Фотоэлектрический элемент, имеющий высокую эффективность преобразования



Фотоэлектрический элемент, имеющий высокую эффективность преобразования
Фотоэлектрический элемент, имеющий высокую эффективность преобразования
Фотоэлектрический элемент, имеющий высокую эффективность преобразования

 


Владельцы патента RU 2524744:

ЧЕЗИ-ЧЕНТРО ЭЛЕТТРОТЕКНИКО СПЕРИМЕНТАЛЕ ИТАЛИАНО ДЖАЧИНТО МОТТА С.П.А. (IT)

Изобретение относится, в основном, к области фотоэлектрических элементов, а конкретно к фотоэлектрическим элементам для солнечного излучения (солнечным элементам). Фотоэлектрический элемент согласно изобретению содержит по меньшей мере один переход (120, 124); причем упомянутый по меньшей мере один переход включает в себя базу (120), сформированную посредством эпитаксиального легированного полупроводникового материала первого типа проводимости, и эмиттер (124), сформированный посредством легированного полупроводникового материала второго типа проводимости, противоположного первому. Упомянутый эмиттер накладывают на базу в соответствии с первым направлением (х), а база по меньшей мере одного упомянутого по меньшей мере одного перехода имеет понижающийся градиент (С(х)) концентрации примеси вдоль упомянутого первого направления. Упомянутая база содержит первую часть на удалении от эмиттера, вторую часть в непосредственной близости к эмиттеру и третью часть между первой частью и второй частью. В первой части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от −9·1017см-3/мкм до −4·1017 см-3/мкм. Во второй части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -3·1017см-3/мкм до -9·1016 см-3/мкм. В третьей части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -2·1017см-3/мкм до -5·1016 см-3/мкм. Также предложен способ изготовления описанного выше фотоэлектрического элемента. Изобретение обеспечивает возможность изготовления фотоэлектрических элементов повышенной эффективности. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится, в основном, к области фотоэлектрических элементов, а конкретно к фотоэлектрическим элементам для солнечного излучения (солнечным элементам).

Солнечными элементами являются электронные устройства, выполненные с возможностью преобразования электромагнитной энергии - такой как солнечное излучение - в электричество.

Такие электронные устройства содержат, главным образом, полупроводниковые материалы, которые характеризуются плотными кристаллическими структурами, имеющими запрещенные энергетические зоны (“band gaps”), расположенные между валентными зонами и зонами проводимости. Запрещенная зона определяет энергетический интервал, который обычно запрещен свободным электронам. Однако если на материал такого типа в солнечном элементе попадает солнечное излучение, то электроны, которые занимают более низкие энергетические зоны, могут быть возбуждены до точки выполнения энергетического скачка и выхода за пределы запрещенной зоны для достижения более высоких энергетических зон. Например, если электроны в зоне валентности полупроводника поглощают достаточную энергию от фотонов падающего солнечного излучения, то такие электроны могут выйти за пределы запрещенной зоны и достичь зоны проводимости.

Достигая более высоких энергетических зон, такие электроны оставляют пустые места на более низких энергетических зонах; такие пустые места, определяемые на профессиональном языке термином “дырки”, могут передвигаться в кристаллической решетке от атома к атому. Дырки, таким образом, действуют как носители заряда так же, как свободные электроны в зоне проводимости, и вносят свой вклад в проводимость кристалла.

Другими словами, каждый фотон, поглощенный полупроводником, порождает соответствующую пару электрон-дырка. Набор пар электрон-дырка, сформированных поглощением фотонов, порождает так называемый фототок солнечного элемента. Дырки и электроны, сформированные таким путем, могут рекомбинировать друг с другом, вычитая свой вклад в поддержание фототока. Для того чтобы избежать (или, по меньшей мере, насколько возможно снизить) такое явление для повышения эффективности солнечного элемента в полупроводниковом материале формируют внутреннее электрическое поле. Таким образом, дырки и электроны, дополнительно сгенерированные для поглощения фотонов, должны быть в результате ускорены посредством внутреннего электрического поля к противоположным направлениям, и тем самым вероятность, что они рекомбинируют до того, как достигнут выводов солнечного элемента, существенно снижается. В частности, такое электрическое поле порождается посредством формирования области пространственного заряда, например, обедненной области, получаемой посредством создания p-n-перехода между парой противоположно легированных полупроводниковых материалов.

Солнечные элементы, используемые в основном для космических и наземных применений, могут быть только p-n- или n-p-типа, или однопереходными солнечными элементами, или могут быть из более чем одного переходов p-n- или n-p-типа, или быть многопереходными солнечными элементами.

Однопереходные солнечные элементы, в основном, составлены посредством единственного p-n- или n-p-перехода. Напротив, многопереходные солнечные элементы реализуются посредством наложения одного над другим различных p-n- или n-p-переходов, в настоящее время от двух до пяти переходов. Разные переходы выполнены из разных полупроводниковых материалов и электрически соединены последовательно друг с другом туннельными диодами, размещенными между каждой парой соседних переходов.

Каждый из различных добавленных переходов формирует так называемый первичный элемент, а различные первичные элементы выполнены с возможностью преобразования разных частей спектра падающего солнечного излучения по отдельности, более эффективным образом по сравнению с преобразованием, получаемым посредством одного перехода.

