Солнечный элемент



Солнечный элемент
Солнечный элемент

 

H01L31/0445 - Полупроводниковые приборы, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, электромагнитному, коротковолновому или корпускулярному излучению, предназначенные либо для преобразования энергии такого излучения в электрическую энергию, либо для управления электрической энергией с помощью такого излучения; способы или устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы приборов (H01L 51/00 имеет преимущество; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее, кроме приборов, содержащих чувствительные к излучению компоненты, в комбинации с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 27/00; кровельные покрытия с приспособлениями для размещения и использования устройств для накопления или концентрирования энергии E04D 13/18; получение тепловой энергии с

Владельцы патента RU 2590284:

Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе", ООО "НТЦ ТПТ" (RU)

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при конструировании солнечных элементов, которые используются в энергетике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности и др. Солнечный элемент согласно изобретению включает кристаллическую подложку из кремния n-типа (n)с-Si ориентации (100) с фронтальной и тыльной поверхностями, над фронтальной поверхностью последовательно расположены: промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния в виде твердого раствора; нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H; р-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (p)a-Si:H; слой оксида индия-олова (ITO); серебренная контактная сетка. При этом над тыльной поверхностью последовательно расположены: промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния в виде твердого раствора; нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H; n-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (n)a-Si:H; слой оксида индия-олова ITO; слой серебра Ag. Изобретение позволяет улучшить пассивацию поверхности за счет предотвращения частичного эпитаксиального роста во время нанесения слоя аморфного гидрогенизированного кремния толщиной 2-5 нм на кристаллическую подложку, что в свою очередь ведет к увеличению напряжения холостого хода и, как следствие, эффективности преобразования солнечного излучения. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при конструировании солнечных элементов, которые используются в энергетике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности и др.

Уровень техники

Солнечный элемент - устройство, которое преобразует энергию солнечного света в электрический ток. Солнечный элемент служит для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для питания электронных приборов и электроприводов устройств и механизмов, применяющихся в электронике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др.

Среди возобновляемых источников энергии фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в настоящее время признано самым перспективным. Дальнейшее развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразовательных устройств (солнечных элементов). Наиболее успешным направлением развития технологий повышения КПД солнечных элементов представляется использование гетеропереходов между аморфным гидрогенизированным и кристаллическим кремнием (a-Si:H/c-Si), которые обладают всеми преимуществами солнечных элементов на основе кристаллического кремния, но могут быть изготовлены при низких температурах, что позволяет существенно снизить стоимость изготовления солнечных элементов на основе гетеропереходов.

Эффективность работы первых солнечных элементов на основе a-Si:H/c-Si гетероперехода была ограничена низким качеством границы раздела a-Si:H/c-Si, что приводило к значительно меньшим значениям напряжения холостого хода и коэффициента заполнения, чем у традиционных солнечных элементов. Негативное влияние границы может быть снижено путем введения промежуточного слоя нелегированного гидрогенизированного аморфного кремния (i)-a-Si:H, который содержит меньше дефектов и позволяет уменьшить рекомбинацию на границе а-Si:H/c-Si. Еще большее увеличение эффективности было получено при использовании структуры (p)a-Si/(i)a-Si:H/(n)c-Si с нелегированным буферным слоем толщиной 5 нм, расположенным между кристаллической подложкой и аморфным эмиттером, что дало начало бурному развитию так называемых HIT структур (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer - гетеропереходы с собственным тонким слоем). Например, технология получения солнечного элемента, описанная в патенте США (см. [1] US 5066340, МПК H01L 31/036, опубликованный 19.11.1991), включает структуру одностороннего фотопреобразователя (ФЭП), состоящего из кристаллического слоя одного типа проводимости, аморфного слоя другого типа проводимости, собственного микрокристаллического слоя между легированными слоями, лицевого и тыльного электродов.

