Кремниевый двухсторонний солнечный элемент и способ его изготовления

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, в частности к кремниевым солнечным элементам и технологии их изготовления. В кремниевом двухстороннем солнечном элементе, выполненном в виде матрицы из последовательно скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-p-p+ (p+-n-n+) структурой, у которых ширина базы соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда базовой области, а плоскости p-n переходов перпендикулярны рабочим поверхностям, на рабочих поверхностях солнечного элемента размещены пассивирующие покрытия из изолирующего материала со встроенным электрическим зарядом, противоположным по знаку типу проводимости низлежащих слоев кремния, рабочие поверхности ориентируются в кристаллографической плоскости (111). Для пассивации p-областей фотопреобразователя используется покрытие из оксида алюминия, для n-областей - покрытие из нитрида кремния. Наноструктурированное покрытие из оксида алюминия получают методом атомно-слоевого осаждения. Изобретение обеспечивает получение больших значений встроенного заряда и тем самым уменьшение скорости поверхностной рекомбинации и увеличение кпд кремниевого двухстороннего солнечного элемента. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Кремниевый двухсторонний солнечный элемент и способ его изготовления

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, в частности к кремниевым солнечным элементам и технологии их изготовления.

Известен кремниевый фотопреобразователь с двухсторонней фоточувствительностью? толщина которого соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области (Патент RU 2432639 от 27.10.2011). Фотопреобразователь содержит n+-p (p+-n) переход на лицевой стороне, изотипный p-p+(n-n+) переход в базовой области на тыльной стороне, просветляющую пленку и металлическую контактную сетку на лицевой и тыльной сторонах. Просветляющая пленка выполнена так, что плотность встроенного электрического заряда не менее 1·1011 см-2, знак этого заряда совпадает со знаком заряда основных носителей тока в базовой области, причем n+-p (p+-n) переход и изотипный p-p+ (n-n+) переход под контактной сеткой выполнены на большей глубине, чем в промежутках контактной сетки. Встроенный электрический заряд создают путем атомно-слоевого осаждения на поверхность кремния пленки оксида алюминия, получаемого посредством магнетронного или атомно-слоевого осаждения либо нитрида кремния. Изобретение обеспечивает повышение КПД и снижение стоимости изготовления фотопреобразователей.

Известен полупроводниковый фотопреобразователь, содержащий матрицу из скоммутированных параллельно с помощью контактов микроэлементов с базовой областью и легированными областями п+-р-п++-n-р+) структур (Патент RU 2417482 от 27.04.2011). Плоскости р-n переходов и контактов к легированным n++) областям перпендикулярны к рабочей стороне, на которую падает излучение, один или два линейных размера каждого микроэлемента соизмеримы с удвоенной диффузионной длиной неосновных носителей заряда в базовой области, и на тыльной стороне каждого микроэлемента расположены контакты к базовой области, каждый микроэлемент содержит вдоль рабочей и тыльной сторон области с дополнительными изотипными р-р+ (n-n+) переходами, отделенными от р-n переходов промежутком, ширина которого по меньшей мере в 10 раз меньше размера микроэлемента, а участки базовой и легированной областей, свободные от контактов, содержат пассивирующую и просветляющую пленки. Использование нанокластеров и электростатических полей в пассивирующей пленке над изотипными р-n переходами обеспечивает повышение КПД и повышение эффективности фотопреобразования за счет снижения потерь на поверхностную рекомбинацию.

Известен полупроводниковый фотоэлектрический генератор, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-p переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора (Патент RU 2336596). Такая конструкция получила название матричный солнечный элемент (МСЭ), а в зарубежной классификации vertical multi-junction solar cell (VMJ). На поверхности МСЭ, свободной от р-n переходов, имеется изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика. Нанокластеры металлов размером 10-40 нм размещены либо непосредственно на поверхности МСЭ, либо между пассивирующим и антиотражающим покрытием, либо внутри изолирующей пленки, совмещающей функции пассивирующего и антиотражающего покрытий.