Многопереходные элементы обладают преимуществом, состоящим в способности выдачи более высокого выходного напряжения относительно однопереходных элементов, причем общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных первичных элементах (за вычетом небольшого падения напряжения на последовательно соединяющих элементы туннельных диодах).

Для изготовления слои различных материалов, предназначенные для формирования различных переходов, обычно получают посредством способа эпитаксиального выращивания прямым осаждением (например, посредством способа химического осаждения из паров металлоорганических соединений) на промышленных подложках германия (Ge), или кремния (Si), или арсенида галия (GaAs).

В течение последних лет эксплуатационные характеристики солнечных элементов на основе соединений элементов III и V групп Периодической таблицы элементов, т.е. на III-V соединениях, и в частности, солнечных элементов на GaAs, постоянно улучшались благодаря прогрессу технологий, которые позволяют разрабатывать новые материалы для изготовления элементов с тремя, четырьмя, а также пятью переходами.

Стоимость многопереходного солнечного элемента немного выше стоимости однопереходного солнечного элемента, а его эффективность намного выше (в условиях освещения внеземной атмосферы при 25°C эффективность составляет приблизительно 28% для трехпереходного элемента, по сравнению с 20% для однопереходного элемента); в связи с этим рынок ориентирован на использование новых, более эффективных устройств, особенно для аэрокосмического применения. Например, современные большие телекоммуникационные спутники требуют использования трехпереходных солнечных элементов. Такие элементы, с другой стороны, используются в наземном применении, таком как оптические концентрационные системы.

Как уже упоминалось ранее, эффективность солнечного элемента строго зависит от явления рекомбинации фотогенерированных пар электрон-дырка. Пары электрон-дырка, сформированные вне обедненной области, не подвергаются действию какого-либо электрического поля и, тем самым, имеют высокую вероятность рекомбинации, что вычитает их вклад из фотогенерированного тока.

Для того чтобы повысить эффективность солнечного элемента, известное для данного уровня техники решение предоставляет увеличение глубины обедненной области (и увеличения, тем самым, части полупроводникового материала, которая подвергается действию электрического поля) посредством вставки части полупроводникового материала с собственной проводимостью (т.е. нелегированного) между n-легированной частью и p-легированной частью. Такое решение, в основном, повышает эффективность солнечного элемента до тех пор, пока толщина обедненной области не достигнет значения, такого, чтобы ограничить выходное напряжение. За пределами этого значения эффективность устройства начинает уменьшаться.

В соответствии с дополнительным известным решением части полупроводникового материала солнечного элемента, которые не принадлежат обедненной области, могут быть также подвергнуты действию локальных электрических полей, получаемых посредством использования соответствующих градиентов легирования. В частности, в “Semiconductors and Semimetals, Vol. 2”, Harold J. Hovel, часть полупроводника p-типа легируют в соответствии с линейным градиентом легирования. Благодаря наличию линейного градиента легирования часть полупроводникового материала p-типа должна в результате подвергнуться воздействию постоянного электрического поля, способного ускорить пары электрон-дырка, которые сформированы в этой области.

С точки зрения вышесказанного, Заявитель заметил, что известное для данного уровня техники решение, касающееся реализации фотоэлектрических элементов, а в частности, реализации солнечных элементов, может быть усовершенствовано с точки зрения эффективности.

Различные аспекты решения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения указаны в независимых пунктах формулы изобретения.

Аспект настоящего изобретения касается монолитного фотоэлектрического элемента. Такой элемент содержит по меньшей мере один переход; упомянутый по меньшей мере один переход включает в себя базу, сформированную посредством эпитаксиального легированного полупроводникового материала первого типа проводимости, и эмиттер, сформированный посредством легированного полупроводникового материала второго типа проводимости, противоположного первому. Эмиттер накладывают на базу в соответствии с первым направлением, и база по меньшей мере одного из упомянутого по меньшей мере одного перехода имеет понижающийся градиент концентрации легирующей примеси вдоль упомянутого первого направления. Упомянутая база содержит первую часть на удалении от эмиттера, вторую часть в непосредственной близости к эмиттеру и третью часть между первой частью и второй частью. В первой части понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -9·1017 см-3/мкм до -4·1017 см-3/мкм. Во второй части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -3·1017 см-3/мкм до -9·1016 см-3/мкм. В третьей части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -2·1017 см-3/мкм до -5·1016 см-3/мкм.

Дополнительно аспект настоящего изобретения касается соответствующего способа изготовления фотоэлектрического элемента.

Преимущественные варианты осуществления описывают в зависимых пунктах формулы изобретения.