Существенный прогресс в повышении КПД солнечных элементов за последние два десятилетия был достигнут компанией Sanyo, в первую очередь, за счет оптимизации фронтальной и тыльной поверхностей солнечного элемента.

Известен способ получения солнечного элемента, описанный в патенте США (см. [2] US 5401336, МПК H01L 31/0236, опубликованный 28.03.1995), где односторонняя структура представляет гетеропереход между кристаллическим и аморфным полупроводниками с аморфным или микрокристаллическим собственным слоем между ними, выполненный с применением текстурированных подложек и прозрачных электродов.

В другом патенте США (см. [3] US 5935344, МПК H01L 31/04, опубликованный 10.08.1999) описана структура СЭ (солнечного элемента) с гетеропереходами, состоящая из слоев собственного и легированного аморфного кремния, нанесенных на обе стороны подложки из кристаллического кремния.

Известен также способ получения солнечного элемента с многослойными гетеропереходами на основе слоев аморфного кремния и его сплавов, нанесенных на обе стороны подложки из кристаллического кремния (см. [4] ЕР 1187223, МПК H01L 31/04, опубликованный 13.03.2002).

Известен метод производства солнечного элемента с односторонним гетеропереходом (см. [5] US 20090293948, МПК H01L 21/027, опубликованный 03.12.2009), содержащий подложку, на которую в качестве буферного слоя нанесен слой аморфного кремния, затем слой легированного кремния, с обратной стороны подложки нанесено антиотражающие покрытие.

К недостаткам перечисленных солнечные элементов и методов их производства относится отсутствие второго гетероперехода, что снижает эффективность. Кроме этого, в перечисленных методах пассивация производится аморфным кремнием, что в свою очередь может вызвать эпитаксиальный рост на поверхности подложки.

Известен солнечный элемент с гетеропереходом на основе кристаллического кремния (см. [6] KR 100847741, МПК H01L 31/04, опубликованный 23.07.2008), содержащий слой карбида кремния для уменьшения дефектов, а также контактной площади между слоем аморфного и кристаллического кремния. Пассивирующий слой может быть изготовлен из SiO2, SiC, SiNx и собственного аморфного кремния. К недостаткам солнечного элемента можно отнести отсутствие рельефной поверхности кристаллического кремния с обеих сторон и обусловленное этим слабое рассеяние поступающего излучения.

В заявке США (см. [7] US 20090250108, МПК H01L 31/0224, опубликованной 08.10.2009) описана двухсторонняя структура на основе подложки из кристаллического кремния n-типа и нанесенных последовательно на обе стороны слоев карбида кремния, аморфного кремния p(n)-типа, проводящего слоя (ITO), Ag электродов в виде сетки на фронтальной и тыльной сторонах подложки. К недостаткам данного солнечного элемента можно отнести отсутствие с обеих сторон нелегированного слоя аморфного гидрогенизированного кремния: его функцию выполняет карбид кремния, который является более дефектным материалом.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрана заявка РСТ (см. [8] WO 2014148443 (А1), МПК H01L 31/0236, опубликованная 25.09.2014). Известный солнечный элемент содержит монокристаллическую подложку кремния, текстурированную с двух сторон, на которые нанесен слой аморфного кремния толщиной 2-3 нм, на одном из слоев аморфного кремния нанесен слой легированного аморфного кремния p-типа толщиной 10-30 нм, а на другом слое аморфного кремния нанесен слой легированного аморфного кремния n-типа толщиной 10-30 нм.

Сущность изобретения

Задачей заявляемого изобретения является создание солнечного элемента, характеризующегося улучшенной пассивацией поверхности кристаллической пластины кремния, повышенным напряжением холостого хода солнечного элемента и, как следствие, увеличенной эффективностью.

