Кремниевый многопереходный фотоэлектрический преобразователь с наклонной конструкцией и способ его изготовления

Авторы патента:

Абдуллаев Олег Рауфович (RU)

Мурашев Виктор Николаевич (RU)

Леготин Сергей Александрович (RU)

Симакин Виктор Васильевич (RU)

Леготина Нина Геннадьевна (RU)

Краснов Андрей Андреевич (RU)

Барышников Федор Михайлович (RU)

H01L31/18 - способы и устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей (не предназначенные специально для этих приборов H01L 21/00)

H01L31/042 - содержащие панели или матрицы фотоэлектрических элементов, например солнечных элементов

Владельцы патента RU 2513658:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Конструкция «наклонного» кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) согласно изобретению содержит диодные ячейки (ДЯ) с n⁺-p^--p⁺ (р⁺-n^--n⁺) переходами, параллельными горизонтальной светопринимающей поверхности, диодные ячейки содержат n⁺(p⁺) и р⁺(n⁺) области n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, через которые они соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными на поверхности n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей с образованием соответствующих омических контактов - соединений, при этом, что n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) области и соответствующие им катодные и анодные электроды расположены под углом в диапазоне 30-60 градусов к светопринимающей поверхности, металлические катодные и анодные электроды расположены на их поверхности частично, а частично расположены на поверхности оптически прозрачного диэлектрика, расположенного на поверхности n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей, при этом они с металлическими электродами и оптически прозрачным диэлектриком образуют оптический рефлектор. Также предложен способ изготовления описанной выше конструкции «наклонного» кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП). Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия фотопреобразователей. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

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

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

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

Известна выбранная за прототип (рис.1) конструкция кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), содержащая диодные ячейки (ДЯ) с n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^-n⁺) переходами, параллельными горизонтальной светопринимающей поверхности, при этом диодные ячейки содержат n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) области n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^-n⁺) переходов, через которые они соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными на поверхности n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей с образованием соответствующих омических контактов - соединений [4. Мурашев В.Н. и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009].

Способ ее изготовления, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, осаждение металла на поверхность пластин, сборку пластин в столбик с прокладками из металлической фольги, сплавления пластин в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных p⁺-n (n⁺-p) переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.

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

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

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

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

«Наклонная» конструкция ФЭП поясняется рисунками (рис.2а, б, в). На рис.2 соответственно показано вид сверху (снизу) и сечение конструкции ФЭП, который согласно изобретению содержит диодные ячейки ДЯ - 1 с нанесенным на них светопросветляющим покрытием - 2, соединенные в единую конструкцию металлическими катодными - 3 и анодными - 4 электродами с расположенным на их поверхности оптически прозрачным диэлектриком - 5, содержащим контактные окна - 6, через которые металлические электроды 3, 4 соединены с соответствующими полупроводниковыми областями - 7n⁺(p⁺) типа и - 8 p⁺(n⁺) типа n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, соединенные соответственно с областями - 9 n^-(p^-) типа и - 10 p^-(n^-) переходов, параллельных горизонтальной светопринимающей поверхности.

Технология изготовления

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

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

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

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

г) - режут стопку пластин на отдельные фотопреобразователи;

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

Технические преимущества изобретения

Как видно из рис.2. диодные ячейки фотопреобразователя образуют «наклонную» конструкцию и содержат рефлекторы. расположенные под углом 45 к светоприемной поверхности, что дает возможность отражаться от их стенок длинноволновым фотонам и проходить максимально возможный путь в полупроводниковом материале и в области пространственного заряда, в которой наиболее эффективно, по сравнению с квазинейтральной областью, собираются генерированные светом носители заряда как на поверхности, так и в объеме полупроводникового материала диодных ячеек ФЭП.