Решение в соответствии с одним или более вариантами осуществления изобретения, также как и их дополнительные признаки и преимущества, будут лучше понятны со ссылкой на следующее подробное описание, которое следует читать вместе с сопровождающими чертежами: по этой причине специально подразумевается, что фигуры выполнены не обязательно в масштабе и что, до тех пор, пока не указано особо, они предназначены просто быть концептуально иллюстрирующими описанные структуры и процедуры. В частности:

фиг.1 схематически показывает вертикальный разрез монолитного фотоэлектрического элемента;

фиг.2 иллюстрирует профили легирования перехода элемента согласно фиг.1 и соответствующую напряженность электрического поля в соответствии с первым решением, известным для данного уровня техники;

фиг.3 иллюстрирует профили легирования перехода элемента согласно фиг.1 и соответствующую напряженность электрического поля в соответствии со вторым решением, известным для данного уровня техники;

фиг.4 иллюстрирует профили легирования перехода элемента согласно фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, и

фиг.5 иллюстрирует профили легирования перехода элемента согласно фиг.1 и соответствующую напряженность электрического поля в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Со ссылкой на чертежи, а в частности на фиг.1, схематично показан вертикальный разрез монолитного фотоэлектрического элемента, в частности, но не ограничительно, солнечного элемента, в котором могут быть применены идеи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фотоэлектрический элемент, обозначенный в целом ссылкой 100, является многопереходным элементом, имеющим три перехода, и содержит первый первичный элемент, указанный на фигуре ссылочной позицией 105а и как отмеченный “нижний” элемент, второй первичный элемент, указанный на фигуре ссылочной позицией 105b и отмеченный как “промежуточный” элемент, и третий первичный элемент, указанный на фигуре ссылочной позицией 105с и отмеченный как “верхний” элемент. Верхний элемент 105с расположен над промежуточным элементом 105b, который в свою очередь расположен над нижним элементом 105а.

Три первичных элемента электрически соединяются последовательно друг с другом с размещенными между ними туннельными диодами; в частности, нижний элемент 105а электрически соединяют с промежуточным элементом 105b посредством первого туннельного диода, обозначенного на фигуре ссылочной позицией 108, в то время как промежуточный элемент 105b электрически соединяют с верхним элементом 105с посредством второго туннельного диода, обозначенного на фигуре ссылочной позицией 110.

Нижний элемент 105а содержит слой 112 (обозначенный как “база”) первого полупроводникового материала первого типа проводимости, например, p-типа, и слой 114 (обозначенный как “эмиттер”) второго полупроводникового материала противоположной проводимости, например, n-типа. Базу 112 и эмиттер 114 располагают непосредственно в контакте друг с другом, с целью формирования p-n перехода. Дополнительный полупроводниковый материал 116, обозначенный как “оконный слой”, формируют предпочтительно над эмиттером.

Туннельный диод 108 формируют над оконным слоем 116.

Между туннельным диодом 108 и промежуточным элементом 105b предпочтительно размещают барьерный слой 118 для снижения эффекта поверхностной рекомбинации фотогенерированных носителей заряда, увеличивая, таким образом, эффективность преобразования фотоэлектрического элемента 100.

Промежуточный элемент 105b, сформированный над барьерным слоем 118, содержит первый полупроводниковый слой 120 (базу) первого типа проводимости, например, p-типа; над базой 120 формируют второй слой 122, обозначенный как “разделительный слой” и образованный специально нелегированным полупроводниковым материалом. Промежуточный элемент 105b дополнительно содержит слой 124 (эмиттер) третьего полупроводникового материала, расположенный над разделительным слоем 122. Эмиттер 124 содержит полупроводниковый материал, тип проводимости которого противоположен типу проводимости базы 120, например, n-тип. Точно так же, что касается нижнего элемента 105a, предпочтительно формируют оконный слой 126 над эмиттером 124 промежуточного элемента 105b.

Туннельный диод 110 формируют над оконным слоем 126. Дополнительно барьерный слой 128 предпочтительно помещают между туннельным диодом 110 и верхним элементом 105с.

Верхний элемент 105с, сформированный над барьерным слоем 128, содержит слой 130 (базу) первого полупроводникового материала первого типа проводимости, например, p-типа; разделительный слой 132, образованный специально нелегированным полупроводниковым материалом, формируют над базой 130. Третий слой 134 (эмиттер) полупроводникового материала, типа проводимости, противоположного типу проводимости базы (130), например, n-типа, формируют над разделительным слоем 132. Оконный слой 136 предпочтительно формируют над эмиттером 134.

Первый слой 138 проводящего материала, например металла, такого как золото (Au) или серебро (Ag), образующий первый контактный вывод фотоэлектрического элемента 10, формируют сзади фотоэлектрического элемента 100а, конкретно, в непосредственной близости от поверхности базы 112, противоположной поверхности, обращенной к эмиттеру 114.

Покрытие 145 из полупроводникового материала заданного типа проводимости, например n-типа, формируют фрагментарно над оконным слоем 136, соответствующим верхнему элементу 105с; контакт 150 из проводящего материала, например, металла, такого как золото (Au) или серебро (Ag), образующий второй контактный вывод фотоэлектрического элемента 100, формируют над покрытием 145.

Над оконным слоем 136 дополнительно формируют покрывающий слой 140, выполненный из антиотражающего материала, например, образованный посредством одного или более оксидных слоев. Соответствующий сквозной канал находится слева внутри антиотражающего покрывающего слоя 140 по направлению к металлу 150 для того, чтобы обеспечить внешнее контактирование фотоэлектрического элемента 100.

