Полупроводниковый фотопреобразователь

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к фотоэлектрическим преобразователям (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Область применения - возобновляемые источники энергии. Согласно изобретению в полупроводниковом ФП, состоящем из монокристаллических кремниевых пластин с вертикально расположенными на поверхности нитевидными кристаллами, полученными методами глубокого плазмохимического травления и имеющими диффузионные коаксиальные р-n переходы, проходящие через свободные от нитевидных кристаллов участки поверхности подложки и соединенные между собой в единую горизонтальную конструкцию металлическими прокладками, с токовыводящими контактами, со светоприемной поверхностью с диэлектрическим просветляющим покрытием. Нитевидные кристаллы выполнены в виде правильных прямых призм, высота которых превышает оптическую глубину поглощения солнечного излучения в кремнии, а длина ребра основания не превышает диффузионной длины неосновных носителей заряда в кремниевой микроструктуре. Также предложен способ изготовления ФП. Техническим результатом изобретения является повышение КПД ФП путем уменьшения рекомбинационных потерь за счет сокращения пути транспорта неравновесных носителей заряда и отсутствия примесных центров с глубокими энергетическими уровнями. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к фотоэлектрическим преобразователям для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию с помощью солнечных батарей. Область применения - возобновляемые источники энергии.

Сущность технического решения: предложено использовать кремниевую пластину, лицевая поверхность которой структурирована вертикальными нитевидными кристаллами, полученными методами глубокого плазмохимического травления и имеющими диффузионные коаксиальные р-n переходы, проходящие через свободные от нитевидных кристаллов участки поверхности подложки и соединенные между собой в единую горизонтальную конструкцию металлическими прокладками, с токовыводящими контактами, со светоприемной поверхностью с диэлектрическим просветляющим покрытием. Нитевидные кристаллы выполнены в виде правильных прямых призм, высота которых превышает оптическую глубину поглощения солнечного излучения в кремнии, а длина ребра основания не превышает диффузионной длины неосновных носителей заряда в кремниевой микроструктуре.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известны фотоэлектрические преобразователи (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии планарной конструкции с р-n-переходами, расположенными вдоль светоприемной (фоточувствительной) поверхности, т.е. перпендикулярно к потоку светового излучения. Такого типа ФП не имеют высокого коэффициента полезного действия (КПД), поскольку глубина оптического поглощения материала фотопреобразователя превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда [1]. Известно техническое решение полупроводникового ФП с р-n-переходами, которые расположены вертикально к светоприемной поверхности, т.е. вдоль потока светового излучения [2]. Такой ФП не обладает максимально возможным коэффициентом полезного действия (КПД), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) р-n-переходов и низкую эффективность преобразования ультрафиолетового излучения (УФ). Ближайшим аналогом является солнечный элемент с полупроводниковыми нитевидными кристаллами на подложке, описанный в патенте [3]. Отличием этого элемента является то, что подложка представляет собой полупроводниковую пластину (111), а кристаллы легированы так, что образуется р-n переход поперечно оси кристалла. Нижняя часть кристаллов вместе с подложкой легирована акцепторной примесью и представляет собой коллекторную область солнечного элемента. Верхняя часть кристаллов легирована донорной примесью и служит эмиттерной составляющей элемента.

Поперечная геометрия р-n перехода на нитевидных кристаллах имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, за счет наличия дополнительной к подложке р-области нитевидных кристаллов ухудшаются условия выполнения требований к высокоэффективному солнечному элементу, поскольку основным процессом, ограничивающим эффективность солнечных батарей, является высокая рекомбинация неосновных носителей при их транспорте к р-n переходу через полупроводник. Во-вторых, глубина поглощения света в полупроводнике и длина диффузии носителей являются конкурирующими конструктивными параметрами. В-третьих, суммарная площадь р-n перехода в кристаллах оказывается меньше площади аналогичной электронно-дырочной структуры при изготовлении ее на самой подложке, поскольку нитевидные кристаллы не покрывают полностью площадь подложки, что снижает выходную мощность фотопреобразовательного элемента. В-четвертых, используемые в способе изготовления для затравки роста нитевидных кристаллов металлы-катализаторы (например, Au в кремнии) создают в полупроводниках глубокие примесные уровни и могут являться эффективными центрами рекомбинации, способными захватывать свободные электроны.

Эффективность преобразования солнечной энергии полупроводниковыми ФП решающим образом зависит от рекомбинационных потерь неосновных носителей заряда (ННЗ) в полупроводниковых пластинах. Устранение и ослабление факторов, приводящих к рекомбинационным потерям ННЗ в полупроводниковых ФП, ведет к увеличению их КПД. Техническим результатом изобретения является повышение КПД ФП путем уменьшения рекомбинационных потерь за счет сокращения пути транспорта ННЗ и отсутствия примесных центров с глубокими энергетическими уровнями.

