэлектрическое(ие) покрытие(я) и металлический(ие) котакт(ы), как здесь описано: (I) легированный исходный элемент N-типа 1980, (II) легированный исходный элемент P-типа 1985 и (III) исходный элемент из собственного полупроводника 1990. Исходные элементы являются полупроводниковыми материалами, такими как Si, Ge, GaAs, InAs, или другими полупроводниковыми соединениями III-V группы, полупроводниковыми соединениями II-VI группы, CuGaSe, CuInSe, CuInGaSe. После легирования исходный элемент N-типа 1980 может стать ФЭ элементом 1982, который включает диффузную легированную область N+-типа и легированную область P+-типа, такой ФЭ элемент является ФЭ элементом 1910. Кроме того, легирование исходного элемента 1980 может привести к ФЭ элементу 1984, со слоями или областями диффузного легирования N-типа и P-типа. Исходный элемент 1985 делает возможным формирование ФЭ элементов 1986 и 1988 с N+ и P+ диффузными легированными слоями в ФЭ элементе 1986 и N+ диффузным легированием и легированием P-типа в элементе 1988. Различное легирование исходного элемента из собственного полупроводника 1990 приводит к получению ФЭ элементов 1992-1998. В ФЭ элементе 1992 включены области легирования P-типа и N-типа, ФЭ элемент 1994 включает легированные слои N+-типа и P-типа, ФЭ элемент 1996 включает легированные слои N-типа и P+-типа, а слои N+-типа и P+-типа включены в ФЭ элемент 1998. При том, что различные области легирования, вводимые в материалы исходных элементов 1980, 1985 и 1990, изображены вытянутыми областями, такие области могут быть пространственно ограничены или практически ограничены, как здесь описано. Различные ФЭ элементы, изображенные здесь, могут быть покрыты структурированным диэлектрическим материалом и металлизированы, как здесь описано, чтобы сформировать отдельный(е) элемент(ы), который(е) может(гут) складываться, чтобы получить единый (монолитный) фотоэлектрический элемент в соответствии с аспектами данного изобретения. В аспекте структурированные контакты, формируемые путем нанесения структурированного диэлектрического материала на P+NN+ ФЭ элементы или отдельные элементы, могут быть использованы для наземных ФЭ концентраторов, тогда как P+PN+ ФЭ элементы или отдельные ячейки могут быть более стойкими к излучению и, таким образом, могут использоваться для применения в космосе.

Фиг.20А является схемой 2000 поперечного сечения ФЭ элемента с одной структурированной поверхностью с диэлектрическим покрытием. В результате структуры диэлектрического материала секции 2005 диэлектрика отложены на N+ диффузный легированный слой 2014. Следует отметить, что дополнительная или альтернативная конфигурация ФЭ элемента со структурированным диэлектрическим покрытием на P+ диффузном легированном слое 2016 возможна. В ФЭ элементе, изображенном на схеме 2000, область N-типа 2012 разделяет диффузные легированные области 2014 и 2016. Как обсуждалось выше, такая конфигурация может быть эффективной при снижении рекомбинационных потерь, связанных с работой ФЭ элемента при высокой интенсивности.

Фиг.20В изображает ФЭ элемент схемы 2030 после металлизации с металлическими контактами 2025 и 2035. Наличие областей структурированного диэлектрического покрытия 2005 на N+ диффузном слое 2014 уменьшает электрическую связь между электрическими контактами 2025 и 2035. Как обсуждалось выше, слои металлических контактов могут быть разными.

Фиг.20С изображает примерный вариант осуществления VMJ фотоэлектрического элемента 2060, где продолжительные отдельные элементы 20701-2070М (M является целым числом), наложенные вдоль направления 2080, используют одностороннее асимметричное структурированное диэлектрическое покрытие (например, покрытие с диэлектрическими областями 2005) на N+ диффузном легированном слое. VMJ солнечный элемент, который получается из блока отдельных элементов 2070λ (λ=1, 2... M), которые являются ФЭ элементами, является единой (например, соединенной вместе), расположенной вдоль оси структурой. В аспекте на основе полупроводникового материала отдельного(ых) элемента(ов) два класса VMJ фотоэлектрических элементов могут быть сформированы: (а) однородный и (b) неоднородный. В (а) отдельный(е) элемент(ы) 20701 - 2070М основан(ы) на одинаковых исходных элементах, в то время как в (b) отдельный(е) элемент(ы) основан(ы) на разных исходных элементах. Разные исходные элементы могут быть основаны на одинаковых полупроводниковых структурах, например, Si, Ge, GaAs, InAs или других полупроводниковых структурах III-V групп, полупроводниковых структурах II-VI групп, CuGaSe, CuInSe, CuInGaSe, но отличаются типом легирования или, для структур сплавов, концентрацией сплавов. Неоднородные VMJ фотоэлектрические элементы могут задействовать различные части спектра излучения источника электромагнитного излучения, например, спектра излучения солнечного света. VMJ солнечный элемент может выдавать последовательное напряжение ∆V≈M∙∆Vc вдоль направления 2080, где ∆Vc является напряжением в составляющей ФЭ элемента 2070λ. В аспекте М~40 обычно используется, чтобы сформировать VMJ солнечный элемент. 1 см2 VMJ с M~40 может выдавать порядка 25 вольт при нормальных рабочих условиях, таких как падающий поток фотонов, длина волны излучения, температура и им подобные. Следует оценить то, что производительность блока ФЭ элементов ограничена ФЭ элементов с наименьшей производительностью, так как такой элемент является узким местом в последовательном соединении при выдаче тока; то есть выход тока уменьшается до значения выхода тока отдельного элемента с самой низкой производительностью. Таким образом, чтобы оптимизировать производительность, блоки активных ФЭ элементов или отдельных элементов, которые формируют VMJ фотоэлектрический элемент, могут совпадать по току или практически совпадать по току на основании характеристики производительности, снятой на испытательной установке при условиях (например, длине(ах) волн излучения, степени концентрации), практически идентичных тем, что предполагаются при нормальных рабочих условиях системы солнечного коллектора в полевых условиях. Ток, который совпадает, является током, вырабатываемым ФЭ элементом или отдельным элементом после преобразования солнечной энергии в электрическую.