Известен солнечный элемент с вертикальными переходами, перпендикулярными рабочей поверхности (Vertical Multijunction Solar Cell with Textured Surface, US Patent No. 12/536987 от 6.08.2009). Увеличение эффективности преобразования солнечного излучения достигается текстурированием светоприемной поверхности с кристаллографической ориентацией (100), выполненной в виде V и U-образных конфигураций, расположенных нормально плоскости р-n переходов микроэлементов. Недостатком аналогов является относительно невысокий КПД фотопреобразователей.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения принят полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-р-р++-n-n+) диодными структурами, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом от 30° до 150° к рабочей поверхности генератора (Патент RU 2494496 от 27.09.2013). По всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия. В другом варианте по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещены пассивирующая и просветляющая пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.

Недостатком полупроводникового фотоэлектрического генератора является недостаточно высокая эффективность преобразования принимаемого спектра солнечного излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения и КПД кремниевого двухстороннего солнечного элемента.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что на кремниевом двухстороннем солнечном элементе, содержащем матрицы из последовательно скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-р-р+ структурой с базовой областью p-типа, у которых ширина базы соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда, а плоскости p-n переходов перпендикулярны рабочим поверхностям, на рабочих поверхностях, ориентированных в кристаллографической плоскости (111), над областью базы микрофотопреобразователей размещено пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом, а сверху над рабочими поверхностями размещено просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления кремниевого двухстороннего солнечного элемента, включающего химическую отмывку пластин, диффузионное легирование, металлизацию, сборку пластин в столбик, сплавлении металлизированных дисков, резку столбиков на элементы, пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом наносят методом атомно-слоевого осаждения, а просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм с положительным встроенным зарядом методом магнетронного распыления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема кремниевого двухстороннего солнечного элемента с n+-p-p+ - микрофотопреобразователями с базовой областью p-типа.

Устройство содержит: последовательно соединенные n+-p-p+-микрофотопреобразователи 1, базовую областью p-типа 1, n+-p переходы 2, легированный изотипный p+-слой 3, рабочие поверхности 4 и 7, внутренние металлические контакты 5, пассивирующее покрытие 6, просветляющее покрытие 8, внешние металлические контакты 9.

При этом n+-p-переходы и изотипные p-p+-переходы расположены перпендикулярно рабочим поверхностям, а ширина базы микрофотопреобразователей соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области. Пассивирующее покрытие 6 расположено над p и p+ областями базы, а просветляющее покрытие 8 - над областью металлизации, n+-p-переходом и пассивирующим покрытием 6. Толщины пассивирующих и просветляющих покрытий соответствуют первому порядку четвертьволнового просветления на длине волны 600 нм.

Кремниевый двухсторонний солнечный элемент работает следующим образом. Падающее на рабочие поверхности 4 и 7 электромагнитное излучение через просветляющее 8 и пассивирующее 7 покрытия поступает в объем фотопреобразователя. В эмиттерной 2 и базовой 1, 3 областях микрофотопреобразователей происходит поглощение фотонов, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем n+-р-переходов, что вызывает во внешней цепи солнечного элемента фототок,

Использование в качестве пассивирующих покрытий 6 материалов со встроенным электрическим зарядом, противоположным по знаку типу проводимости низлежащих слоев фотопреобразователя, приводит к созданию электрических полей, индуцирующих образование в приповерхностных слоях изотипных n+-n- и р+-р-переходов, отталкивающих неосновные носители заряда, генерируемые светом, от поверхности и снижающих эффективную скорость поверхностной рекомбинации. Чем больше величина встроенного электрического заряда, тем выше эффективность фотопреобразователя. Использование на рабочих поверхностях двухстороннего солнечного элемента кристаллографической ориентации (111) приводит к возрастанию в пассивирующих покрытиях величины встроенного заряда и увеличению, таким образом, эффективности преобразования электромагнитного излучения.