Целью настоящего изобретения является создание такой конструкции ФП, у которого глубина поглощения света в полупроводнике и длина диффузии неосновных носителей не являются конкурирующими конструктивными параметрами, который не имеет глубоких примесных уровней, способных быть эффективными центрами рекомбинации и захватывать ННЗ, а также который отвечал бы другим требованиям к высокоэффективному солнечному элементу.

Эта цель достигается посредством конструкции ФП согласно п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты изобретения, а также способ изготовления приведены в остальных пунктах формулы изобретения.

ФП согласно изобретению выполнен из монокристаллической кремниевой пластины с кристаллографической ориентацией {100}, на поверхности которой сформирована упорядоченная система вертикально расположенных призматических нитевидных кристаллов с р-n переходами, проходящими через свободные участки поверхности подложки [5]. Нитевидные кристаллы выполнены в виде правильных прямых призм методами плазмохимического глубокого изотропного травления, причем их высота превышает оптическую глубину поглощения солнечного излучения в кремнии, а длина ребра основания не превышает диффузионной длины неосновных носителей заряда в кремниевой микроструктуре. Р-n переход сформирован коаксиально оси кристаллов посредством легирования донорной и акцепторной примесями и проходит через свободные участки поверхности подложки. Пространственные промежутки между кристаллами заполнены металлическими прокладками, соединяющими р-n переходы в единую конструкцию с токовыводящими контактами. На обратной стороне пластины также расположено контактное поле, которое обеспечивает электрическое присоединение материала подложки.

Нитевидные кристаллы освещаются со стороны, перпендикулярной их оси, поэтому глубина области поглощения света и диффузионная длина неосновных носителей при их транспорте к р-n переходу перестают быть конкурирующими конструктивными параметрами - они определяют разные геометрические размеры системы, соответственно аксиальную протяженность и диаметр нитевидного кристалла. Коаксиальная архитектура (центральное ядро р-типа проводимости и оболочка n-типа проводимости) нитевидных кристаллов согласно изобретению обладает преимуществом в эффективности транспорта неосновных носителей заряда к р-n переходу. Радиальный путь транспорта неосновных носителей по масштабам значительно менее глубины осевого поглощения света в нитевидном кристалле. Возбужденные светом электроны вследствие поперечных размеров нитевидных кристаллов, не превышающих диффузионной длины ННЗ, могут достигать коаксиального р-n перехода с высокой эффективностью без рекомбинации.

В преимущественном исполнении для увеличения площади светоприемной поверхности величина поверхностной плотности расположения нитевидных кристаллов на подложке должна быть наибольшей, но она ограничена технологическими возможностями получения кристаллов. Нитевидные кристаллы в форме правильных прямых призм позволяют обеспечить наибольшую плотность их размещения на поверхности пластины кремния. В одном из предпочтительных вариантов изобретения для минимизации величины светового отражения и обеспечения низкой скорости поверхностной рекомбинации светоприемная поверхность нитевидных кристаллов текстурирована и покрыта диэлектрическим просветляющим покрытием.

Введение акцепторной или донорной примеси в процессе создания р-n перехода может быть эффективно осуществлено с использованием газофазных (РН₃, AsH₃) или жидкостных (PCl₃, BBr₃) источников. Количество и размещение множественных нитевидных нанокристаллов на подложке, а также их форма и поперечные размеры могут быть заданы с помощью фотолитографически структурированной травильной маски из задубленого фоторезиста, нитрида или оксида. Для воспроизводимости переноса элементов рисунка заданных размеров с фотошаблона на пластину фотолитографический процесс должен обладать соответствующей разрешающей способностью. Для целей настоящего изобретения подходящими могут быть методы электронной и ИМПРИНТ-литографии, обеспечивающие максимальное разрешение до 2 нм.

Металлические материалы обеспечивают электрическое присоединение области эмиттерной области кристаллов и подложки, а также механическую прочность и целостность конструкции преобразовательного элемента. Нанесение металлов может быть осуществлено термическим, электронно-лучевым или магнетронным напылением.

Текстурирование торцевой поверхности кристаллов кремния осуществляется химическим травлением в анизотропном травителе.

Использование метода плазмохимического травления при изготовлении структур нитевидных кристаллов на поверхности кремниевой пластины позволяет исключить присутствие примесных центров с глубокими энергетическими уровнями. Это способствует снижению рекомбинационных потерь в ФП. Глубокое изотропное плазмохимическое травление пластин кремния может быть осуществлено по технологии Bosch-процесса [4].

Способ изготовления ФП согласно изобретению более подробно поясняется с помощью примеров выполнения и соответствующих 5 фигур. Фигуры относятся при этом исключительно к примерам выполнения, и их не следует рассматривать как ограничивающие.