Кроме того, единый блок ФЭ элементов 20701 - 2070м, который формирует VMJ солнечный элемент, может быть обработан, например, распилен, обрезан, протравлен, отслоен или тому подобное, для того, чтобы открыть или практически открыть особую кристаллическую плоскость (qrs) с миллеровскими индексами q, r, s, которые являются целыми числами, солнечному свету, когда VMJ солнечный элемент является частью ФЭ модуля или устройства. В аспекте, чтобы достичь существенной пассивации состояний поверхности, особая(ые) кристаллическая(ие) плоскость(и) может(гут) являться плоскостями (100). Фиг.20D изображает VMJ ФЭ элемент 2090, полученный наложением ФЭ элементов или отдельных элементов 2092 со структурированными контактами в виде, представленном на фиг.20С, VMJ ФЭ элемент обработан, чтобы открывать особую кристаллическую поверхность (qrs), обозначенную нормальным вектором 2094, направленным в направлении <qrs>. Отмечается, что любые ФЭ элементы со структурированными контактами, описанные здесь, могут быть использованы, чтобы сформировать VMJ ФЭ элемент, который открывает кристаллическую плоскость (qrs). Кроме того, в качестве части обработки и на основании направления <qrs> часть 2096 VMJ ФЭ элемента может быть удалена, чтобы создать плоскую поверхность, чтобы способствовать или делать возможным использование VMJ ФЭ в ФЭ устройстве или модуле.

Фиг.21А является схемой, которая изображает примеры структур(ы) диэлектрического покрытия ФЭ элемента. Структуры 2130 и 2140 относятся к структурам на первой и второй поверхностях ФЭ элемента. Отверстия в диэлектрическом покрытии представляют собой линии или полосы с установленной шириной w 2135 и шаговым разделением друг от друга wp 2145. В аспекте такая структура отверстий в структурированном диэлектрическом покрытии обеспечивает уменьшение контактной площади на (1+w/wp)-1; например, когда w=wp, уменьшение составляет 50% уменьшения контактной площади. Тем не менее, уменьшение контактной площади может привести к увеличению сопротивления последовательного соединения, предпочтительная структура линий или полос для уменьшения относительной контактной площади имеет высокую плотность близко расположенных отверстий в виде маленьких линий или полос. Плотность может изменяться с целью оптимизации производительности для данной интенсивности излучения, при которой ФЭ элемент предположительно работает в качестве части солнечного элемента, ФЭ элемента в ФЭ модуле. Дополнительные или альтернативные структуры на противоположных поверхностях ФЭ элемента 1910 или пластины также возможны и являются преимуществом. Как изображено, отверстия в виде линий или полос могут быть сделаны на противоположных сторонах каждого ФЭ элемента 1910 или пластины и отклонены на 90 градусов от одной стороны к другой; то есть полосы в структурированном диэлектрическом покрытии 2130 ориентированы под углом 135 градусов относительно направления <100>, в то время как полосы в структурированном материале 2140 находятся на линии под углом в 45 градусов относительно <100>. Отмечается, что другие схожие отклонения также возможны и являются преимуществом. Более того, как указано выше, отверстия, сформированные через структурированное диэлектрическое покрытие 2130, могут отличаться по размеру, например, в пределах разных областей, которые отверстия создают в диэлектрическом покрытии 2140. Например, в общем может быть более желательно иметь области отверстий для N+ контактов более широкие, чем для P+ контактов в ФЭ элементе с P+NN+ отдельным(и) элементом(амии), чтобы более эффективно снизить общие потери, в особенности, когда имеют место большие потери в N+ диффузных областях и металлических контактах. В качестве альтернативы, может быть желательно использовать области отверстий для P+ контактов более широкие, чем для N+ контактов, чтобы уменьшить рекомбинационные потери в N+PP+ отдельном(ых) элементе(ах) (например, ФЭ элементе 1986).

При производстве многопереходного(ых) солнечного(ых) элемента(ов) с вертикальными переходами, который(ые) включает(ют) сложение и сплавление ФЭ элементов со структурированными поверхностями, описанных здесь, диэлектрические области с различной ориентацией при соединении с металлическим покрытием могут сформировать контактные точки малого сопротивления в заданной структуре. В аспекте контактные точки, которым способствовали отверстия в диэлектрическом покрытии 2130 и 2140, направлены прямо по линии и расположены близко друг к другу в регулируемой структуре с P+ контактами одной пластины соединенными в точках с N+ контактами следующей пластины с целью поддержания низкого сопротивления последовательного соединения в законченных VMJ элементах. Как описано выше, в аспекте производимые VMJ элементы могут быть распилены, чтобы иметь предпочтительную <100> кристаллическую ориентацию на освещенной поверхности для того, чтобы установить более низкие степени пассивации поверхности. Таким образом, как изображено на фиг.21А, относительная ориентация линий или полос на первой поверхности структурированного ФЭ элемента может быть относительно смещена на угол γ, такой как 90 градусов, от линий или полос на второй поверхности, где первая и вторая поверхности включают направление кристаллов <100>, например, нормальное к кристаллической плоскости (100). Другие ориентации линий или полос также возможны и являются преимуществом. Также относительное смещение γ линий и полос на разных поверхностях может быть использовано. В аспекте смещение γ является определенным действительным числом; например, структуры диэлектрического покрытия не соединены взаимно на различных поверхностях. Кроме того, так как VMJ фотоэлектрические элементы, здесь описанные, могут быть обработаны, чтобы открыть или практически открыть любую кристаллическую плоскость (qrs), полосы в диэлектрическом покрытии могут быть ориентированы под углом относительно кристаллических направлений <qrs> с миллеровскими индексами q, r и s. В частности, полосы в структурированном диэлектрическом покрытии на первой поверхности могут включать полосы, ориентированные под первым углом α относительно <qrs>, в то время как полосы в структурированном диэлектрическом покрытии на второй поверхности могут быть ориентированы под вторым углом β (α≠β) относительно <qrs>, таким образом, обеспечивая смещение γ=α-β.

Фиг.21В изображает вид в поперечном сечении схемы ФЭ элемента 2150 со структурами диэлектрического покрытия, расположенными как на P+ диффузном легированном слое 2176, так и на N+ диффузном легированном слое 2174. В ФЭ элементах 2150 область N-типа 2172 отделяет диффузные легированные области 2014 и 2016. Изображенное поперечное сечение является срезом, который изображает соединение диэлектрических областей на первой поверхности, например, диэлектрических областей 2155, с диэлектрическими областями на второй поверхности, например, диэлектрическими областями 2165. Следует оценить, что другие поперечные сечения срезов могут отобразить не соединенные области диэлектрического материала первой поверхности и второй поверхности. Как обсуждалось выше, такое соединение способствует удерживанию сопротивления последовательного соединения в ФЭ элементах 2150 при сложении с целью формирования VMJ солнечного элемента, так как металлический контакт P+ диффузного легированного слоя может совпадать с металлическим контактом наложенного далее N+ диффузного легированного слоя, как изображено на фиг.21С. Следует оценить то, что, как указано выше, пространство между диэлектрическими областями 2155 может отличаться от пространства между диэлектрическими областями 2165.

