Конструкция монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя и способ ее изготовления



Конструкция монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя и способ ее изготовления
Конструкция монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя и способ ее изготовления
Конструкция монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя и способ ее изготовления

 


Владельцы патента RU 2608302:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к области многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), применяемых для солнечных батарей и фотоприемников космического и иного назначения. Монолитный кремниевый фотоэлектрический преобразователь содержит диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности, вертикальные p-n-переходы и расположенные в диодных ячейках, параллельно к светопринимающей поверхности, горизонтальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем все диодные ячейки последовательно соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, при этом каждая диодная ячейка (и их вертикальные p-n-переходы) изолирована от соседних с четырех сторон, сбоку - слоем диэлектрика, снизу - дополнительным горизонтальным p-n-переходом, образованным кремниевой подложкой p- (n-) типа проводимости и нижним горизонтальным n+ (p+) слоем p-n-перехода, причем на верхней горизонтальной поверхности диодной ячейки расположен верхний горизонтальный p-n-переход, на n+ (p+) слоях которого соответственно расположены электрод катода (анода), а на p+ (n+) слое - электрод анода (катода). Также предложен способ формирования монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента полезного действия, радиационной стойкости и технологичности многопереходных преобразователей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) применяемых в качестве приемников оптических излучений и солнечных батарей космического назначения.

Известны «традиционная» однопереходная (ОП) конструкция ФЭП с перпендикулярно расположенным к направлению потока светового излучения светопринимающей поверхности p+-n--n+ (p+-p--n+) перехода - горизонтальной диодной ячейки (ДЯ), на поверхности которого расположено светопросветляющее покрытие (фиг. 1а, б). Такие ФЭП имеют невысокий коэффициент полезного действия (КПД), около 14%, и не позволяют получить высокое значение выходного напряжения более 0,6 B, что ограничивает область их применения в солнечных батареях с концентраторами излучения [1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. 1972 г.].

Известна конструкция (фиг. 2) многопереходного (МП) кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них одиночными p+-n--n+ (p+-p--n+) переходами, в направлении, перпендикулярном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами [2. Патент РФ №2127472, опубл. 03.10.1999; 3. Е.Г. Тук и др. Характеристики кремниевого многопереходного солнечного элемента с вертикальными p-n-переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников. 1997 г. Т. 31, №7, с. 855-858].

Такой ФЭП обладают невысоким КПД, (менее 12%), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода, примыкающего к фоточувствительной поверхности ФЭП.

Известна, взятая за прототип (фиг. 3), конструкция МП кремниевого монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки с расположенными в них, перпендикулярно горизонтальной (перпендикулярно к направлению света) светопринимающей поверхности, вертикальных p+-p--p+ (p+-n--n+) переходов и расположенными в солнечных элементах параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальных n-p- (p+-n-) переходов, все переходы соединены в единую конструкцию (электрическую схему) металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на боковых поверхностях областей - n+ (p+) типа перпендикулярных одиночных n+-p--p+ (p+-n--n+) переходов [4. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009].

Способ ее изготовления, включающий

- формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных p+-n--n+ (p+-p--n+) переходов, металлизацию поверхности пластин, сборки пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавления в вакуумной печи, резанья столбика на структуры, формирование горизонтальных p+-n+ переходов, присоединения токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия.

Недостатками конструкции прототипа также является низкая радиационная стойкость, ограничение величины КПД фотопреобразователя, связанные с превышением планарных размеров ячеек диффузионной длины неосновных носителей заряда, а также технологическая проблемы, связанные с «ручной» сборкой стопки пластин, ее механической резки и шлифовки поверхности.

Целями изобретения является повышение радиационной стойкости и КПД фотопреобразователя и упрощение технологии его изготовления.

Первая и вторая цели достигаются путем создания «монолитной» конструкции ФП, в которой каждая диодная ячейка (и их вертикальные p-n-переходы) изолирована от соседних сбоку - слоем диэлектрика, снизу - дополнительным горизонтальным p-n-переходом, образованным подложкой p- (n-) типа проводимости и нижним горизонтальным n+ (p+) слоем p-n-перехода, на горизонтальной верхней поверхности ячейки расположен верхний горизонтальный p-n-переход, на n+ (p+) слое которого расположен электрод катода (анода), а на p+ (n+) слое - электрод анода (катода), электроды анодов и катодов соседних ячеек последовательно соединены между собой.

При этом планарные размеры диодных ячеек много меньше диффузионной длины неосновных носителей тока, а вертикальные превышают величину глубины поглощения оптического спектра излучения (40 мкм).

