Фотоэлектрический преобразователь с наноструктурными покрытиями



Фотоэлектрический преобразователь с наноструктурными покрытиями
Фотоэлектрический преобразователь с наноструктурными покрытиями
Фотоэлектрический преобразователь с наноструктурными покрытиями

 


Владельцы патента RU 2549686:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU)

Использование: для преобразования солнечной энергии в электричество. Сущность изобретения заключается в том, что фотоэлектрический преобразователь содержит воронкообразные сквозные отверстия с просветляющим покрытием и толстопленочное покрытие (с обратной стороны), содержащее сферические микрочастицы, способные отражать сквозные солнечные лучи на грани сквозных отверстий. Технический результат: обеспечение возможности повышения КПД фотоэлектрического преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно к конструкции фотоэлектрических преобразователей (ФП).

Известен фотоэлектрический преобразователь (см. патент RU 2359361, МПК H01L 31/0352, опубликован 20.06.2009, Бюл. №17). ФП содержит в приповерхностном слое со стороны лицевой поверхности совокупность параллельно соединенных p-n-переходов, суммарная площадь которых меньше площади лицевой поверхности, а расстояние между соседними p-n-переходами меньше толщины подложки.

Недостатком такого ФП является малая полезная фоточувствительная площадь лицевой поверхности между контактами.

Известен полупроводниковый ФП с градиентным профилем легирующей примеси в p- и n-областях p-n-перехода. Между микроконтактами размещены металлические наночастицы порядка 100 нм, встроенные в изолирующую диэлектрическую пленку на лицевой поверхности (см. патент RU 2432640, МПК H01L 31/042, H01L 31/18, B82B 1/00, B82B 3/00, опубликован 27.10.2011, Бюл. №30), а поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие.

Недостатком данного ФП является малая величина отношения общих площадей - полезной фоточувствительной площади к площади p-n-перехода, что недостаточно для уменьшения обратного тока p-n-перехода и увеличения напряжения холостого хода ФП.

Известен полупроводниковый ФП в виде диодной структуры с n+-p(p+-n)-переходом, изотипным р-р+(n-n+)-переходом в базовой области на тыльной поверхности, с металлическими контактами к обеим областям диодной структуры (см. патент RU 2374720, МПК H01L 31/042, B82B 1/00, B82B 3/00, опубликован 27.11.2009, Бюл. №33) и с антиотражающим покрытием между контактами. Диодная структура выполнена в виде отдельных участков, скоммутированных металлическими контактами, расстояние между отдельными соседними диодными структурами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, ширина диодных структур в 10-30 раз меньше расстояния между соседними диодными структурами. На свободных от диодных структур участках рабочей поверхности под антиотражающим покрытием выполнена пассивирующая диэлектрическая пленка толщиной 10-30 нм, на которой нанесены нанокластеры. Данный патент принят в качестве прототипа.

Недостатком этого ФП является наличие ограничения для величины отношения полезной фоточувствительной площади и площади p-n-перехода. Это ограничение имеет верхнюю и нижнюю границы. Так, расстояние между соседними диодными структурами не может превышать удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, а ширина отдельной диодной структуры не может быть меньше чем в 10-30 раз. Другим недостатком данного изобретения является наличие металлических наночастиц в размерами до 100 нм в тонком диэлектрическом слое с толщиной до 30 нм. Наличие таких наночастиц может приводить к существенному росту анизотропного рассеяния света на лицевой стороне ФП, что увеличит оптический коэффициент отражения и снизит КПД ФП.

Целью изобретения является повышение КПД фотоэлектрического преобразователя.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции ФП кремниевый фотоэлемент имеет по всей своей площади воронкообразные регулярные сквозные отверстия, заполненные просветляющим композитным наноматериалом [1]. Причем обратная сторона фотоэлемента покрыта композитной толстой пленкой, содержащей сферические микрочастицы, способные отражать сквозные лучи для дополнительного взаимодействия с массивом фотоэлемента. Воронкообразные регулярные сквозные отверстия представляют собой прямоугольные усеченные перевернутые пирамиды. При этом отверстия на плате соприкасаются друг с другом противоположными сторонами больших квадратов, а другие противоположные стороны больших квадратов соприкасаются с краями токоведущих микрополосковых топологий.

На фиг.1 и фиг.2 представлена схематическая конструкция фотопреобразователя.