Фиг.22 изображает вид в поперечном сечении схемы примерного ФЭ элемента 2200 с областями диэлектрического покрытия 2205, полученными путем отложения структурированного диэлектрического покрытия 2202, которое способствует или делает возможным уменьшить, по меньшей мере, область металлического контакта на поверхности ФЭ элемента на его металлическом покрытии. В ФЭ элементе 2200 N+ диффузная(ые) область(и) 2214 структурирована(ы) с целью уменьшения объема легированного слоя и, таким образом, снижения рекомбинационных потерь фотогенерированных носителей. Области N+ могут быть определены структурами отверстий в структурированном диэлектрическом покрытии; например, N+ диффузная(ые) область(и) 2214 может(гут) представлять собой полосы, ориентированные вдоль шагового(ых) разделения(ий) в структуре с полосами диэлектрического покрытия 2202. Такие области формируются путем использования областей диэлектрического покрытия 2205 в качестве маски, чтобы регулировать или управлять N+ легированием. На основании, по меньшей мере, части структурированного диэлектрического покрытия 2202 и конфигурации отложенных областей 2205 N+ диффузная(ые) легированная(ые) область(и) или объемы(ы) 2214 могут быть полностью ограничены или почти ограничены, например, ограничены в двух или меньше направлениях и проходящие в третьем направлении. В особенности ФЭ элемента 2200 области материала N-типа 2212 дополняются N+ диффузными легированными областями 2214. Кроме того, область P+ диффузного легирования 2216 не покрыта структурированным диэлектрическим материалом.

После металлизации, например, после того, как P+ диффузный слой 2216 и структурированная поверхность ограниченной разъединенной N+ диффузной легированной области (например, набор областей 2214) покрыты металлическим контактом, набор металлизированных ФЭ элементов может быть соединен и обработан, например, припаян или сплавлен на этапе производства высокой температуры, чтобы сформировать VMJ фотоэлектрический элемент с уменьшенными рекомбинационными потерями в соответствии с аспектами, здесь описанными.

Фиг.23А изображает вид в поперечном сечении схемы ФЭ элемента 2300 со структурами диэлектрического покрытия, нанесенными на противоположные диффузные легированные области. В аспекте первая структура диэлектрического покрытия (например, структура с полосами 2330, ориентированными вдоль направления, на 135 градусов повернутого относительно кристаллического направления <100>) используется, чтобы уменьшить площадь металлического контакта в первой диффузной легированной области, в то время как вторая структура диэлектрического покрытия (например, структура с полосами 2340, ориентированными на 45 градусов относительно кристаллического направления <100>). Как N+, так и P+ диффузные легированные области могут включать соответственно легированные области 2314 и 2316, ограниченные в двух или более направлениях. Отверстия в структурах диэлектрического покрытия могут служить в качестве масок для получения диффузных легированных слоев с уменьшенным объемом; отверстия, сформированные между областями 2305 и 2325 покрытого диэлектрика. Уменьшение поверхности металлического контакта и объема легированных областей при обоих диффузных легированных слоях может обеспечить улучшенное уменьшение рекомбинационных потерь носителей относительно диэлектрического покрытия и величины уменьшения легирования одной легированной области. Как обсуждалось ранее, выгода при улучшенной ФЭ производительности VMJ, произведенного со структурированными ФЭ элементами или отдельными элементами, более существенна по сравнению с дополнительной сложностью производства и затрат, связанных со структурированием поверхностей. Более того, отверстия, сформированные в структурированном диэлектрическом покрытии 2330, могут отличаться по размеру, например, в различных областях, от отверстий, образованных в диэлектрическом покрытии 2340, для того, чтобы лучше контролировать рекомбинационные потери, возникающие в диффузных легированных областях. Например, может быть более желательно иметь отверстия, которые обеспечивают большие N+ легированные области, чем те, что обеспечивают P+ легированные области, чтобы более эффективно снижать общие потери, особенно когда имеют место большие потери в N+ диффузной области и металлических контактах.

Фиг.23В изображает поперечное сечение структурированного ФЭ элемента 2350 со слоями металлического контакта 2365 и 2375, которые могут существенно отличаться от тех, что обсуждались выше. Изображенное поперечное сечение среза отображает металлические области 2365 (например, между пространствами диэлектрического материала) на поверхности N+ диффузного легированного слоя, соединенные с металлическими областями 2375 (например, область между пространствами диэлектрического материала) на поверхности P+ диффузного легированного слоя. В ФЭ элементе 2350 легированные области формируются в исходном элементе N-типа. Набор структурированных ФЭ элементов 2350 может быть сложен и обработан для формирования VMJ солнечных элементов с улучшенной производительностью.

Фиг.24 представляет изображение в перспективе примерного варианта осуществления текстурированного многопереходного (VMJ) фотоэлектрического элемента 2405 с вертикальными переходами с текстурированной поверхностью, который формируется путем наложения отдельных элементов 24101 - 241010 вдоль направления, нормального к плоскости отдельного(ых) элемента(ов); причем каждый отдельный элемент 2410k, с k=1, 2,...10 состоит из ФЭ элемента со структурированным диэлектрическим покрытием и металлическим контактом, как здесь описано. При том, что в примерном текстурированном ФЭ элементе 2405 изображен набор из 10 отдельных элементов, отмечается, что текстурированные фотоэлектрические элементы могут включать M отдельных элементов, где М является положительным целым числом. Отдельный(ые) элемент(ы) в текстурированном VMJ фотоэлектрическом элементе, например, 2410k, может быть помещен в отдельный(е) элемент(ы) 2070λ, 2180λ или 2350, или любой(ые) другой(ие) отдельный элемент, получаемый, как здесь описано. В фотоэлектрическом элементе 2405 текстурированная поверхность 2412 является поверхностью с бороздками в форме V; тем не менее, другие бороздки или углубления различных форм могут быть сформированы, например, бороздки в форме U. Текстурированная поверхность формируется на плоскости (qrs), которая выставлена или практически выставлена для электромагнитного излучения в результате обработки единого блока отдельных элементов или ФЭ элементов со структурированными металлическими контактами, описанными в настоящей заявке; смотри, например, фиг.20D. Падающий свет может быть преломлен в плоскости 2430, имеющей нормальный вектор n 2432. Такая плоскость 2430 параллельна поверхности(ям) отдельного(ых) элемента(ов) 2410k, на который(е) нанесен структурированный диэлектрический материал, и может включать конфигурацию поперечного сечения бороздок 2415, плоскость 2430 практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов 2410k. Текстурирование поверхности единого блока отдельных элементов 2410k, что приводит к текстурированной поверхности 2412, делает возможным направлять преломленный свет от P+ и N+ диффузных легированных областей, не препятствуя фотогенерации носителей, таким образом эффективно делая отдельные элементы, которые составляют текстурированный фотоэлектрический элемент 2405, тоньше и уменьшая рекомбинационные потери, как указано выше. Более того, антиотражающее покрытие может быть использовано на текстурированной поверхности 2410, чтобы увеличить поглощение элементом падающего света.