Техническим результатом является улучшенная пассивация поверхности за счет предотвращения частичного эпитаксиального роста во время нанесения слоя аморфного кремния толщиной 2-5 нм на кристаллическую подложку, что в свою очередь ведет к увеличению напряжения холостого хода и, как следствие, эффективности преобразования солнечного излучения.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного результата предлагается солнечный элемент, включающий кристаллическую подложку из кремния n-типа (n)c-Si ориентации (100) с фронтальной и тыльной поверхностями.

Над фронтальной поверхностью последовательно расположены:

a. промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния в виде твердого раствора,

b. нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H,

c. p-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (р)а-Si:H,

d. слой оксида индия-олова ITO,

e. серебренная контактная сетка,

над тыльной поверхностью последовательно расположены:

f. промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния в виде твердого раствора,

g. нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H,

h. n-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (n)а-Si:H,

i. слой оксида индия-олова ITO,

j. слой серебра Ag.

Для реализации настоящего решения может использоваться кристаллическая подложка из кремния n-типа (n)c-Si толщиной от 80 до 250 мкм.

Для реализации настоящего решения может использоваться промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния с формулой (i)a-SixCx-1:H, где 0,8<x<0,90, толщиной 0,5-2 нм.

Для реализации настоящего решения может использоваться нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H толщиной от 2 до 5 нм.

Для реализации настоящего решения может использоваться p-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (p)a-Si:H толщиной от 5 до 20 нм, при этом в качестве легирующего элемента может быть использован бор В.

Для реализации настоящего решения может использоваться слой оксида индия-олова ITO толщиной 90-110 нм на фронтальной поверхности и толщиной от 40 до 80 нм на тыльной поверхности.

Для реализации настоящего решения может использоваться n-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (n)a-Si:H, легированный фосфором Р.

Для реализации настоящего решения может использоваться n-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (n)a-Si:H толщиной от 10 до 20 нм на тыльной поверхности.

Для реализации настоящего решения может использоваться слой серебра Ag толщиной от 100 до 300 нм.

Для реализации настоящего решения может использоваться текстура в виде пирамид на фронтальной и тыльной поверхностях кристаллической подложки.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена структура солнечного элемента.

На фиг. 2 - время жизни гладкой подложки кремния с наличием карбидного слоя и без него.

На фиг. 3 - время жизни текстурированной подложки кремния с наличием карбидного слоя и без него.

Осуществление изобретения

Солнечный элемент включает в себя кристаллическую подложку (1) кремния n-типа (n)c-Si ориентации (100), на обеих сторонах которой последовательно нанесен слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния (2) в виде твердого раствора SixCx-1:H, где 0,8<x<0,90 толщиной 0,5-2 нм, нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (3) толщиной 2-5 нм, затем на фронтальной стороне (со стороны излучения) нанесен p-легированный слой (4) аморфного гидрогенизированного кремния толщиной 5-20 нм (для легирования используется газ В(СН3)32), слой оксида-олова ITO (6) толщиной 90-110 нм, серебренная контактная сетка 7. На тыльной стороне кристаллической подложки последовательно нанесен n-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (5) толщиной 10-20 нм (для легирования используется газ РН32), слой оксида-олова ITO (8) толщиной 40-80 нм, слой серебра (9) толщиной 100-300 нм. Фотопреобразующая структура 1-5 под воздействием света разделяет электрический заряд и генерирует электричество. Кристаллическая подложка (1) толщиной 80-250 мкм является материалом, в котором происходит основное поглощение света, она занимает значительную часть солнечного элемента.

Ориентация (100) кремниевой подложки обладает наилучшей эффективностью, т.к. при щелочном травлении подложки с ориентацией (111), например, образуются слишком острые пирамиды.

Когда свет падает на солнечный элемент, он поглощается в основном в кристаллической подложке и в результате в ней генерируются электронно-дырочные пары. В основном за счет диффузии дырки направляются к p-области, а электроны - к n-области.