Анализируя более подробно первичные элементы, составляющие весь фотоэлектрический элемент 100, нижний элемент 105а имеет базу 112, образованную посредством легированного германия (Ge) первого типа проводимости - в рассмотренном примере, p-типа. Альтернативно база 112 может быть реализована посредством легированного соответствующим образом кремния (Si). Эмиттер 114 нижнего элемента 105а формируют посредством такого же материала, что и базу 112, например, Ge, но легированного противоположным образом - в рассмотренном примере n-типа.

Оконный слой 116 может быть образован посредством слоя полупроводникового материала, например, четырехкомпонентным или трехкомпонентным соединением, например, соединением индия (In), галлия Ga и фосфора P, т.е. InGaP, соединением In, Ga и мышьяка (As), т.е. InGaAs, соединением алюминия (Al), Ga и As, т.е. AlGaAs или посредством дополнительных соединений, сформированных элементами III и V групп Периодической таблицы элементов.

Туннельный диод 108 реализуют известным образом, например, посредством первого слоя, сформированного посредством легированного материала III-V второго типа проводимости - в рассмотренном примере n-типа, и сформированного посредством легированного материала III-V противоположного типа проводимости - в рассмотренном примере p-типа.

Барьерный слой 118 формируют посредством полупроводникового материала, такого, например, как легированный AlGaAs, AlGaInP или InGaP первого типа проводимости - в рассмотренном примере, p-типа.

Промежуточный элемент 105b имеет базу 120, образованную посредством легированного InGaAs первого типа проводимости - в рассмотренном примере p-типа. Эмиттер 124 промежуточного элемента 105b формируют посредством легированного противоположным образом полупроводникового материала, в рассмотренном примере n-типа, такого как InGaAs, AlInGaAs или AlInGaP. Разделительный слой 122 реализуют посредством полупроводникового материала, например, такого же материала, что и база 120, однако материал разделительного слоя 122 является материалом с собственной проводимостью, т.е. материалом, не имеющим измеряемого количества легирующих примесей.

Оконный слой 126 может быть образован посредством слоя полупроводникового материала, такого как AlGaAs, AlInGaP или AlInP, или посредством дополнительного соединения, сформированного посредством элементов III и V групп Периодической таблицы элементов.

Туннельный диод 110 может быть реализован посредством первого слоя, сформированного посредством легированного полупроводникового материала III-V второго типа проводимости - в рассмотренном примере n-типа, и второго слоя, сформированного посредством легированного полупроводникового материала III-V противоположного типа проводимости - в рассмотренном примере p-типа.

Так же как барьерный слой 118, барьерный слой 128 формируют посредством полупроводникового материала, например, легированного AlGaInP или AlInP первого типа проводимости - в рассмотренном примере p-типа.

Верхний элемент 105с имеет базу 130, которая образована посредством легированного InGaP первого типа проводимости - в рассмотренном примере p-типа. Эмиттер 134 верхнего элемента 105с формируют посредством полупроводникового материала III-V, легированного противоположным образом - в рассмотренном примере n-типа. Разделительный слой 132 реализуют посредством полупроводникового материала III-V, например, материала, аналогичного материалу базы 130; однако материал разделительного слоя 132 является материалом с собственной проводимостью, т.е. не имеющим измеряемого количества легирующих примесей.

Таким же образом, что и оконный слой 126, оконный слой 136 может быть образован посредством слоя полупроводникового материала, например, AlInP или посредством другого соединения, сформированного элементами III и V групп Периодической таблицы элементов.

С точки зрения процесса изготовления, фотоэлектрический элемент 100 может быть изготовлен, начиная с подложки полупроводникового материала, формирующего базу 112 нижнего элемента 105а - в рассматриваемом примере Ge, соответствующего типа проводимости - в рассматриваемом примере p-типа, и с соответствующей концентрацией легирования. В частности, посредством процессов диффузии и осаждения, начиная с таких подложек, которые действуют в качестве базы 112, формируют эмиттер 114 нижнего элемента 105а. Все последующие слои фотоэлектрического элемента 100, вплоть до окна 136, могут быть получены посредством соответствующего способа эпитаксиального выращивания, например, молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE), или посредством химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), используя эмиттер 114 и базу 112 нижнего элемента 105а как массивную подложку.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения легирование базы 120 промежуточного элемента 105b не является постоянным, а наоборот, изменяется нелинейно по всей его глубине, т.е. вдоль направления, обозначенного на фиг.1 ссылочной позицией х.

Для того чтобы подробно описать результаты, производимые наличием нелинейного легирования базы 120, и проиллюстрировать преимущества, получаемые посредством использования такого решения, будем сравнивать теперь друг с другом три различных профиля легирования базы 120.