Принимая во внимание примерные системы и элементы, описанные выше, примерные способы, которые могут быть использованы в соответствии с раскрытым объектом изобретения, могут быть лучше оценены со ссылкой на схемы производственного процесса на фиг.25-27. С целью упрощения объяснения способы, предложенные и описанные здесь, представлены и описаны как последовательность этапов; тем не менее, следует понять и оценить то, что описанные и приведенные в формуле изобретения объекты изобретения не ограничены последовательностью этапов, так как некоторые этапы могут осуществляться в другом порядке и/или одновременно с другими этапами из тех, что изображены и описаны здесь. Например, следует понять и оценить, что способ, описанный здесь, может быть альтернативно представлен последовательностью взаимосвязанных действий или событий, такой как диаграмма состояний или диаграмма взаимодействий. Более того, не все изображенные этапы могут требоваться для применения примерного способа в соответствии с данным изобретением. Кроме того, примерные способы, описанные здесь, могут быть применены совместно, чтобы понять одну или более особенностей или преимуществ.

Фиг.25 является схемой производственного процесса примерного способа 2500 для производства VMJ солнечных элементов с уменьшенными рекомбинационными потерями носителей в соответствии с аспектами, здесь раскрытыми. Данный примерный способ не ограничен солнечными элементами и также может быть использован для производства любого или практически любого фотоэлектрического устройства. Один или более компонент(ы) или модуль(и), описанные здесь, могут влиять на данный примерный способ 2500. На этапе 2510 ряд поверхностей фотоэлектрического элемента (например, ФЭ элемента 1910) структурируется диэлектрическим покрытием. Структурирование ФЭ элемента диэлектрическим покрытием включает использование любой подходящей технологии для создания одного или более диэлектрических покрытий, обсужденной выше. В качестве примера структурирование может быть осуществлено с помощью технологий отложения и фотолитографии. В качестве другого примера технологии травления также могут быть использованы, чтобы пополнить или дополнить используемые протоколы структурирования. Практически любой или любой диэлектрический материал может быть использован для покрытия ряда поверхностей. На этапе 2520 металлический контакт откладывается на одну или более структурированных поверхностей ФЭ элемента. Альтернативное или дополнительное осуществление этапа 2530 может включать отложение омического контакта или проводящего контакта на одну или более структурированных поверхностей ФЭ элемента. Материал для металлического контакта или омического контакта может являться практически любым или любым проводящим материалом, например, легированным полупроводником малого сопротивления или металлом. В аспекте проводящий материал, предпочтительно, имеет термический(ме) коэффициент(ы), который(ые) практически совпадает(ют) с термическим(и) коэффициентом(ами) полупроводникового материала ФЭ элемента. В другом аспекте проводящий материал имеет характеристики соединения, которые способствуют сложению структурированных и металлизированных ФЭ элементов. Еще в одном аспекте структура(ы) покрытия(ий) диэлектрического материала гарантирует(ют) то, что металлизация противоположных поверхностей приводит к образованию областей малого сопротивления путем соединения металлических областей на разных поверхностях (например, отклоненные на 90 градусов отверстия в форме полос в структурах 2330 и 2340 приводят к образованию областей металлического контакта, соединенных вдоль направления наложения (например, направления z 2080)). На этапе 2530 ряд структурированных металлизированных элементов складывается с целью формирования VMJ солнечного элемента. Следует оценить, что такие ФЭ элементы могут включать ограниченные области диффузного легирования, как обсуждалось выше. На этапе 2540 сформированный VMJ солнечный элемент обрабатывается, чтобы способствовать развертыванию ФЭ устройства, оптимизировать фотоэлектрическую эффективность или для достижения и того, и другого. Такая обработка может включать различные производственные этапы или процессы, такие как процесс обрезания, процесс полировки, процесс очистки, соединяющие процессы и им подобные. Такие процессы могут быть направлены, по меньшей мере отчасти, на открытие особой кристаллической поверхности солнечному свету, когда сформированный VMJ солнечный элемент используется в ФЭ устройстве. В одном примере обработка включает VMJ элемент(ы), сформированный(ые) обрезанием таким образом, чтобы открыть или практически открыть <100> кристаллические плоскости солнечному свету с целью установить меньшие степени пассивации поверхности.

Фиг.26 является схемой производственного процесса примерного способа 2600 для производства солнечных элементов с уменьшенными рекомбинационными потерями носителей в соответствии с аспектами, здесь описанными. Данный примерный способ 2600 не ограничен производством солнечных элементов; примерный способ 2600 может быть также использован для производства любого или практически любого фотоэлектрического элемента. Один или более компонент(ы) или модуль(и), описанные здесь, могут влиять на данный примерный способ 2600. На этапе 2510 ряд поверхностей фотоэлектрического элемента (например, ФЭ элемента 1910) структурируется диэлектрическим покрытием. Структурирование ФЭ элемента диэлектрическим покрытием включает использование любой подходящей технологии для создания одного или более диэлектрических покрытий, обсужденной выше. В качестве примера структурирование может быть осуществлено с помощью технологий отложения и фотолитографии. В качестве другого примера технологии травления также могут быть использованы, чтобы пополнить или дополнить используемые протоколы структурирования. Практически любой или любой диэлектрический материал может быть использован для покрытия ряда поверхностей. На этапе 2620 структурированное диэлектрическое покрытие может быть использовано для формирования ограниченных областей диффузного легирования в ФЭ элементе. Структурированное диэлектрическое покрытие может быть использовано в качестве маски, которая определяет степень ограничения легированных областей. В одном из аспектов ограничение легированных областей может быть двухсторонним, с легированием, в основном проходящим в одном направлении и ограниченном в двух противоположных направлениях. Ограничение областей легирования может также быть практически трехсторонним, где легирование в ФЭ элементе ограничено рядом из одной или более локализованных областей, значительно меньших, чем размер ФЭ элемента (смотри, например, фиг.22). В качестве примера структура диэлектрического материала с полосами (например, структура 2330) при использовании в качестве маски для легирования может привести к диффузным легированным слоям, которые практически ограничены в двух направлениях, например, направлении диффузии в сторону центра пластины номинального нелегированного полупроводникового материала и направлении, нормальном к шагу или полосе структурированного покрытия. Ограниченные области диффузного(ых) легированного(ых) слоя(ев) уменьшают их объем и снижают рекомбинационные потери фотогенерированных носителей.