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

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

1. Конструкция «наклонного» кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), содержащая диодные ячейки (ДЯ) с n⁺-p^--p⁺ (р⁺-n^--n⁺) переходами, параллельными горизонтальной светопринимающей поверхности, при этом диодные ячейки содержат n⁺(p⁺) и р⁺(n⁺) области n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, через которые они соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными на поверхности n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей с образованием соответствующих омических контактов - соединений, отличающаяся тем, что n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) области и соответствующие им катодные и анодные электроды расположены под углом в диапазоне 30-60 градусов к светопринимающей поверхности, при этом металлические катодные и анодные электроды расположены на их поверхности частично, а частично расположены на поверхности оптически прозрачного диэлектрика, расположенного на поверхности n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей, при этом они с металлическими электродами и оптически прозрачным диэлектриком образуют оптический рефлектор.

2. Способ изготовления конструкции «наклонного» кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, осаждение металла на поверхность пластин, сборку пластин в столбик с прокладками из металлической фольги, сплавление пластин в вакуумной печи, резанье столбика на структуры, формирование горизонтальных p⁺-n(n⁺-p) переходов, присоединение токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия, отличающийся тем, что после формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния n⁺(p⁺) и p⁺(n⁺) областей n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, на их поверхности наносится оптически прозрачный диэлектрик, в диэлектрике формируются контактные окна, затем проводится осаждение металла на поверхность диэлектрика, затем проводится сборка пластин в столбик с прокладками из металлической фольги, затем сплавление пластин в вакуумной печи, резанье столбика на структуры под углом 30-60 градусов, затем формирование горизонтальных p⁺-n (n⁺-p) переходов и присоединение токовыводящих контактов, затем нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.

Изобретение относится к области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Согласно изобретению предложен способ изготовления структуры фотоэлектрического элемента, имеющей два электрода и содержащей по меньшей мере один слой соединения кремния, который включает осаждение слоя соединения кремния на несущую структуру, в результате чего одна поверхность слоя соединения кремния расположена на несущей структуре, а вторая поверхность слоя соединения кремния является непокрытой, обработку второй поверхности слоя соединения кремния в заданной кислородсодержащей атмосфере с обогащением тем самым второй поверхности слоя соединения кремния кислородом и воздействие на обогащенную вторую поверхность окружающим воздухом.

Способ изготовления электродов для солнечных батарей // 2505889

Изобретение касается способа изготовления электродов для солнечных батарей, в котором электрод выполнен в виде электропроводящего слоя на основе (1) для солнечных батарей, на первом этапе с носителя (7) на основу (1) переносят дисперсию, содержащую электропроводящие частицы, посредством облучения дисперсии лазером (9), а на втором этапе сушат и/или отверждают перенесенную на основу (1) дисперсию в целях образования электропроводящего слоя.

Способ получения слоя прозрачного проводящего оксида на стеклянной подложке // 2505888

Изобретение относится к технологии тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей с текстурированным слоем прозрачного проводящего оксида. Способ получения слоя прозрачного проводящего оксида на стеклянной подложке включает нанесение на стеклянную подложку слоя оксида цинка ZnO химическим газофазным осаждением при пониженном давлении и последующее текстурирование поверхности слоя ZnO высокочастотным магнетронным травлением в среде рабочего газа с одновременным перемещением электромагнитов магнетрона по площади поверхности слоя ZnO в течение определенных времени и мощности магнетрона.

Кремниевый фотоэлектрический преобразователь с гребенчатой конструкцией и способ его изготовления // 2502156

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Согласно изобретению предложено создание «гребенчатой» конструкции фотоэлектрического преобразователя, которая позволяет реализовать в его диодных ячейках максимально возможный объем области пространственного заряда p-n переходов, в котором сбор неосновных носителей заряда происходит наиболее эффективно.

Способ обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (111) // 2501057

Изобретение относится к области микроэлектроники, фотовольтаики, к не литографическим технологиям структурирования кремниевых подложек, в частности к способам структурирования поверхности монокристаллического кремния с помощью лазера.