Фиг.2 иллюстрирует наиболее распространенный случай для данного состояния уровня техники, т.е. случай, в котором базу 120 легируют с постоянной концентрацией легирующих примесей. В частности, со ссылочной позицией на 210а это показано диаграммой концентрации C(x) легирования в барьере 118, базе 120 и эмиттере 124 промежуточного элемента 105b вдоль направления х; непрерывная линия изображает концентрацию легирования p-типа - например, цинка (Zn) или углерода (С), в то время как концентрация легирования n-типа - например, Si или теллура (Te) изображена пунктирной линией. Необходимо подчеркнуть, что на фиг.2 разделительный слой 122 намеренно был пропущен для того, чтобы чрезмерно не усложнять описание; однако идеи настоящего изобретения могут быть применены как к элементам, содержащим переходы, снабженные разделительными слоями, выполненными в материалах с собственной проводимостью, так и к элементам, содержащим переходы без каких-либо разделительных слоев. Для случая, проиллюстрированного на фиг.2, концентрацию легирования p-типа в базе 120 поддерживают постоянной вдоль направления х на всей глубине базы 120. Как известно специалистам в данной области техники, концентрацию легирования p-типа в базе 120 предпочтительно устанавливают в более низкое значение, чем концентрацию легирования в барьере 118. Ссылаясь на 215а, это показано диаграммой электрического поля E(x), которое развивается в барьере 118, в базе 120 и в эмиттере 124, если концентрации легирования повторяют профиль, обозначенный на диаграмме 210а. Как можно наблюдать на диаграмме 215а с профилем легирования такого типа, электрическое поле сконцентрировано, в основном, в двух точках промежуточного элемента 105b, а конкретно в первой точке, соответствующей границе раздела между барьером 118 и базой 120, и во второй точке, соответствующей границе раздела между базой 120 и эмиттером 124. Подробнее, между барьером 118 и базой 120 электрическое поле имеет пик - указанный на фигуре ссылочной позицией 220 - из-за скачкообразного изменения концентрации легирования p-типа, в то время как между базой 120 и эмиттером 124 электрическое поле имеет дополнительный пик - указанный на фигуре ссылочной позицией 225 - из-за наличия обедненной области, сформированной p-n-переходом база 120/эмиттер 124. Вдоль всей центральной части базы 120 электрическое поле сводится практически к нулю; в результате возможные пары электрон-дырка, которые были сформированы для фотогенерации в этой части базы 120, могли бы иметь очень высокую вероятность рекомбинации, которая вычитает их вклад из тока, фотогенерированного посредством фотоэлектрического элемента 100.

Фиг.3 иллюстрирует дополнительный случай, известный для данного уровня техники, т.е. случай, когда база 120 должна в результате быть легирована посредством легирования p-типа, концентрация которого изменяется линейно. В частности, как проиллюстрировано на диаграмме 210b, концентрация С(х) легирования p-типа в базе 120 уменьшается линейно от более высокого значения (на границе раздела между барьером 118 и базой 120) к более низкому значению (на границе раздела между базой 120 и эмиттером 124). Со ссылкой 215b показана диаграмма электрического поля E(х), которое развивается в барьере 118, в базе 120 и в эмиттере 124, когда концентрация легирования следует профилю, указанному на диаграмме 210b. Как можно наблюдать на диаграмме 215b посредством базы 120, снабженной профилем легирования линейного типа, электрическое поле больше не концентрируется только у границы раздела между барьером 118 и базой 120 и у границы раздела между базой 120 и эмиттером 124, а проходит на всю глубину базы 120. Более подробно, даже в этом случае электрическое поле демонстрирует первый пик - указанный на фигуре ссылочной позицией 230 - между барьером 118 и базой 120 из-за скачкообразного изменения концентрации легирования p типа и второй пик - указанный на фигуре ссылочной позицией 235 - между базой 120 и эмиттером 124 из-за наличия обедненной области, генерированной посредством p-n-перехода база 120/эмиттер 124; однако в этом случае наличие линейного градиента легирования порождает электрическое поле, имеющее по существу постоянную величину - указанную на фигуре ссылочной позицией 240, - которое проходит вдоль центральной части базы 120, соединяя пик 230 с пиком 235. Наличие ненулевого электрического поля по всей глубине базы 120 дает возможность парам электрон-дырка, сформированным в центральной части базы 120, разделиться и собраться на выводах элемента. Для того чтобы препятствовать, насколько возможно, случаи рекомбинации таких пар электрон-дырка, легирование базы 120 должно быть таким, чтобы гарантировать достаточно высокое значение электрического поля вдоль всей базы 120; однако с профилем линейного легирования такого типа, который проиллюстрирован на фиг.3, это условие может быть достигнуто при условии, что количество легирования p-типа является высоким на большой протяженности базы (а, следовательно, также близко к границе раздела с барьером 118), как это выделено на фиг.3. Как известно специалистам в данной области техники, чрезмерное легирование полупроводникового материала p-n-перехода снижает время жизни носителей, увеличивая вероятность рекомбинации; в результате чего база, предоставленная для большой протяженности толщины базы чрезвычайно высокой концентрацией легирования, уменьшит совокупность носителей, фотогенерированных в части базы 120 по направлению к барьеру 118, снижая эффективность преобразования фотоэлектрического элемента 100.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения этот недостаток разрешается посредством формирования должным образом профиля С(х) концентрации легирования p-типа базы 120, как проиллюстрировано на фиг.4.