На этапе 2630 омический контакт откладывается на одну или более из структурированных поверхностей ФЭ элемента. В качестве материала для омического контакта может быть использован практически любой или любой проводящий материал, например, легированный полупроводник малого сопротивления или металл. В аспекте проводящий материал практически совпадает по значению термического(их) коэффициента(ов) с полупроводниковым материалом, например, Si, Ge, GaAs, InAs или другой полупроводниковой структурой III-V групп, полупроводниковой структурой II-VI групп, CuGaSe, CuInSe, CuInGaSe..., ФЭ элемента и подходит для сплавления. Как указано выше, структура(ы) покрытия(ий) из диэлектрического материала гарантирует, что отложение омического контакта на противоположные структурированные поверхности приводит к образованию областей малого электрического сопротивления путем соединения металлизированных областей на разных поверхностях (например, отклоненные на 90 градусов отверстия в форме полос в структурах 2330 и 2340 приводят к образованию областей металлического контакта, соединенных в направлении наложения (например, в направлении z 2080)).

На этапе 2640 набор структурированных металлизированных фотоэлектрических элементов складывается для формирования солнечного элемента. Набор фотоэлектрических элементов, которые формируют солнечный элемент, включает М элементов, где М является натуральным числом, определенным, по меньшей мере частично, нужным рабочим напряжением солнечного элемента. В аспекте набор ФЭ элементов может быть однородным или неоднородным. В однородном наборе каждый элемент или отдельный элемент набора основан на одинаковых исходных элементах, в то время как в неоднородном наборе каждый элемент основан на разных исходных элементах. Разные исходные элементы могут быть основаны на одинаковых полупроводниковых структурах, например, Si, Ge, GaAs, InAs или других полупроводниковых структурах III-V групп, полупроводниковых структурах II-VI групп, CuGaSe, CuInSe, CuInGaSe, но отличаются типом легирования или, для структур сплавов, концентрацией сплавов. Кроме того, такие структурированные металлизированные ФЭ элементы включают ограниченные области диффузного легирования, как обсуждалось выше. На этапе 2650 солнечный элемент обрабатывается, чтобы способствовать развертыванию ФЭ устройства, оптимизировать фотоэлектрическую эффективность или для достижения и того, и другого. Такая обработка может включать различные производственные этапы или процессы, такие как процесс обрезания, процесс полировки, процесс очистки, соединяющие процессы и им подобные. Такие процессы могут быть направлены, по меньшей мере, отчасти, на открытие особой кристаллической поверхности солнечному свету, когда сформированный солнечный элемент используется в ФЭ устройстве. В одном примере обработка включает VMJ элемент(ы), сформированный(ые) обрезанием таким образом, чтобы открыть или практически открыть (100) кристаллические плоскости солнечному свету с целью установить меньшие степени пассивации поверхности. Следует оценить то, что солнечный элемент может быть обработан, чтобы открыть или практически открыть другие кристаллические поверхности, например, (qrs) плоскости, такие как (311).

Фиг.27 является структурной схемой примерной системы 2700, которая делает возможным производство солнечных элементов в соответствии с аспектами, здесь описанными. Реактор(ы) для отложения 2710 делает(ют) возможной обработку основанных на полупроводниках пластин для производства ФЭ элементов или отдельных элементов, которые составляют солнечные элементы, например, VMJ солнечные элементы, как здесь описано. Реактор(ы) для отложения 2710 и модуль(и) в нем включают различные элементы оборудования, элементы программного обеспечения или их сочетание(ия) и связанные электрические и электронные сети, чтобы осуществлять работу. В аспекте модуль(и) покрытия 2712 позволяет осуществлять структурирование поверхности полупроводящей пластины или подложки с диэлектрическим покрытием. Пластина или подложка могут быть номинально нелегированными или легированными и являются исходными элементами ФЭ элементов, используемых для производства солнечных элементов. Как указано выше, структурирование может быть основано на отложении диэлектрического материала с помощью подходящей маски, фотолитографии или травления. Реактор(ы) для отложения 2710 также включает модуль(и) легирования, который(ые) позволяет(ют) проводить внедрение легирующих примесей в полупроводниковые исходные элементы для ФЭ элементов. Легирующие примеси могут сформировать диффузные легированные слои, как описано выше (смотри, например, фиг.19 или фиг.23); тем не менее, модуль(и) легирования 2714 также может(гут) обеспечить проведение практически любого типа легирования, такого как легирование на основе эпитаксиального выращивания, например, дельта-легирование. Кроме того, модуль(и) легирования 2714 делает(ют) возможным формирование диффузных барьеров, которые могут предотвратить автолегирование.

Как описано выше, покрытие ФЭ элемента диэлектрическим материалом может быть осуществлено до или после легирования. Легирование после отложения структурированного диэлектрика задействует такой тип отложения, как с помощью маски, для получения ограниченных или практически ограниченных областей легирования (смотри, например, фиг.22).

Модуль(и) металлизации 2716 делает(ют) возможным отложение металлического(их) слоя(ев) на ФЭ элемент, который включает области легирования, неограниченные или ограниченные, и структурированное(ые) диэлектрическое(ие) покрытие(ия). Металлизация может быть осуществлена с помощью отложения полупроводникового материала с последующим легированием или металлического материала. В аспекте такие материалы имеют термический(ие) коэффициент(ы), которые совпадают или практически совпадают с термическим(и) коэффициентом(ами) ФЭ элемента с легированными областями.