Задний лист для модуля солнечных элементов и модуль солнечных элементов // 2498458

Задний лист для модуля солнечных элементов содержит лист подложки и отвержденный слой пленки покрытия из материала покрытия, сформированного на одной стороне или на каждой стороне листа подложки, причем указанный материал покрытия содержит фторполимер (А), имеющий повторяющиеся звенья на основе фторолефина (а), повторяющиеся звенья на основе мономера (b), содержащего группы для поперечного сшивания и повторяющиеся звенья на основе мономера (с), содержащего алкильные группы, где C2-20 линейная или разветвленная алкильная группа не имеет четвертичного атома углерода, а ненасыщенные группы, способные к полимеризации, связаны друг с другом посредством эфирной связи или сложноэфирной связи.

Способ изготовления чипов каскадных фотоэлементов // 2493634

Способ изготовления чипов каскадных фотоэлементов относится к солнечной энергетике. Способ включает выращивание фоточувствительной многослойной полупроводниковой структуры на германиевой подложке, последовательное выращивание на поверхности фоточувствительной многослойной структуры пассивирующего слоя и контактного слоя, создание сплошных омических контактов на тыльной и фронтальной поверхностях фоточувствительной многослойной полупроводниковой структуры.

Установка для термовакуумного ламинирования фотопреобразователей // 2492556

Изобретение относится к изготовлению солнечных батарей. .

Способ изготовления чипов многослойных фотоэлементов // 2492555

Способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах insb // 2485629

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, и может быть использовано при изготовлении фотодиодов на кристаллах InSb n-типа проводимости (изготовление p-n-переходов), фототранзисторов (изготовление базовых областей на кристаллах n-типа проводимости и эмиттеров и омических контактов на кристаллах p-типа проводимости), фоторезисторов на основе кристаллов p-типа проводимости (омические контакты).

Комбинированное производство тепла и электроэнергии для жилых и промышленных зданий с использованием солнечной энергии // 2513649

Согласно изобретению предложенный генератор (100) на солнечной энергии содержит термоэлектрические элементы, примыкающие к солнечным элементам и расположенные ниже солнечных элементов.

Многофункциональная солнечноэнергетическая установка // 2505887

Многофункциональная солнечноэнергетическая установка (далее МСЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности к использованию солнечного излучения для получения электрической энергии, обеспечения горячего водоснабжения и естественного освещения помещений различного назначения, содержащая оптически активный прозрачный купол, представляющий собой двояковыпуклую прямоугольную линзу, фотоэлектрическую панель, солнечный коллектор, круглые плоские горизонтальные заслонки полых световодов, полые световодные трубы, теплоприемную медную пластину солнечного коллектора, рассеиватель солнечного света, микродвигатели круглых плоских горизонтальных заслонок полых световодных труб, круговые светодиодные лампы, аккумуляторные батареи, датчики света и температуры, электронный блок управления, пульт управления, бак-аккумулятор, теплообменник, насос, обратный клапан, шестигранные медные трубопроводы, инвертор и опору с опорными стойками для поддержания конструкции МСЭУ.

Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления (варианты) // 2503895

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии. В солнечном модуле с концентратором, содержащем прозрачную фокусирующую призму с углом полного внутреннего отражения где n - коэффициент преломления материала призмы, с треугольным поперечным сечением, имеющую грань входа, на которую падает излучение по нормали к поверхности грани входа, и грань переотражения излучения, образующую острый двухгранный угол φ с гранью входа, и грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, образующее с гранью переотражения острый двухгранный угол ψ, который расположен однонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, устройство отражения состоит из набора зеркальных отражателей длиной L0 с одинаковыми острыми углами ψ, установленных на некотором расстоянии друг от друга, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ, который расположен разнонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, линии касания плоскости дополнительного зеркального отражателя с гранью входа и линия касания плоскости зеркального отражателя устройства переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, длина проекции дополнительного зеркального отражателя на поверхность грани входа больше длины проекции зеркального отражателя устройства отражения на поверхность грани входа на величину В другом варианте солнечного модуля с концентратором, содержащем прозрачную фокусирующую призму с треугольным поперечным сечением, с углом входа лучей β0 и углом полного внутреннего отражения , где n - коэффициент преломления призмы, имеющую грань входа и грань переотражения излучения, образующие общий двухгранный угол φ, грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, образующее с гранью переотражения острый двухгранный угол ψ, который расположен однонаправлено с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, устройство отражения состоит из набора установленных на некотором расстоянии друг от друга зеркальных отражателей длиной L0 с одинаковыми острыми углами ψ, с устройством поворота относительно грани переотражения, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота относительно поверхности грани входа, угол наклона дополнительных зеркальных отражателей к поверхности грани входа расположен разнонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, оси устройства поворота дополнительного зеркального отражателя на грани входа и оси устройства поворота зеркального отражателя на устройстве переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, длина проекции дополнительного зеркального отражателя на поверхность входа больше длины проекции зеркального отражателя устройства отражения на поверхность входа на величину В способе изготовления солнечного модуля с концентратором путем изготовления фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установки приемника излучения, устройства переотражения с зеркальными отражателями из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы с острым двухгранным углом при вершине 2-12° и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и производят сборку дополнительных зеркальных отражателей с устройствами поворота на рабочей поверхности фокусирующей призмы и устройства поворота для устройства переотражения.

Изготовление модулей солнечных элементов // 2501120

Изобретение относится к изготовлению модулей солнечных элементов, а также к соответствующим модулям солнечных элементов. Предложено применение а) по меньшей мере одного полиалкил(мет)-акрилата и b) по меньшей мере одного соединения формулы (I), в которой остатки R1 и R2 соответственно независимо друг от друга означают алкил или циклоалкил с 1-20 атомами углерода, для изготовления модулей солнечных элементов, прежде всего для изготовления световых концентраторов модулей солнечных элементов. Заявлен также модуль солнечных элементов и вариант модуля.

Задний лист для модуля солнечных элементов и модуль солнечных элементов // 2498458

Гибкий фотоэлектрический модуль // 2495513

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые могут быть использованы в качестве источников электричества в системах энергообеспечения различных объектов - автомобилей, катеров, яхт, пунктов метеонаблюдения, телекоммуникационных систем, информационных стендов.

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты) // 2494496

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам.

Гибкий фотоэлектрический модуль // 2493633

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые, помимо основной функции - генерации фототоэлектричества, могут использоваться в качестве элементов промышленного и строительного дизайна, подвергающихся упругой деформации в продольном и/или поперечном направлении - кручению или изгибу.

Фотоэлектрическая битумная черепица, способ изготовления фотоэлектрической битумной черепицы и способ укладки фотоэлектрической кровли // 2493338

Изобретение относится к фотоэлектрической битумной черепице для фотоэлектрической кровли. Технический результат: создание фотоэлектрической кровельной плитки с оптимизированной поверхностью с высокой улавливающей способностью, с высоким энергетическим выходом, обеспечение надежности, атмосферостойкости и снижение массы плитки.

Фотоэлемент // 2491681

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных элементов.

Решетка фотогальванических ячеек с механическим разъединением ячеек относительно их опоры // 2518021

Использование: для реализации панелей солнечных генераторов с целью обеспечения питания электрической энергией космических аппаратов, в частности спутников. Сущность изобретения заключается в том, что каждый фотогальванический элемент решетки крепят на подложке при помощи мягкого самоклеящегося и легко отсоединяемого устройства крепления, при этом заднюю сторону каждой ячейки и переднюю сторону подложки покрывают слоем, улучшающим их свойства теплового излучения. Технический результат: уменьшение механической связи фотогальванической решетки солнечного генератора по отношению к ее опорной подложке с одновременным обеспечением достаточной радиационной связи ячейки с подложкой, чтобы избегать ее нагрева в полете и потери ее эффективности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.