В частности, посредством установки начальной точки 0 оси х на границе раздела между барьером 118 и базой 120 и допуская, что глубина базы равна L (т.е. граница раздела между базой 120 и эмиттером 124 возникает при х=L), в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, профиль С(х) концентрации легирования базы 120 является убывающей функцией, разделенной на три основные части, а именно:

первая часть, обозначенная на фигуре ссылочной позицией 405 и находящаяся в пределах от х=0 до х=х1, где среднее значение наклона профиля С(х) концентрации легирования по существу содержится в пределах [-9·1017;-4·1017] см-3/мкм и 1/5·L≤x1≤1/3·L;

вторая часть, обозначенная на фигуре ссылочной позицией 410 и находящаяся в пределах от х=х1 до х=х2, где среднее значение наклона профиля С(х) концентрации легирования по существу содержится в пределах [-2·1017;-5·1016] см-3/мкм и 1/3·L≤x2≤9/10·L; и

третья часть, обозначенная на фигуре ссылочной позицией 415 и находящаяся в пределах от х=х2 до х=L, где среднее значение наклона профиля С(х) концентрации легирования по существу содержится в пределах [-3·1017;-9·1016] см-3/мкм.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения концентрация легирования у границы раздела между барьером 118 и базой 120 (х=0) находится в пределах от 5·1016 см-3 до 5·1018 см-3, а концентрация легирования у границы раздела между базой 120 и эмиттером 124 (х=L) находится в пределах от 5·1015 см-3 до 5·1017 см-3.

Такой специфический профиль С(х) концентрации легирования базы 120 может быть соответствующим образом получен в процессе изготовления фотоэлектрического элемента 100, поскольку, как уже было описано ранее, промежуточный элемент 105b, а также в описанном примере верхний элемент 105с формируют посредством эпитаксиальных легированных полупроводниковых материалов, т.е. посредством полупроводникового материала, сформированного посредством способа эпитаксиального выращивания, например, MBE или MOVCD. Благодаря способу эпитаксиального выращивания, легированием слоя базы промежуточного элемента (а возможно, более высоких элементов тоже) можно хорошо управлять по всей толщине базы; используя такой эпитаксиальный способ, элементы легирующей примеси вводят в реакционную камеру вместе с III-V исходными материалами, что позволяет управлять концентрацией легирования на атомном уровне с тем, чтобы получить теоретически любой возможный профиль концентрации легирования. Наоборот, используя способы имплантации и диффузии легирования, как например, в стандартных кремниевых солнечных элементах, можно получить только профили концентрации легирования примеси, имеющие форму экспоненциальной функции, или комбинации нескольких экспоненциальных функций.

Несмотря на то, что профиль С(х) концентрации легирования, указанный на фиг.4, является кусочно-линейной функцией, сформированной ровно тремя линейными изменениями, т.е. одно линейное изменение на часть, идеи настоящего изобретения могут быть применены для различных профилей, предоставленных для соответствия вышеупомянутым интервалам наклонов. Например, профиль С(х) концентрации легирования может быть кусочно-линейной функцией, включающей в себя более чем три линейных изменения, или быть полиномиальной функцией по меньшей мере четвертой степени.

Пример возможного профиля С(х) концентрации легирования, удовлетворяющего интервалам наклонов в соответствии с описанным до этого вариантом осуществления настоящего изобретения, проиллюстрирован на фиг.5 на диаграмме 510. Благодаря специфическому профилю легирования электрическое поле должно иметь в результате относительно высокое значение у периферийной части базы 120, т.е. вблизи границы раздела между барьером 118 и базой 120, и относительно низкого значения у p-n-перехода, т.е. вблизи границы раздела между базой 120 и эмиттером 124. В частности, в этом случае, как проиллюстрировано на диаграмме 515 фиг.5, как правило, электрическое поле демонстрирует первый пик - указанный на фигуре ссылочной позицией 550 - между базой 120 и эмиттером 124. Помимо этого, даже в этом случае существует электрическое поле, которое проходит вдоль центральной части базы 120, соединяя пик 545 с пиком 550. Однако наличие нелинейного градиента легирования вынуждает электрическое поле, которое проходит в центральной части базы, - обозначенной на фигуре ссылочной позицией 555 - не иметь больше постоянного значения, а вместо этого иметь тенденцию к ее понижению (по абсолютному значению) вдоль направления х, от первого значения на границе раздела между барьером 118 и базой 120 ко второму значению на границе раздела между базой 120 и эмиттером 124, где упомянутое первое значение больше - по абсолютному значению - чем второе значение. Наличие электрического поля такого типа дает возможность получить более высокую эффективность преобразования, поскольку:

- неосновные носители, сформированные в частях базы 120 на удалении от p-n-перехода, подвергаются воздействию более высокого значения электрического поля - сформированному благодаря относительно высокому значению наклона части 405 профиля легирования, и, таким образом, их собирают более эффективным образом;

- диффузионное движение основных носителей, фотогенерированных в базе 120 (т.е. дырок), в направлении перехода должно быть в результате затруднено из-за относительно небольшого наклона части 410 профиля легирования, что снижает, таким образом, диффузионную составляющую темнового тока элемента;

- неосновные носители, фотогенерированные в базе 120 (т.е. электроны), преимущественно продвигаются по направлению к p-n-переходу из-за электрического поля, сформированного посредством относительно высокого значения наклона части 410 профиля легирования, и

- все вышеупомянутые преимущества получают посредством относительно низколегированной базы для большей части ее толщины, и, соответственно, вероятность рекомбинации фотогенерированных носителей должна быть в результате ограничена положительным образом.