Реактор(ы) для отложения 2719 может(гут) включать распылительную(ые) камеру(ы), камеру(ы) для эпитаксиального выращивания, камеру(ы) для осаждения из паровой фазы; электронно-лучевую(ые) пушку(и); держатель(и) исходного материала; хранилище пластин; образец подложки; печь(и), вакуумный(ые) насос(ы); например, турбомолекулярный насос, диффузионный насос и им подобное. Кроме того, реактор(ы) для осаждения 2710 может(гут) включать компьютер(ы), включающий(ие) процессор(ы) и запоминающие устройства в нем, причем запоминающие устройства могут быть энергозависимыми или энергонезависимыми; программируемый(ые) логический(ие) контроллер(ы); специализированный(ые) процессор(ы), такой(ие) как узконаправленный(ые) набор(ы) микросхем или им подобное. Реактор(ы) для отложения 2710 может также включать программное(ые) приложение(я), такое(ие) как операционная(ые) система(ы), или кодовые последовательности для влияния на один или более этапов производства, включая, по меньшей мере, те, что описаны выше. Описанное оборудование, программное обеспечение и их сочетание способствуют или делают возможным, по меньшей мере, частичное функционирование реактора(ов) для отложения 2710 и модуля(ей) в них. Шина 2718 делает возможным обмен информацией, например, сведениями или кодовыми инструкциями, о передаче материалов, о смене обрабатываемых элементов и так далее, между различным оборудованием, программным обеспечением и их сочетанием(ями) в реакторе(ах) для отложения 2710.

Фотоэлектрический(ие) элемент(ы) может подаваться на платформу упаковки 2730 для дальнейшей обработки. Связь для обмена, например, конвейерная связь или обменная камера и электромеханические оставляющие в них, может подавать ФЭ элемент(ы); по меньшей мере, одна из связей для обмена или обменная камера изображены в качестве стрелки 2720. Структура модуля(ей) 2732 может собирать набор из ФЭ элемента(ов) и позволяет накладывать каждый из ФЭ элементов путем высокотемпературного процесса или этапа с целью получения солнечного элемента, например, VMJ солнечного элемента. Блок перемещается в модуль(и) спецификации 2734, который доводит солнечный элемент до установленной спецификации, например, блок распиливается, чтобы позволить открыть отдельную кристаллическую плоскость ФЭ элементов в блоке, который формирует солнечный элемент. Такой обработке может(гут) способствовать или делать ее возможной, по меньшей мере частично, модуль(и) испытаний 2760, который может определять кристаллографическую ориентацию ФЭ элементов или отдельных элементов в солнечном элементе; такое определение может быть установлено с помощью рентгеновской спектроскопии, например, дифракционный спектр и характеристика кривой качания.

Для гарантии качества или удовлетворения спецификациям модуль(и) испытаний 2760 может(гут) исследовать исходные материалы или обрабатываемые материалы на различных этапах процесса производства солнечного элемента. В качестве примера модуль(и) испытаний 2760 может(гут) исследовать плотность отверстий в структурированном диэлектрическом покрытии ФЭ элемента(ов), чтобы определить, подходит ли такая плотность для предполагаемой интенсивности солнечного излучения или потока фотонов в солнечном концентраторе. В другом примере, модуль(и) испытаний может(гут) определять плотность дефектов, которая может возрасти при термической периодической обработке ФЭ элемента металлическими слоями, чтобы определить, подходят ли материал или используемый процесс металлизации. Наконец, модуль(и) испытаний 2760 может(гут), по меньшей мере, быть применен для проведения измерений продолжительности жизни неосновных носителей, рентгеновской спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, туннельной электронной микроскопии, сканирующей туннельной микроскопии, спектроскопии энергетических потерь электронов или им подобного. Испытание(я), проводимое(ые) модулем(ями) испытаний 2760, может(гут) осуществляться как на месте производства, так и за его пределами. Образцы исходных элементов обрабатываемых материалов или устройств, например, солнечных элементов, могут передаваться в модуль(и) испытаний посредством связей для обмена 2740 и 2750.

Устройство(а) обработки (не изображено(ы)) может воздействовать на логику с целью регулирования, по меньшей мере, части различных процессов, здесь описанных, в связи с работой системы 2700. Такое(ие) устройство(а) обработки (не изображено(ы)) может(гут) включать кодовые инструкции, которые воздействуют на управляющую логику; кодовые инструкции, например, программного модуля(ей) или программных приложений, могут храниться в устройстве(ах) памяти (не изображено(ы)), функционально соединенном(ых) с процессором(ами).

Описанное выше включает примеры систем и способы, которые обеспечивают преимущества по данному изобретению. Конечно, невозможно описать все возможные сочетания элементов или способов с целью описания данного изобретения, но обычный специалист в данной области техники может понять, что много других сочетаний и изменений данного изобретения, описанного в формуле изобретения, возможны. Кроме того, в случае, когда термины «содержит», «имеет», «обладает» и им подобные используются в подробном описании, пунктах формулы изобретения, приложениях и чертежах, подразумевается, что эти термины также включающие, как и термин «включает», когда «включает» интерпретируется при использовании как переходное слово в пункте формулы изобретения.

1. Фотоэлектрический элемент, содержащий:
монолитный блок из множества выполненных на основе полупроводников фотоэлектрических (ФЭ) элементов, где каждый элемент из упомянутого множества выполненных на основе полупроводников ФЭ элементов включает в себя по меньшей мере один диффузионный легированный слой Р-типа или диффузный легированный слой N-типа;
структурированное диэлектрическое покрытие, нанесенное на по меньшей мере один диффузионный легированный слой Р-типа или диффузионный легированный слой N-типа, причем структуры на упомянутом структурированном диэлектрическом покрытии уменьшают площадь поверхности контакта между металлическим слоем и легированными слоями, чтобы уменьшить рекомбинационные потери фотогенерированных носителей во множестве выполненных на основе полупроводников ФЭ; и металлический слой, расположенный на поверхности раздела между элементами во множестве выполненных на основе полупроводников ФЭ элементов.

2. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором по меньшей мере один диффузионный легированный слой Р-типа или диффузионный легированный слой N-типа включает в себя одну или более ограниченных областей.

3. Фотоэлектрический элемент по п.2, в котором структурированное диэлектрическое покрытие включает в себя по меньшей мере одну из разъединенных областей диэлектрического материала или соединенных областей диэлектрического материала.

4. Фотоэлектрический элемент по п.3, в котором соединенные области диэлектрического материала включают в себя по меньшей мере одно из периодической решетки диэлектрических областей или, по существу, периодической решетки.

5. Фотоэлектрический элемент по п.3, в котором разъединенные области диэлектрического материала включают в себя по меньшей мере одно из набора полос, ориентированных под первым углом относительно кристаллического направления <qrs>, или набора полос, ориентированных под вторым углом, отличным от кристаллического направления <qrs>, где q, r и s являются миллеровскими индексами.

6. Фотоэлектрический элемент по п.5, в котором плотность полос в по меньшей мере одном из упомянутых наборов полос устанавливается по меньшей мере частично, исходя из интенсивности излучения, при которой множество выполненных на основе полупроводников ФЭ элементов предположительно будут работать.