На фиг.1 показано поперечное сечение фотопреобразователя, а на фиг.2 показан вид сверху на воронкообразное сквозное отверстие.

Фотоэлектрический преобразователь, как активный элемент, содержит кремниевую плату 1 с токопроводящими топологиями 2, 3 и регулярно расположенными сквозными воронкообразными местами 4. Воронкообразные сквозные места представляют собой перевернутые усеченные пирамиды, селективно растравленные анизотропно в кремниевой плате ФП [2], как показано на фиг.1, 2. Грани 11 пирамидальных сквозных воронкообразных полостей 12 (фиг.2) увеличивают объем фотоактивности элемента преобразования солнечных лучей в электричество платы фотоэлемента за счет граней равнобоких трапеций. Растравленные полости заполняют просветляющей нанокомпозицией 5 (фиг.1) при нанесении ее на поверхность платы 1. Нанокомпозиция выполняет двоякую роль: увеличивает прочность кремниевой пластины как стяжка и увеличивает доступ падающих фотонов в активную область разделения носителей заряда в электрическом поле p-n-перехода. Следует отметить, что только толстопленочная просветляющая нанокомпозиция [1] не связана условием четвертьволновой толщины и способна решить задачу просветления воронкообразных сквозных мест. Обратная сторона фотоэлектрического преобразователя покрыта композитной толстой пленкой 6, содержащей сферические алмазные микрочастицы 7, покрытые наночастицами металла (цинка, серебра и др.), способные отражать сквозные солнечные лучи в пространство воронкообразных отверстий 4 с трапецеидальными гранями, увеличивая, таким образом, количество носителей заряда в объеме активной платы. На фиг.1 показаны токосъемные выводы 8, 9, сопряженные с токосъемными микрополосковыми шинами пайкой 10. На фиг.3 показана металлическая жила 15 токосъемного вывода с закреплением к токосъемной микрополосковой шине 14 пайкой 16.

Наличие воронкообразных сквозных мест с просветляющим материалом в плате ФП значительно увеличивает прочность кремниевой пластины ФП и облегчает доступ падающих фотонов к области сильного электрического поля p-n-перехода. При этом убираются размерные ограничения для контактов и расстояний между ними, связанные с диффузионной длиной носителей заряда, уменьшается скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда.

Примеры исполнения.

Предлагаемое изобретение характеризуется чертежами, на которых изображены:

- на фиг.1 - плата фотоэлектрического преобразователя: 1 - кремниевая активная часть, 2 - токоведущая топология лицевая, 3 - токоведущая топология обратной стороны, 4 - отверстия пирамидальные воронкообразные, 5 - просветляющее покрытие, 6 - отражающее покрытие, 7 - сферические микрочастицы, 8, 9 - выводы токосъемные, 10 - место пайки;

- на фиг.2 - отверстие сквозное пирамидальное воронкообразное: 11 - грани трапецеидальные, 12 - полость сквозная;

- на фиг.3 - плата фотоэлектрического преобразователя: 13 - топология токоведущая, 14 - шина токосъемная микрополосковая, 15 - медная жила, 16 - место пайки.

Грани пирамидальных сквозных воронкообразных полостей увеличивают объем активности элемента преобразования солнечных лучей в электричество платы фотоэлемента за счет граней равнобоких трапеций. Растравленные полости заполняют просветляющей композицией при нанесении ее на поверхность платы. Обратная сторона фотоэлектрического преобразователя покрыта композитной толстой пленкой, содержащей сферические алмазные микрочастицы, покрытые наночастицами цинка, способные отражать сквозные солнечные лучи в пространство воронкообразных отверстий с трапецеидальными гранями, увеличивая, таким образом, количество носителей зарядов в объеме активной платы.

Сквозные воронкообразные пирамидальные полости (в перевернутом положении) растравлены в кремниевой плате фотоэлемента с обратной стороны.

Эксперименты с моделью фотоэлемента показали, что его КПД можно повысить на 90% и выше. Проведены измерения фотоэдс 4-секционного фотоэлемента с нанесенными пленками из композитных наноматериалов на основе серебра в матрице полиметилметакрилата. Измерения проводились в видимом диапазоне от одного источника белого света типа ОВС-1 с гибким световодом и оптическим калиброванным ослабителем потока. Расстояние от торца световода до измеряемого объекта было фиксирована. Ослабитель помещался между световодом и фотоэлементом. Перемещением диафрагмы и образца последовательно проводились измерения фотоэдс каждого элемента.