Использование в настоящем решении буферного (промежуточного) слоя аморфного гидрогенизированного карбида кремния толщиной менее 2 нм позволяет избежать процесса эпитаксии, характерного при использовании промежуточного слоя аморфного гидрогенизированного кремния. В свою очередь предотвращение процесса эпитаксиального роста кристаллического кремния позволяет обеспечить высокий уровень пассивации кремниевой подложки, а следовательно, и эффективности работы солнечного элемента.

Непосредственно перед процессом осаждения кремниевых слоев проводится снятие окисла с поверхностей кремниевой подложки. При этом в процессе роста аморфного кремния на данную подложку возможен процесс эпитаксии. Т.е. вместо роста аморфного кремния на подложке частично происходит рост кристаллического кремния, что не обеспечивает должного уровня пассивации кремниевой подложки. Для предотвращения процесса эпитаксии перед осаждением аморфного кремния используется буферный слой толщиной меньше 2 нм. В качестве методики оценки качества пассивации поверхности кремниевой пластины может служить измерение времени жизни запассивированной кремниевой подложки неосновных носителей заряда. На фиг. 2 представлен график зависимости времени жизни от концентрации неосновных носителей заряда. Время жизни неосновных носителей заряда гладкой пластины без наличия буферного слоя карбида кремния равно 117 мсек, а с данным слоем - 3410 мсек. В случае текстурированной пластины эффект выражен слабее, но также имеет место быть: 899 мсек и 1342 мсек без и с наличием слоя карбидного кремния соответственно (фиг. 3).

1. Солнечный элемент, включающий кристаллическую подложку из кремния n-типа (n)c-Si ориентации (100) с фронтальной и тыльной поверхностями, над фронтальной поверхностью последовательно расположены:
a. промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния в виде твердого раствора,
b. нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H,
c. p-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (p)a-Si:H,
d. слой оксида индия-олова ITO,
e. серебренная контактная сетка,
а над тыльной поверхностью последовательно расположены:
f. промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния в виде твердого раствора,
g. нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H,
h. n-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (n)a-Si:H,
i. слой оксида индия-олова ITO,
j. слой серебра Ag.

2. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что кристаллическая подложка из кремния n-типа (n)c-Si имеет толщину от 80 до 250 мкм.

3. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния задается формулой (i)a-SixCx-1:H, где 0,8<x<0,90.

4. Солнечный элемент по п. 3, отличающийся тем, что промежуточный слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния (i)a-SixCx-1:H имеет толщину от 0,5 до 2 нм.

5. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что нелегированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (i)a-Si:H имеет толщину от 2 до 5 нм.

6. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что p-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (p)a-Si:H имеет толщину от 5 до 20 нм.

7. Солнечный элемент по п. 6, отличающийся тем, что в качестве легирующего элемента для р-легированного слоя аморфного гидрогенизированного кремния (p)a-Si:H используется бор В.

8. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что слой оксида индия-олова ITO на фронтальной поверхности имеет толщину 90-110 нм.

9. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легирующего элемента для n-легированного слоя аморфного гидрогенизированного кремния (n)a-Si:H используется фосфор Р.

10. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что n-легированный слой аморфного гидрогенизированного кремния (n)a-Si:H на тыльной поверхности имеет толщину от 10 до 20 нм.

11. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что слой оксида индия-олова ITO на тыльной поверхности имеет толщину от 40 до 80 нм.

12. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что слой серебра Ag имеет толщину от 100 до 300 нм.

13. Солнечный элемент по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что на фронтальной и тыльной поверхностях кристаллической подложки нанесена текстура.