7. Фотоэлектрический элемент по п.5, в котором первый диффузионный легированный слой в ФЭ элементе покрыт первой структурой из диэлектрического материала, а второй диффузионный легированный слой в ФЭ элементе покрыт второй структурой из диэлектрического материала.

8. Фотоэлектрический элемент по п.7, в котором первая структура из диэлектрического материала определяется по меньшей мере частично механизмами рекомбинационных потерь в первом диффузионном легированном слое.

9. Фотоэлектрический элемент по п.8, в котором вторая структура из диэлектрического материала определяется по меньшей мере частично механизмами рекомбинационных потерь во втором диффузионном легированном слое.

10. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором блок из множества выполненных на основе полупроводников фотоэлектрических (ФЭ) элементов обрабатывается так, чтобы, по существу, открыть конкретную(ые) кристаллическую(ие) плоскость(и) солнечному свету.

11. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором металлический слой имеет коэффициент(ы) теплового расширения, который(ые), по существу, совпадает(ют) с коэффициентом(ами) теплового расширения полупроводникового материала фотоэлектрического элемента.

12. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором выход тока при преобразовании энергии, осуществляемом выполненными на основе полупроводников фотоэлектрическими (ФЭ) элементами, является практически одинаковым.

13. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором каждый элемент из множества выполненных на основе полупроводников ФЭ элементов формируется путем легирования одного из полупроводникового прекурсора N-типа, полупроводникового прекурсора Р-типа или полупроводникового прекурсора с собственной проводимостью.

14. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором поверхность монолитного блока включает в себя текстурированную поверхность со структурой из формаций в виде углублений.

15. Способ производства фотоэлектрических элементов с уменьшенными рекомбинационными потерями фотогенерированных носителей, причем способ содержит:
структурирование ряда поверхностей фотоэлектрического (ФЭ) элемента с помощью диэлектрического покрытия, чтобы уменьшить площадь поверхности контакта между омической областью и легированными областями и уменьшить рекомбинационные потери фотогенерированных носителей в упомянутом ФЭ;
нанесение омического контакта на одну или более структурированных поверхностей ФЭ элемента;
компоновку в виде пакета блока структурированных ФЭ элементов с омическими контактами с целью формирования многопереходного (VMJ) фотоэлектрического элемента с вертикальными переходами и
обработку сформированного VMJ фотоэлектрического элемента с целью облегчения применения в ФЭ устройстве, оптимизации фотоэлектрической производительности или достижения и того, и другого.

16. Способ по п.15, в котором одна или более поверхностей из упомянутого ряда поверхностей включает в себя диффузионный легированный слой, который охватывает расширенную область или ограниченную область.

17. Способ по п.15, также содержащий использование структурированного диэлектрического покрытия в качестве маски для получения ограниченных областей диффузионного легирования в фотоэлектрическом элементе.

18. Способ по п.15, в котором материал для омического контакта является проводящим материалом с коэффициентом(ами) теплового расширения, который(ые), по существу, совпадает с коэффициентом(ами) теплового расширения фотоэлектрического элемента.

19. Способ по п.15, в котором структурирование упомянутого ряда поверхностей фотоэлектрического (ФЭ) элемента с диэлектрическим покрытием включает в себя нанесение по меньшей мере одного из набора полос, ориентированных под первым углом относительно кристаллического направления <qrs>в ФЭ элементе, или набора полос, ориентированных под вторым углом, отличным от кристаллического направления <qrs> в ФЭ элементе, где q, r и s являются миллеровскими индексами.

20. Способ по п.19, в котором плотность полос в по меньшей мере одном из наборов полос устанавливается по меньшей мере частично, исходя из интенсивности излучения, при которой множество выполненных на основе полупроводников ФЭ элементов предположительно будут работать.

21. Способ по п.15, в котором этап обработки включает в себя обрезание сформированного VMJ фотоэлектрического элемента, для того чтобы, по существу, открыть кристаллическую(ие) плоскость(и) (qrs) солнечному свету, где q, r и s являются миллеровскими индексами.

22. Способ по п.15, в котором блок структурированных ФЭ элементов с омическими контактами, который формирует VMJ фотоэлектрический элемент, является согласованным по току.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе, содержащей специальную черепицу, ее варианты и принадлежности, достаточные для того, чтобы покрыть всю крышу, при этом обеспечивающие термоизоляцию, вентиляцию, не наносящие вред окружающей среде, аккумулирующие солнечную и производящие фотоэлектрическую энергию, достаточную для производства горячей воды и/или электрической энергии.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к конструкции солнечных фотоэлектрических модулей с фотоэлектрическими приемниками солнечного излучения и концентраторами.

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами. .

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к конструкции солнечного фотоэлектрического субмодуля, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. .

Изобретение относится к области солнечной энергетики. .

Изобретение относится к способу производства комбинированных солнечных панелей фотоэлектрического и теплового типа, способных преобразовывать солнечную энергию как в электрическую, так и тепловую энергию с высокой эффективностью (кпд).

Изобретение относится к области фотоэлектрического преобразования энергии, в частности к системам с расщеплением солнечного спектра на длинноволновый и коротковолновый диапазоны.
Изобретение относится к изготовлению фотоэлектрических модулей с применением клейких пленок, отражающих солнечный свет