Напряжение измерялось на постоянном резисторе 2 МΩ с помощью прецизионного милливольтметра. Ошибка измерений не превышала 1%.

Предлагаемым изобретением решена задача увеличения функционального объема преобразователя за счет увеличения площади облучения солнечными лучами, проникающими сквозь просветляющее покрытие, причем расширенная площадь представляет собой воронкообразные сквозные отверстия, трапецеидальные грани которых и есть дополнительная площадь, за счет глубины структуры кремниевой платы.

Оценки показывают, что КПД предлагаемого фотоэлектрического преобразователя выгодно отличается от известных технических решений минимум на 30% и максимум на 90%.

Предлагаемая конструкция фотоэлектрического преобразователя с регулярными воронкообразными отверстиями позволяет создавать солнечные батареи, выгодно отличающиеся от общепринятых.

Список литературы

1. Гадомский О.Н., Ушаков Н.М., Подвигалкин В.Я., Музалев П.А., Кульбацкий Д.М., Кособудский И.Д. Нанокомпозиционное просветляющее покрытие в виде толстой пленки и способ его получения. Патент РФ №2456710, приоритет от 18.01.2011; опубл. 20.07.2012 г.

2. Bertz A., Kuchler M., Knofler R., Gessner T. //Sens. Actuats. 2002.V. A 97-98. P.691.

1. Фотоэлектрический преобразователь солнечных лучей в электричество, содержащий активный кремниевый фотоэлемент, покрытый с одной стороны просветляющей толстой пленкой, отличающийся тем, что кремниевый фотоэлемент имеет по всей своей площади воронкообразные регулярные сквозные отверстия, заполненные просветляющей средой, совместно с покрытием, причем обратная сторона фотоэлемента покрыта композитной толстой пленкой, содержащей сферические микрочастицы, способные отражать сквозные лучи для дополнительного взаимодействия с массивом фотоэлемента.

2. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что воронкообразные регулярные сквозные отверстия представляют собой прямоугольные (или конусные) усеченные перевернутые пирамиды.

3. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что отверстия на плате соприкасаются друг с другом противоположными сторонами больших квадратов, а другие стороны больших квадратов соприкасаются с краями токоведущих микрополосковых топологий.

4. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве сферических микрочастиц выбраны алмазы, покрытые наночастицами цинка либо другими с аналогичными свойствами.



 

Похожие патенты:

Волноводный концентратор солнечного элемента относится к волноводной и волоконной оптике и может быть использован в солнечных элементах и солнечных батареях с монокристаллическими полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям для получения электричества и тепла. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования солнечной энергии, снижение удельных затрат на получение электроэнергии и тепла.

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую солнечным элементом на основе сенсибилизированных металлооксидных мезоструктур.

Изобретение относится к области гелиоэнергетики, в частности к элементам с концентраторами излучения для получения электрической и тепловой энергии, и может быть использовано при создании высокоэффективных автономных источников электроэнергии. Заявленное устройство с фотоприемным слоем для преобразования солнечной энергии в электрическую содержит, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена профилированной с периодическим профилем в ее продольном направлении и переменным профилем - в поперечном направлении, при этом подложки одной пары соединены между собой с возможностью образования профилями, по крайней мере, одного ряда полостей.

Фотогальваническое устройство, содержащее по меньшей мере один фотогальванический элемент (60), содержащий нанесенные на подложку (10) тонкие активные слои (15), при этом указанные активные слои не подвергают сегментированию, и по меньшей мере один статический преобразователь (50), связанный с каждым фотогальваническим элементом (60).

Многопереходный солнечный элемент содержит подложку p-Ge (1), в которой создан нижний p-n переход (2), и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой (3) n-Ga0,51In0,49P, буферный слой (4) n-Ga0,99In0,01As, нижний туннельный диод (5), средний p-n переход (6), содержащий слой тыльного потенциального барьера (7), базовый (9) и эмиттерный (11) слои, а также широкозонное окно (12), верхний туннельный диод (13), верхний p-n переход (14), содержащий слой тыльного потенциального барьера (15), базовый (16) и эмиттерный (17) слои, а также широкозонное окно (18), и контактный n+-подслой (19), Базовый слой (9) среднего p-n перехода (6) включает последовательно выращенные область переменного легирования (8), примыкающую непосредственно к слою тыльного потенциального барьера (7) среднего p-n перехода (9) и область (10) постоянного легирования.