Применение двухслойных покрытий Al2O3-Si3N4 с толщинами, соответствующими первому порядку четвертьволнового просветления, и с оптимизированными для просветления кремния коэффициентами преломления (1,7 и 2,0 соответственно) приводит к дополнительному снижению потерь на отражение принимаемого солнечным элементом спектра солнечного излучения.

Одновременно с этим размер нанокластеров Al2O3 в пассивирующих покрытиях 6 (фиг. 1), полученных методом атомно-слоевого осаждения, подбирают таким, чтобы частота плазмонного резонанса нанокластеров соответствовала частоте падающего электромагнитного излучения, что позволяет переизлучать падающее излучение. Создается среда, в которой распространяется электромагнитная волна, что приводит к увеличению функции генерации неосновных носителей заряда и росту КПД кремниевого двухстороннего солнечного элемента.

Пример способа изготовления двухстороннего солнечного элемента

Двухсторонние солнечные элементы изготавливают из пластин монокристаллического кремния p-типа. Пластины отмывают, травят до толщины 0,3 мм и легируют фосфором и бором для образования основного n+-р- и изотипного p-p-переходов. Полученные диски с n+-р-р+ структурой металлизируют с двух сторон, собирают в столбики высотой b и сплавляют. Столбики режут на полоски по 0,4 мм, при этом плоскость реза ориентируют перпендикулярно плоскости пластин. Полученные заготовки размером a×b×0,4 мм (a - длина поперечного сечения) разрезают на элементы с нужной длиной 1 и общими габаритами кремниевого двухстороннего солнечного элемента 1×b×0,4 мм (ширина b=n×0,3 мм, n - количество последовательно соединенных микроэлементов фотопреобразователя). Плоскость реза ориентируют нормально плоскости сечения и длине микроэлементов. Первоначальная ориентация пластин и направление реза выбирают из условия получения рабочих поверхностей 1×b 4 и 7 (фиг. 1) с кристаллографической ориентацией плоскости (111). Торцы b×0,4 и рабочие поверхности полученных матричных структур травят. Рабочие поверхности пассивируют.

В качестве пассивирующего покрытий 6 над областью базы 1 используют пленку оксида алюминия толщиной 100 нм, полученную методом атомно-слоевого осаждения. Оксид алюминия Al2O3, нанесенный на рабочие поверхности, имеет плотность отрицательного заряда порядка 1013 см-2, коэффициент преломления n=1,7. Геометрические размеры пассивирующего покрытия 6 выделяют с помощью метода фотолитографии.

В качестве просветляющего покрытия над областью базы и пассивирующего покрытия над n+-областью эмиттера 8 используют пленку нитрида кремния толщиной 80 нм с величиной положительного встроенного заряда 8×10 см-2, полученную методом магнетронного распыления. Сочетание оптических, механических и диффузионных характеристик позволяет совмещать изолирующим пленкам 8 одновременно функции просветляющих и пассивирующих покрытий 9.

1. Кремниевый двухсторонний солнечный элемент, содержащий матрицы из последовательно скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-р-р+ структурой с базовой областью p-типа, у которых ширина базы соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда, а плоскости n+-р переходов перпендикулярны рабочим поверхностям, отличающийся тем, что на рабочих поверхностях, ориентированных в кристаллографической плоскости (111), над областью базы микрофотопреобразователей размещено пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом, а сверху над рабочими поверхностями размещено просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм.