Третья цель достигается путем применения технологии ФЭП, исключающей механическую сборку и резку кремниевых пластин, состоящей в формировании на поверхности подложки p- (n-) типа слоя n+ (p+) типа нижнего горизонтального p-n-перехода, наращивания эпитаксиального слоя и формирования путем проведения первой и второй фотолитографий на его поверхности n+ (p+) слоев верхнего горизонтального p-n-перехода, формирования рельефа путем проведения третьей фотолитографии и травления щелей в кремнии на глубину, превышающую глубину залегания нижнего горизонтального p-n-перехода, формирования вертикальных p-n-переходов путем проведения диффузии донорной (акцепторной) примеси в поверхность щелей, термического окисления поверхности щелей, осаждения на поверхность пластины диэлектрического светопросветляющего покрытия, формирования четвертой фотолитографией контактных окон, осаждения металла и формирования пятой фотолитографией последовательно соединенных между собой электродов анода и катода ячеек фотопреобразователя.

Конструкция и топология (вид сверху) монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя показаны соответственно на фиг. 4,.б, который согласно изобретению содержит полупроводниковую подложку 1 p (n) типа, на поверхности которой расположены диодные ячейки 2, на верхней поверхности каждой диодной ячейки расположено светопросветляющее покрытие 3, оно расположено на поверхности верхнего горизонтального p-n-перехода, на области n (p+) 5 которого расположен электрод катода (анода) 6, а на области p+ (n+) которого расположен электрод анода (катода) 7, электроды катодов 6 и анодов 7 соседних ячеек последовательно соединены металлическими проводниками 8, на нижней поверхности диодных ячеек расположена n+ (p+) область нижнего горизонтального p-n-перехода 9, образующая p-n-переход с подложкой 1 p (n) типа проводимости и слаболегированной областью p- (n-) 10, расположенной в объеме диодной ячейки, при этом область 10 образует с четырьмя областями n+ (p+) типа 11, расположенными на ее боковых поверхностях, вертикальные p-n-переходы, диодные ячейки ФЭП изолированы друг от друга с четырех боковых сторон слоем диэлектрика 12.

Технология изготовления. (Пример реализации) ФЭП, согласно изобретению, может быть изготовлен по относительно простой технологии, показанной на фиг. 5а, б, в, г, которая состоит в следующем:

а) в пластинах p--типа КДБ 1 Ом⋅см проводят диффузию сурьмы при температуре T=1100°C в течение времени t=1 час, затем выращивают эпитаксиальный слой p-типа толщиной 20-40 мкм;

б) формируют путем проведения первой фотолитографии и ионного легирования фосфора дозой Д=500 мкКл n+-область верхнего горизонтального p-n-перехода, затем проводят вторую фотолитографию формируют ионным легированием дозой Д=500 мкКл p+-верхнего горизонтального p-n-перехода, удаляют фоторезист и проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т=950°C в течение времени t=40 минут;

в) формируют рельеф поверхности на глубину превышающую глубину залегания нижнего горизонтального p-n-перехода - путем проведения третьей фотолитографии и плазмохимического травления щелей (решетки) в эпитаксиальном слое и кремнии. Затем формируют вертикальные p-n-переходы путем проведения диффузии фосфора T=850°C в течение t=30 минут в поверхность щелей. Проводят термическое окисление поверхности щелей, при температуре T=850°C в течение 20 минут в атмосфере сухого кислорода - O2), осаждают на поверхность пластины диэлектрическое светопросветляющее покрытие и формируют четвертой фотолитографией контактные окна, осаждают алюминий и формируют пятой фотолитографией последовательное соединение между собой электродов анода и катода диодных ячеек фотопреобразователя.

Следует отметить, что с целью дальнейшего упрощения технологии области n+-типа вертикальных p-n-переходов могут быть инверсионными слоями образованными положительным зарядом в оксиде щелей в результате облучения фотопреобразователя, например потоком ионизирующей радиации от изотопа кобальт-60 дозой свыше 1,0 Мрад.

Электрическая эквивалентная схема предлагаемого ФЭП. показанная на рис. 6 отличается от известных наличием, изолирующих диодов - Dиз.

Здесь обозначены:

- Dяч – диоды, образованные p-n-переходами диодных ячеек;

- Dиз – диоды, образованные изолирующими p-n-переходами нижний n+ (p+) горизонтальный слой -p+ (n+) подложка

Технические преимущества изобретения.

Как видно из фиг. 3, 4 и 5, ширина диодной ячейки (ее один из размеров по горизонтали, равный расстоянию между щелями) может быть весьма малой, т.е. 10 мкм и менее, что существенно меньше диффузионной длины неосновных носителей тока. Это позволяет собирать практически все носители заряда, генерируемые в дали (середине) p-области. Данное обстоятельство соответственно приводит к большему КПД ФЭП, его малой чувствительности к радиации уменьшающей время жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда. Вторым фактором является высокое качество поверхности на границе раздела кремний проводник по сравнению в предлагаемой конструкции качеством поверхности границы раздела кремний-металл в прототипе, приводящее к увеличению рекомбинации носителей тока и соответственно КПД ФЭП.