На фиг.1-5 изображены схематические сечения подложки с нитевидными кристаллами на различных этапах изготовления солнечного элемента.

Исходной точкой способа согласно настоящему изобретению является легированная акцепторной примесью кремниевая пластина, имеющая кристаллографическую ориентацию {100}, с множественными вертикальными нитевидными кристаллами. На фиг.1 этот этап способа изображен с помощью схематичного и не в масштабе сечения кремниевой пластины 1 и нитевидных кристаллов 2. С тыльной стороны пластины показана р⁺ - область 3.

Фиг.2: на первом этапе в кристаллах выполняют коаксиальные р-n переходы 4. Для этого легируют внешнюю оболочку кристаллов и приповерхностные слои подложки донорной примесью на глубину приблизительно до 0,1-0,5 мкм.

Фиг.3: затем в пространственные промежутки между кристаллами на всю высоту кристаллов наносят металлический проводник 5, например Ti/Cu/Sn (магнетрон, температура 150°С).

Фиг.4: на следующем этапе торцевые поверхности кристаллов текстурируют 6 и наносят пассивирующий слой 7, например TiO_2, толщиной обычно не превышающей 1,5 мкм.

Фиг.5: на обратную сторону методами трафаретной печати с помощью спекаемой пасты на основе серебра наносят электрические контакты 8, которые затем вжигают и спекают. Содержащийся в пасте легирующий материал создает p⁺-легирование и омический контакт с акцепторной зоной кремниевой подложки.

Изготовленный по вышеприведенному описанию солнечный элемент согласно изобретению обладает всеми предпосылками, необходимыми для достижения КПД свыше 20 процентов [5]. Требованию, заключающемуся в понижении высокой рекомбинации неосновных носителей при их транспорте к электродам через полупроводник, отвечает согласно изобретению солнечный элемент с нитевидными кристаллами, имеющими высокое аспектное отношение длина/диаметр. Низкая скорость поверхностной рекомбинации может быть достигнута за счет оксидного пассивирования торцов нитевидных кристаллов. Низкие требуемые значения отражения <4 процентов получают с помощью стандартных просветляющих покрытий. Другое преимущество солнечных элементов с нитевидными кристаллами заключается в использованиии преимуществ машинного макромонтажа изделия, поскольку для припаивания выводов соответствующих соединений не требуются манипуляции с отдельными кристаллами. Это упрощает способ монтажа и повышает надежность способа. Солненчые элементы согласно изобретению имеют возможность полностью автоматизированного промышленного изготовления.

Список источников

1. Патент США 4320250, кл. H01L 31/0224, опубл. 16.03.1982 г.

2. Патент РФ 2127009, кл. H01L 31/18, опубл. 27.02.99 г.

3. Patent USA №200602076447 А1. High efficiency inorganic nanorod-enhanced photovoltaic devices / L. Tsakalakos et al.

4 Виноградов А.И., Зарянкин Н.М., Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Исследование некоторых аспектов процесса глубокого травления кремния для элементов МЭМС // Тезисы докл. XXXVI Междунарн. (Зеленоградской) конф. По физике плазмы и УТС. 9-13 февр. 2009 г.

5. Андрюшин Е.А., Силин А.П. Физические проблемы солнечной энергетики / УФН, 1991. Т.161. №8. С.129-139.

1. Полупроводниковый фотопреобразователь, состоящий из монокристаллической кремниевой пластины с кристаллографической ориентацией {100}, с вертикально расположенными на поверхности нитевидными кристаллами с диффузионными коаксиальными р-n переходами, проходящими через свободные от нитевидных кристаллов участки поверхности подложки, соединенными между собой в единую горизонтальную конструкцию металлическими прокладками, с токовыводящими контактами, с одной светоприемной поверхностью с диэлектрическим просветляющим покрытием, отличающийся тем, что нитевидные кристаллы выполнены в виде правильных прямых призм, высота которых превышает оптическую глубину поглощения солнечного излучения в кремнии, а длина ребра основания не превышает диффузионной длины неосновных носителей заряда в кремниевой микроструктуре, причем поверхностную плотность расположения нитевидных кристаллов на подложке выбирают наибольшей.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что светоприемная поверхность нитевидных кристаллов текстурирована и покрыта диэлектрическим просветляющим покрытием.

3. Способ изготовления фотопребразователя по п.1, включающий химическое травление и очистку поверхности монокристаллической кремниевой пластины, создание на поверхности кремниевой пластины нитевидных кристаллов, легирование донорной и акцепторной примесями, нанесение металлических контактов в форме сетки, создание на поверхности светоприемной области пассивирующей, просветляющей пленки, отличающийся тем, что нитевидные кристаллы создают плазмохимическим глубоким изотропным травлением кремния через маску-трафарет.