2. Способ изготовления кремниевого двухстороннего солнечного элемента, включающий химическую отмывку пластин, диффузионное легирование, металлизацию, сборку пластин в столбик, сплавление металлизированных дисков, резку столбиков на элементы, отличающийся тем, что пассивирующее покрытие наноструктурированного оксида алюминия толщиной 100 нм с отрицательным встроенным зарядом наносят методом атомно-слоевого осаждения, а просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной 80 нм с положительным встроенным зарядом - методом магнетронного распыления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области солнечных фотоэлектрических преобразователей на основе монокристаллического кремния. Способ получения светопоглощающей кремниевой структуры включает нанесение на поверхность образца из монокристаллического кремния слоя ванадия толщиной от 50 нм до 80 нм, нагревание до температуры (430-440)°C в течение не менее 20 минут и выдержку в течение не менее 40 минут.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре.
Изобретение относится к технологии устройств нано- и микроэлектроники, нанофотоники. Сущность изобретения заключается в получении многослойной фотоактивной гетероструктуры на основе монолитно-стыкованных последовательно осажденных гидрогенизированных слоев микрокристаллического кремния µc-Si:H(i) и двуокиси кремния µc-SiO2(n), µc-SiO2(p) плазмохимическим осаждением с горячей нитью при температуре процесса, не превышающей 180°C, на подложки из боросиликатного стекла, на которые методом ВЧ-магнетронного осаждения наносится связующий слой толщиной не более 100 нм из прозрачного проводящего оксида, например ZnO, для улучшения адгезии и уменьшения плотности дефектов в микрокристаллической n-i-p гетероструктуре.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию. Предложена конструкция планарного преобразователя ионизирующих излучений, содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n (p) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n+ (p+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная p+ (n+) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности p+ (n+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом, при этом на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины n- (p-) типа проводимости расположены сильнолегированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные p+ (n+) области, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (n+) кольцевой областью, при этом верхняя горизонтальная p+ (n+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода) МОП структуру накопительного конденсатора, на верхней поверхности пластины также расположена n+ (p+) контактная область к пластине n- (p-) типа проводимости, на верхней и нижней поверхности горизонтальных p+ (n+) областей расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна соответственно к n+ (p+) контактной области и нижней горизонтальной p+ (n+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа - металла, образующие омические контакты соответственно с n+ (p+) контактной областью и нижней горизонтальной p+ (n+) областью, являющиеся электродами катода (анода) и анода (катода) соответственно p-i-n-диода.

Изобретение относится к солнечной энергетике и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую. Способ изготовления многопереходного солнечного элемента согласно изобретению включает последовательное формирование субэлемента из Ge с p-n переходом, первого туннельного диода, субэлемента Ga(In)As с p-n переходом, второго туннельного диода, субэлемента из GaInP с p-n переходом и контактного слоя из GaAs, нанесение тыльного омического контакта р-типа на тыльную сторону субэлемента из Ge и нанесение через первую маску первого омического контакта n-типа на контактный слой GaAs, удаление химическим травлением через вторую маску участков контактного слоя из GaAs, где отсутствует первый омический контакт, и нанесение на эти участки просветляющего покрытия, создание ступенчатой разделительной мезы путем травления через третью маску контактного слоя из GaAs и субэлемента из GaInP на глубину 0,2-0,4 мкм, осаждения через третью маску первого пассивирующего покрытия, вскрытия через четвертую маску первых окон в первом пассивирующем покрытии, осаждения второго омического контакта p-типа на вскрытые первые окна, травления через пятую маску, закрывающую второй омический контакт, субэлемента из GaInP и субэлемента из Ga(In)As до субэлемента из Ge, осаждения через пятую маску второго пассивирующего покрытия, вскрытия через шестую маску вторых окон во втором пассивирующем покрытии, осаждения третьего омического контакта n-типа на вскрытые вторые окна, травления через седьмую маску, закрывающую третий омический контакт, субэлемента из Ge на глубину 2-10 мкм и осаждения через седьмую маску третьего пассивирующего покрытия.
Изобретение относится к солнечной энергетике. Способ формирования активной n- области солнечных элементов включает процесс образования фосфоросиликатного стекла на поверхности полупроводниковой пластины из газовой фазы, при этом в качестве источника диффузанта используется жидкий источник оксихлорид фосфора (POCl3) при следующем соотношении компонентов: азот N2=280 л/ч, кислород O2=300 л/ч, кислород O2=15 л/ч, азот через питатель N2=14 л/ч.