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения углов в машиностроении, а также к приборам навигации космических аппаратов. Способ повышения разрешающей способности измерения угловых координат светящегося ориентира по величинам сигналов и порядковым номерам фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, заключается в увеличении скорости изменения сигнала по углу указанных фоточувствительных элементов.

В настоящем изобретении предложены оконные жалюзи для сбора солнечной энергии с регулируемым положением. В оконных жалюзи используются солнечный датчик и амперметр для определения зависимости между углом падения солнечного света и оптимальным расположением солнечного датчика.

Изобретение относится к полупроводниковым структурам, используемым для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Фотовольтаическая однопереходная структура представляет собой двухслойный компонент p-n гетероперехода a-SiC/c-Si.

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, а именно к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Предложены два варианта двустороннего солнечного фотопреобразователя (ФП), содержащего два идентичных солнечных элемента (СЭ) на основе сенсибилизированных металло-оксидных (МО) мезоструктур, освещаемые поверхности которых ориентированы в противоположных направлениях.

Изобретение относится к противоопухолевому лекарственному средству пролонгированного действия на основе ингибитора синтеза эстрогенов - анастрозола. Лекарственное средство содержит анастрозол, сополимер молочной и гликолевой, поливиниловый спирт и D-маннитол.

Изобретение относится к получению метаматериалов из структурных элементов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов и может быть использовано в машиностроении и электронике в качестве материалов с улучшенными свойствами.

Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров может найти применение в электронике, радиотехнике, природоохранной, химической и нефтяной отраслях для контроля качества проведения технологических процессов и качества готовой продукции, например, при создании полимерных нанокомпозитов, функциональных электронных и радиотехнических элементов.

Предложенное изобретение относится к технике получения дисперсных частиц на основе различных материалов, которые могут быть использованы для изготовления различных функциональных изделий и приборов.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных до 230°С деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления перспективных авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС).

Изобретение относится к энергетическому кабелю для передачи или распределения электроэнергии, особенно электроэнергии среднего или высокого напряжения. Кабель содержит по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один электроизоляционный слой, окружающий указанный электрический проводник, при этом по меньшей мере один электроизоляционный слой содержит: (a) термопластичный полимерный материал, который выбран из по меньшей мере одного сополимера (i) пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, за исключением пропилена, причем у указанного сополимера температура плавления составляет 130°C и более и энтальпия плавления составляет 20-90 Дж/г; (b) по меньшей мере один наноразмерный неорганический наполнитель.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для маркирования молекул, квантовой обработки информации, магнитометрии и синтеза алмаза химическим осаждением из газовой фазы.

Изобретение относится к биотехнологии. Описаны вакцины против гриппа, содержащие антиген штамма А/Калифорния/7/09 (H1N1) и адъювант, представляющий собой сферические аморфные наночастицы бетулина, или модифицированный фуллерен, или наночастицы гидроксиапатита.
Изобретение относится к медицине, а именно к хирургической оториноларингологии. Выполняют разрез слизистой оболочки и надхрящницы от перегородки носа до места прикрепления нижней носовой раковины.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой спектральный магнитоэллипсометр и предназначено для контроля in situ производства в условиях сверхвысокого вакуума наноразмерных магнитных структур. Магнитоэллипсометр содержит источник излучения с монохроматором, плечо поляризатора, оснащенного переключением положения от 0° до 45°, магнитную систему для воздействия на образец, плечо анализатора эллипсометра, оснащенного переключением положения от 0° до 45°, контроллер с детектором для синхронного измерения световых потоков, а также блок измерения магнитосопротивления, собранный по схеме четырехполюсного измерительного моста и состоящий из трех резисторов и одного сменного модуля в виде подложки, на которую происходит напыление образца-свидетеля, имеющего состав, идентичный составу исследуемого образца, а магнитная система выполнена в виде пары оптимизированных катушек Гельмгольца и перпендикулярно расположенного соленоида. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей эллипсометрического метода контроля, повышение точности измерений, получение дополнительной информации об электрических или магнитных свойствах в рамках единого метода. 4 ил.
Наверх