Естественно, для того чтобы удовлетворять частные и специфические требования, специалисты в данной области техники могут применять для описанного выше решения множество модификаций и изменений. В частности, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано с определенной степенью конкретики со ссылкой на его предпочтительный вариант (предпочтительные варианты) осуществления, следует понимать, что возможны различные исключения, замещения и изменения в форме и подробностях, также как и другие варианты осуществления; более того, ясно подразумевается, что специфические элементы и/или этапы способа, описанного в соединении с любым раскрытым вариантом осуществления изобретения, могут быть включены в состав любого другого варианта осуществления в качестве основного вопроса конструкторского выбора.

Например, несмотря на то, что ссылка в настоящем изобретении была сделана на трехпереходный фотоэлектрический элемент, в котором база, которая легирована нелинейным образом, принадлежит промежуточному первичному элементу, подобные допущения применяют в различных случаях, например в случае, когда число первичных элементов отличается от трех (даже в случае элемента с одним переходом), в случае, когда база, которая легирована нелинейно, принадлежит первичному элементу, отличному от промежуточного элемента, и в случае, когда предоставлен более чем один первичный элемент с базой, легированной нелинейным образом.

1. Монолитный фотоэлектрический элемент (100), содержащий по меньшей мере один переход (120, 124), причем упомянутый по меньшей мере один переход включает в себя базу (120), сформированную посредством легированного полупроводникового материала первого типа проводимости, и эмиттер (124), сформированный посредством легированного полупроводникового материала второго типа проводимости, противоположного первому, причем упомянутый эмиттер накладывают на базу в соответствии с первым направлением (х), и база по меньшей мере одного из упомянутого по меньшей мере одного перехода имеет понижающийся градиент (С(х)) концентрации легирующей примеси вдоль упомянутого первого направления,
отличающийся тем, что
упомянутая база содержит:
первую часть на удалении от эмиттера, вторую часть в непосредственной близости к эмиттеру и третью часть между первой частью и второй частью, где
в первой части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -9·1017 см-3/мкм до -4·1017 см-3/мкм;
во второй части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -3·1017 см-3/мкм до -9·1016 см-3/мкм;
в третьей части упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси имеет наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -2·1017 см-3/мкм до -5·1016 см-3/мкм.

2. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором
длина базы вдоль первого направления равна первой величине (L), причем упомянутая вторая часть проходит вдоль первого направления от первого конца (0), соответствующего концу базы на удалении от эмиттера, ко второму концу (х1), причем упомянутая третья часть проходит вдоль первого направления от второго конца к третьему концу (х2), причем упомянутая вторая часть проходит вдоль первого направления от третьего конца к четвертому концу, соответствующему концу базы в непосредственной близости к эмиттеру;
второй конец располагается на первом расстоянии от первого конца, а третий конец располагается на втором расстоянии от первого конца вдоль первого расстояния;
упомянутое первое расстояние имеет значение, находящееся в пределах от одной пятой до одной третьей первой величины, а упомянутое второе расстояние имеет значение, находящееся в пределах от одной третьей первого размера до девяти десятых первой величины.

3. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси соответствует кусочно-линейной функции.

4. Фотоэлектрический элемент по п.3, в котором упомянутая кусочно-линейная функция содержит по меньшей мере три линейных изменения, причем каждая часть базы соответствует по меньшей мере одному соответствующему линейному изменению.

5. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором упомянутый понижающийся градиент концентрации легирующей примеси соответствует полиномиальной функции.

6. Фотоэлектрический элемент по п.5, в котором упомянутая полиномиальная функция является полиномиальной функцией по меньшей мере четвертой степени.

7. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором
по меньшей мере один переход включает в себя первый переход, второй переход и третий переход, причем упомянутый второй переход накладывают на первый переход в соответствии с первым направлением и упомянутый третий переход накладывают на второй переход в соответствии с первым направлением, и
упомянутый по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного перехода является вторым переходом.

8. Фотоэлектрический элемент по п.2, в котором
по меньшей мере один переход включает в себя первый переход, второй переход и третий переход, причем упомянутый второй переход накладывают на первый переход в соответствии с первым направлением и упомянутый третий переход накладывают на второй переход в соответствии с первым направлением, и
упомянутый по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного перехода является вторым переходом.

9. Фотоэлектрический элемент по п.3, в котором
по меньшей мере один переход включает в себя первый переход, второй переход и третий переход, причем упомянутый второй переход накладывают на первый переход в соответствии с первым направлением и упомянутый третий переход накладывают на второй переход в соответствии с первым направлением, и
упомянутый по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного перехода является вторым переходом.

10. Фотоэлектрический элемент по п.4, в котором
по меньшей мере один переход включает в себя первый переход, второй переход и третий переход, причем упомянутый второй переход накладывают на первый переход в соответствии с первым направлением и упомянутый третий переход накладывают на второй переход в соответствии с первым направлением, и
упомянутый по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного перехода является вторым переходом.