14. Солнечный элемент по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что на фронтальной и тыльной поверхностях кристаллической подложки нанесена текстура в виде пирамид.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для преобразования солнечной энергии в электроэнергию. Согласно изобретению предложено фотоэлектрическое устройство (1), содержащее солнечный концентратор (2), имеющий кольцеобразную форму, в свою очередь содержащий внешний проводник (3), расположенный вдоль внешней части кольца; внешнюю люминесцентную пластину (22), имеющую трапециевидный профиль и имеющую внешнюю периферийную приемную поверхность, выполненную с возможностью приема светового излучения, падающего и приходящего от проводника (3); внутреннюю люминесцентную пластину (21), расположенную вдоль внутренней части кольца и имеющую трапециевидный профиль; наноструктурный полупроводниковый слой (23), лежащий между двумя пластинами (21, 22) таким образом, что большие основания соответствующих трапециевидных профилей обращены к нему, причем упомянутый полупроводниковый слой (23) выполнен с возможностью приема излучения, переданного внешней и внутренней пластинами (21, 22), и реализации фотоэлектрического эффекта; средство (3, 5) передачи, выполненное с возможностью сбора и концентрации падающего светового излучения на упомянутой периферийной приемной поверхности.

Изобретение относится к области гелиоэнергетики и касается конструкции фотоэлектрического модуля космического базирования. Фотоэлектрический модуль включает в себя нижнее защитное покрытие, на котором с помощью полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала.

Использование: для создания многоэлементных фотоприемников. Сущность изобретения заключается в том, что способ сборки матричного модуля на держатель содержит стадии нанесения криостойкого клея на тыльную поверхность растра матричного модуля и на держатель, ориентации матричного модуля относительно держателя, прижима матричного модуля к держателю, приклеивают матричный модуль на держатель с помощью приспособления типа «насадка» в виде цилиндрического колпака, плотно надеваемого на растр с помощью выступов на окружности основания и содержащего четыре выреза под метки совмещения, расположенные под углом 90° по отношению соседних меток друг к другу, предназначенных для ориентации матричного модуля относительно держателя с помощью инструментального микроскопа, кроме этого, содержащего дополнительно четыре выреза по углам фоточувствительного элемента, предназначенные для бездефектного надевания «насадки» на растр, а также содержащего в центре верха колпака метку в виде отверстия для ориентации и коническое углубление для прижима с помощью зондовой головки и возможности поворота «насадки» для совмещения меток, расположенных на растре и держателе.

Изобретение относится к устройствам регистрации видеоизображений. Видеосистема на кристалле содержит цветное фотоприемное устройство с функцией спектрального разделения светового потока в зависимости от глубины проникновения фотоэлектронов в кристалл.

Изобретение относится к области электровакуумной техники, в частности к полупроводниковым оптоэлектронным устройствам - фотокатодам, а именно к гетероструктуре для полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия, фоточувствительного в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, и может быть использовано при изготовлении фоточувствительного элемента оптоэлектронных устройств: электронно-оптических преобразователей фотоумножителей, используемых в детекторах излучений.

Изобретение относится к 8-алкил-2-(тиофен-2-ил)-8H-тиофен[2,3-6]индол замещенным 2-цианоакриловым кислотам формулы (I) которые могут быть использованы как перспективные красители для сенсибилизации неорганических полупроводников в составе цветосенсибилизированных солнечных батарей, способу их получения, а так же промежуточным соединениям, которые используют для синтеза данных соединений.

Настоящее изобретение относится к технологии термофотоэлектрических преобразователей с микронным зазором (MTPV) для твердотельных преобразований тепла в электричество.

Использование: для изготовления модульных (гибридных) оптико-электронных наблюдательных и регистрирующих приборов различных спектров действия, предназначенных для эксплуатации в условиях низкой освещенности.

Изобретение относится к гелиотехнике. Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения состоит из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника (ФЭП), расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, при этом солнечный фотоэлектрический модуль содержит асимметричный концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством протока теплоносителя; форма отражающей поверхности концентратора Х(Y) определяется предложенной системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки шириной do из скоммутированных ФЭП и длиной h и расположенного под углом к миделю концентратора.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету. Гетероструктура содержит подложку, выполненную из AlN, на которой размещено три сопряженных друг с другом выполненных из In1-xGaxN двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями.
Наверх