Изобретение относится к технологии обработки поверхности полупроводниковых пластин, в частности к процессам очистки поверхности пластин между технологическими операциями, для изготовления солнечных элементов.
Изобретение относится к технологии изготовления солнечных элементов. Способ согласно изобретению заключается в том, что на поверхности подложки формируют тонкий слой пленки диоксида кремния за счет горения водорода и сухого кислорода в среде азота при расходе газов: N2=450 л/ч; H2=75 л/ч; O2=750±50 л/ч.

Изобретение относится к радиографии, в частности к системам цифрового изображения в рентгеновских и гамма-лучах с помощью многоканальных полупроводниковых детекторов на основе полуизолирующего арсенида галлия.

Изобретение относится к конструкции матричных полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения.

Настоящее изобретение относится к новым соединениям общей формулы (1), которые используются в качестве основы тонкой полупроводниковой пленки в структуре солнечной батареи, к композиции, содержащей соединения формулы (1), и к применению новых соединений.

Солнечный модуль в раме включает в себя солнечный модуль, имеющий солнечные элементы между парой листов. Солнечный модуль устанавливается в раме, предпочтительно замкнутой раме, имеющей непрерывное основание и V-образные вырезы или частично V-образные вырезы в вертикальных полках, где должны располагаться углы модуля.

Изобретение относится к герметизирующему материалу для солнечных батарей и модулю солнечной батареи, полученному при использовании герметизирующего материала. Герметизирующий материал содержит, по меньшей мере, адгезивный слой (I) и слой (II) композиции смолы (С), который содержит статистический сополимер этилена-α-олефина (А) с теплотой плавления кристаллов от 0 до 70 Дж/г, измеренной при скорости нагрева 10° С/мин посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), и блок-сополимер этилена-α-олефина (В), который имеет измеренные при скорости нагрева 10° С/мин посредством ДСК максимальную температура плавления кристаллов 100° С или выше и теплоту плавления кристалла от 5 до 70 Дж/г.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Фотоэлектрический модуль (1) содержит боковые стенки (2), фронтальную панель (3) с линзами Френеля (4) на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель (5), солнечные фотоэлементы (б) с байпасными диодами, планки (11), выполненные из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием (12), (13), и металлические платы (9) с регулярно расположенными углублениями (8) для солнечных фотоэлементов (6) и параллельными канавками (10) для планок (11).

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, использующих солнечное излучение для генерирования экологически чистой электроэнергии в больших объемах.

Изобретение относится к устройствам энергопитания космического аппарата, предназначенным для преобразования солнечной энергии в электрическую с максимальной эффективностью и удельной мощностью.

Изобретение относится к способу получения структурированного электропроводящего покрытия на подложке. Технический результат - предоставление способа получения структурированного металлического покрытия на подложке, при реализации которого формируют структурированный металлический слой с четко определенными кантами и краями, что позволяет напечатать картину с высоким разрешением и структурами малых размеров, применимую в солнечных батареях.

Изобретение относится к области создания детекторов излучения и касается фотоприемника ик-излучения с диафрагмой. Фотоприемник содержит держатель, фоточувствительный элемент, приклеенный на растре, и диафрагму.

Изобретение относится к области фотогальванических устройств, в частности тонкопленочных композитных материалов, пригодных для изготовления гибких высокоэффективных преобразователей солнечной энергии, и касается нанокристаллических слоев на основе диоксида титана с низкой температурой отжига для применения в сенсибилизированных красителем солнечных элементах и способов их получения.

Группа изобретений относится к области медицины. Искусственная сетчатка представляет собой матрицу сенселей, каждый из которых содержит светочувствительный элемент в виде фотодиода и электрод.
Наверх