11. Фотоэлектрический элемент по п.5, в котором
по меньшей мере один переход включает в себя первый переход, второй переход и третий переход, причем упомянутый второй переход накладывают на первый переход в соответствии с первым направлением и упомянутый третий переход накладывают на второй переход в соответствии с первым направлением, и
упомянутый по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного перехода является вторым переходом.

12. Фотоэлектрический элемент по п.6, в котором
по меньшей мере один переход включает в себя первый переход, второй переход и третий переход, причем упомянутый второй переход накладывают на первый переход в соответствии с первым направлением, и упомянутый третий переход накладывают на второй переход в соответствии с первым направлением, и
упомянутый по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного перехода является вторым переходом.

13. Фотоэлектрический элемент по п.8, в котором концентрация легирующей примеси на первом конце равна первому значению, содержащемуся в пределах 5·1016 см-3 и 5·1018 см-3, а концентрация легирующей примеси на четвертом конце равна второму значению, содержащемуся в пределах 5·1015 см-3 и 5·1017 см-3.

14. Способ изготовления фотоэлектрического элемента, содержащего по меньшей мере один переход, при этом способ содержит этапы, на которых:
создают упомянутый по меньшей мере один переход, формирующий базу посредством легированного полупроводникового материала первого типа проводимости и формирующий эмиттер посредством легированного полупроводникового материала второго типа проводимости, противоположного первому, причем упомянутый эмиттер накладывают на базу в соответствии с первым направлением, при этом этап, на котором формируют базу по меньшей мере одного из упомянутого по меньшей мере одного перехода, включает в себя легирование полупроводникового материала с понижающимся градиентом концентрации легирующей примеси вдоль упомянутого первого направления,
отличающийся тем, что
упомянутый этап легирования включает в себя:
легирование первой части, скомпонованной на удалении от эмиттера, с понижающимся градиентом концентрации легирующей примеси, имеющим наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -9·1017 см-3/мкм до -4·1017 см-3/мкм,
легирование второй части, скомпонованной в непосредственной близости к эмиттеру, с понижающимся градиентом концентрации легирующей примеси, имеющим наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -3·1017 см-3/мкм до -9·1016 см-3/мкм, и
легирование третьей части, скомпонованной между первой частью и второй частью, с понижающимся градиентом концентрации легирующей примеси, имеющим наклон, среднее значение которого по существу находится в пределах от -2·1017 см-3/мкм до -5·1016 см-3/мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптоэлектронике. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету, предназначенным для преобразования света в электрическую энергию, в частности к многопереходным солнечным элементам. Солнечный элемент содержит подложку, на которой размещены, по крайней мере, два двухслойных компонента с p-n-переходами между слоями, сопряженные между собой, по крайней мере, двумя промежуточными слоями. Слои двухслойных компонентов и промежуточные слои выполнены из четверного твердого раствора AlInGaN. Промежуточные слои и сопряженные с ними фрагменты солнечного элемента выполнены с одинаковым значением ширины запрещенной зоны. Двухслойные компоненты с p-n-переходами между слоями и сопряженные с ними промежуточные слои выполнены с одинаковым значением постоянной решетки. В промежуточных слоях постоянная решетки различна. В слоях двухслойных компонентов с p-n-переходами различна ширина запрещенной зоны при фиксированном значении постоянной решетки. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования солнечного излучения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Многопереходное фотоэлектрическое устройство содержит первый и второй электроды, фотоэлектрический стек в электрическом контакте с указанными первым и вторым электродами и содержащий множество фотоэлектрических переходов, при этом каждый указанный фотоэлектрический переход включает электроноакцепторный полупроводниковый слой и светопоглощающий полупроводниковый слой, имеющий, в основном, большую рабочую функцию, чем указанный электроноакцепторный полупроводниковый слой, при этом указанные фотоэлектрические переходы разделены: рекомбинационной областью, включающей слой прозрачного и токопроводящего дырочного слоя в омическом контакте с указанным светопоглощающим полупроводниковым слоем указанного первого фотоэлектрического перехода, и прозрачный токопроводящий электроноакцепторный слой в омическом контакте с указанным электроноакцепторным полупроводниковым слоем указанного второго фотоэлектрического перехода; указанная рекомбинационная областью формирует градиентную рабочую функцию указанного прозрачного и токопроводящего дырочного слоя в омическом контакте с указанным светопоглощающим полупроводниковым слоем указанного первого фотоэлектрического перехода к указанному прозрачному и токопроводящему электроноакцепторному слою в омическом контакте с указанным электроноакцепторным полупроводниковым слоем указанного второго фотоэлектрического перехода, и имеющая толщину в пределах одного порядка величины суммы дебаевой длины всех слоев указанной рекомбинационной области. Изобретение повышает эффективность коэффициента преобразования фотоэлектрических элементов, обеспечивая низкоэнергетический путь для рекомбинации токов электрона и дырки от пар фотоэлектрических переходов. 32 з.п. ф-лы, 10 ил., 6 табл.
Наверх