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Фотоэлектрический концентраторный субмодуль содержит фронтальный стеклянный лист (1), на тыльной стороне которого расположен первичный оптический концентратор в виде линзы (2) квадратной формы с длиной стороны квадрата, равной W, и фокусным расстоянием F. В центральной области поверхности линзы (2) квадратной формы и соосно с ней установлен фотоэлемент (4) толщиной z1, выполненный в виде квадрата со стороной, равной d1, размещенный на теплоотводящем основании (3), выполненном в виде круга диаметром d2 или прямоугольника с длиной большей стороны d2 и толщиной z2. На фотоактивной поверхности фотоэлемента (4) соосно с линзой (2) квадратной формы установлен вторичный оптический концентратор в виде, например, усеченного стеклянного конуса (5), высотой h1, обращенного меньшим основанием к фотоэлементу. Параллельно фронтальному стеклянному листу (1) установлен тыльный стеклянный лист (6) со светоотражающим зеркальным покрытием (7). Расстояние от светоотражающего зеркального покрытия (7) до фотоэлемента (4) равно L. Величины F, W, d1, d2, z1, z2, h1 и L удовлетворяют определенным соотношениям. Изобретение обеспечивает уменьшение трудоемкости изготовления фотоэлектрического субмодуля при обеспечении высокой точности монтажа фотоэлемента и сохранении хорошей разориентационной характеристики, что позволит увеличить его энергопроизводительность и надежность. Снижение расхода материалов за счет уменьшения в 2 раза толщины субмодулей также позволит уменьшить стоимость изготовления фотоэлектрического модуля. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области беспроводной передачи энергии с потоком концентрированного электромагнитного излучения оптического диапазона, в частности монохроматического электромагнитного излучения лазера, на приемник-преобразователь на основе фотоэлектрического преобразователя и может найти применение в космической энергетике. Сущность изобретения: создание приемника-преобразователя концентрированного электромагнитного излучения, включающего приемную плоскость, выполненную в виде панели фотоэлементов с антиотражающим покрытием и с электрической коммутацией фотоэлементов, систему отвода тепла от фотоэлементов, несущую силовую конструкцию, на внешней поверхности приемной плоскости которого установлены своими основаниями три симметричные концентричные конические оболочки - центральная, периферийная и средняя между ними, при этом их общая ось симметрии проходит через центр панели фотоэлементов, выполненной в виде круга радиусом R, и перпендикулярна панели, причем периферийная и средняя конические оболочки выполнены усеченными с высотой h каждая, средняя коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания rα и с углом при вершине α=90°, периферийная коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания rβ=R и углом при вершине β, отвечающим определенному соотношению, центральная коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания rγ и углом при вершине γ, отвечающими определенному соотношению, а внешние поверхности средней и центральной конических оболочек и внутренние поверхности периферийной и средней конических оболочек выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. Изобретение позволяет: повысить КПД приемника-преобразователя благодаря созданию более равномерного облучения последовательно и параллельно соединенных фотоэлементов, что позволяет снизить разброс электрических параметров фотоэлементов и групп, что в целом уменьшает схемные потери; увеличить ресурс приемника-преобразователя за счет снижения риска разрушения отдельных фотоэлементов и межэлементных связей благодаря более равномерному температурному распределению по поверхности приемной плоскости; создать более благоприятные условия работы системы отвода тепла от фотоэлементов приемной плоскости. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электричества и/или тепла. Солнечный модуль с концентратором состоит из приемника солнечного излучения и цилиндрического солнечного концентратора, отражающая поверхность которого образована прямоугольными зеркально отражающими пластинами - фацетами. Фацеты установлены так, что солнечный луч L1, лежащий в плоскости поперечного сечения концентратора и идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце, равным точности следящей системы α, после отражения на ближней к приемнику кромке фацеты, попадает на дальнюю от нее границу зоны концентрированного солнечного излучения на поверхности приемника, а ширина фацет такова, что луч L2, симметричный первому лучу L1 относительно прицельного направления, после отражения на противоположной кромке фацеты попадает на ближнюю границу зоны концентрированного излучения. Изобретение обеспечивает более равномерное распределение солнечной радиации по поверхности приемника, повышение оптической эффективности концентратора и, в результате, увеличение среднегодовой выработки энергии и снижение ее себестоимости. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение может быть использовано при изготовлении солнечных элементов и светодиодов. Люминесцентное покрытие образуется из жидкой полимерной композиции, состава, мас. %: поливинилбутираль, имеющий 15-22 мас.% гидроксильных групп, - от 9,0 до 16,0; сшивающий агент - от 0,01 до 8,0; адгезив - от 0,0 до 8,0; люминофор или смесь люминофоров, вторично излучающих в спектральном диапазоне 400÷900 нм, - от 0,05 до 3,0 мас.%; и неполярный апротонный растворитель - остальное. Компоненты указанной полимерной композиции перемешивают при нормальных условиях до образования однородной массы и наносят слоем толщиной от 10 до 200 мкм на плоскую, выпуклую, вогнутую поверхность из стекла, полупроводникового материала, прозрачного оксидного электропроводящего материала методом налива или пневматического распыления. Затем сушат при нормальных условиях до образования тонкой полимерной пленки и выдерживают в сушильном шкафу в течение 60÷90 мин при температуре от 60 до 160 °C. Увеличивается эффективность преобразования энергии падающего света. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 6 пр.

Изобретение относится к физике и технологии полупроводниковых приборов, в частности к солнечным элементам на основе кристаллического кремния. Солнечный элемент на основе кристаллического кремния состоит из областей p- и n-типов проводимости, электродов к р- и n-областям, при этом согласно изобретению на фронтальной поверхности кристалла сформирована дифракционная решетка с периодом, равным длине волны кванта излучения, энергия которого равна ширине запрещенной зоны кристалла. Изобретение обеспечивает уменьшение глубины поглощения квантов солнечного излучения, снижение световых и электрических потерь, а также увеличение эффективности преобразования и возможность создания сверхтонких кристаллических солнечных элементов. 2 ил.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является увеличение количества выработки электроэнергии. Устройство (1) освещения с солнечным энергоснабжением, содержащее солнечный элемент (2), источник (8) света, адаптированный, по меньшей мере, для частичного питания электроэнергией, получаемой от солнечного элемента (2), и конструктивный элемент (3), имеющий первую сторону (4), снабженную первой отражающей поверхностью (5), выполненной с возможностью направлять солнечный свет (6) непосредственно к солнечному элементу (2), и вторую сторону (7), к которой термически подсоединен источник (8) света для рассеяния тепла, генерируемого источником (8) света во время излучения света (9). 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к системам охлаждения фотоприемных устройств. Охлаждаемое основание фотоприемного устройства выполнено из материала, имеющего одинаковый или близкий к охлаждаемому элементу коэффициент теплового расширения и для снижения неравномерности охлаждения через всю длину основания проходит отверстие, в которое помещается тепловая труба, а оставшийся зазор между тепловой трубой и отверстием основания заполняется галлием, образуя механическую связь с хорошей теплопроводностью. Изобретение позволяет значительно снизить температурный градиент при охлаждении крупноформатных фотоприемных устройств, выполненных как на одной подложке, так и набранных из нескольких модулей. 2 ил.
Согласно изобретению предложен способ создания электропроводных скреплений между солнечными элементами, включающий перенос адгезива, содержащего электропроводные частицы, с носителя на субстрат посредством облучения носителя лазером, частичной сушки и/или отверждения адгезива, перенесенного на субстрат, с формированием адгезивного слоя, скрепления адгезива с электрическим соединением и отверждения адгезивного слоя. Также согласно изобретению предложен состав адгезива для описанного выше способа. Изобретение обеспечивает возможность создания электрических контактов в солнечных элементах, в которых электропроводные контакты могут быть созданы без использования жидких металлических припоев и в которых возможным является точное размещение мест контактов. 2 н. и 13 з.п. ф-лы.
Наверх