Преимущества по технологии изготовления заключаются в отсутствии необходимости механической резки пластин, сборки и сплавления их в стопку, а затем механической полировки их поверхности.

Несмотря на несколько более высокую стоимость, по сравнению с традиционными планарными батареями, монолитные ФЭП вполне конкурентоспособны и перспективны, учитывая их высокий КПД, высокую радиационную стойкость и соответственно возможность их работы с концентраторами излучения.

1. Конструкция монолитного кремниевого фотоэлектрического преобразователя, содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности, вертикальные p-n-переходы и расположенными в диодных ячейках, параллельно к светопринимающей поверхности, горизонтальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем все диодные ячейки последовательно соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, отличающаяся тем, что каждая диодная ячейка (и их вертикальные p-n-переходы) изолирована от соседних с четырех сторон, сбоку - слоем диэлектрика, снизу - дополнительным горизонтальным p-n-переходом, образованным кремниевой подложкой p- (n-) типа проводимости и нижним горизонтальным n+ (p+) слоем p-n-перехода, причем на верхней горизонтальной поверхности диодной ячейки расположен верхний горизонтальный p-n-переход, на n+ (p+) слоях которого соответственно расположены электрод катода (анода), а на p+ (n+) слое - электрод анода (катода).

2. Способ изготовления конструкции, включающий формирование на поверхности пластины из монокристаллического кремния вертикальных и горизонтальных p-n-переходов, металлизацию поверхности пластины, отличающийся тем, что на поверхности кремниевой пластины-(подложки) p- (n-) типа формируют слой n+ (p+) типа проводимости нижнего горизонтального p-n-перехода, затем наращивают эпитаксиальный слой, и формируют путем проведения первой и второй фотолитографии на его поверхности n+ (p+) слои верхнего горизонтального p-n-перехода, затем формируют рельеф путем проведения третьей фотолитографии и травления щелей в кремнии на глубину, превышающую глубину залегания нижнего горизонтального p-n-перехода, затем формируют вертикальные p-n-переходы путем проведения диффузии донорной (акцепторной) примеси в поверхность щелей, проводят термическое окисление поверхности щелей, осаждают на поверхность пластины диэлектрическое светопросветляющее покрытие, формируют четвертой фотолитографией контактные окна, осаждают металл и формируют пятой фотолитографией последовательное соединение между собой электродов анода и катода диодных ячеек фотопреобразователя.

3. Способ изготовления по п. 2, отличающийся тем, что области n+-типа вертикальных p-n-переходов являются инверсионными слоями, образованными положительным зарядом в оксиде щелей в результате облучения фотопреобразователя потоком ионизирующей радиации.



 

Похожие патенты:

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на этой поверхности.

Способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs включает выращивание методом жидкофазной эпитаксии на подложке n-GaAs базового слоя n-GaAs, легированного оловом или теллуром, толщиной 10-20 мкм и слоя p-AlxGa1-xAs, легированного цинком, при х=0,2-0,3 в начале роста и при х=0,10-0,15 в приповерхностной области слоя, при этом выращивание слоя p-AlGaAs ведут при температуре 600-730°С в течение 20-50 мин, за это время осуществляется формирование диффузионного р-n перехода в GaAs с образованием эмиттерного слоя p-GaAs толщиной 1-2 мкм, осаждение тыльного контакта термическим вакуумным напылением, отжиг осажденного тыльного контакта в атмосфере водорода, осаждение через маску фоторезиста лицевого контакта термическим вакуумным испарением и отжиг осажденного лицевого контакта в атмосфере водорода, металлизацию лицевого контакта гальваническим осаждением через маску из фоторезиста при одновременном осаждении золота на тыльную поверхность, разделительное травление структуры через маску из фоторезиста на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.

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.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений - бетаисточников в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает создание двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений бета-источников в электрическую энергию. Создание оригинальной планарной конструкции высоковольтного преобразователя реализуется по стандартной микроэлектронной технологии.

Изобретение относится к способу придания супергидрофобных свойств поверхности металла. Воздействуют на упомянутую поверхность сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне, осуществляют перемещение упомянутого луча относительно упомянутой поверхности по заранее заданному закону.

Способ формирования туннельного перехода (112) в структуре (100) солнечных элементов, предусматривающий попеременное осаждение вещества Группы III и вещества Группы V на структуре (100) солнечных элементов и управление отношением при осаждении указанного вещества Группы III и указанного вещества Группы V.

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.

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 полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей.

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на этой поверхности.

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.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фотоэлектрическим преобразователям солнечной энергии. Фотоэлектрический преобразователь на основе изотипной варизонной гетероструктуры из полупроводниковых соединений A3B5 и/или A2B6 содержит полупроводниковую подложку и изотипный с подложкой фотоактивный слой, просветляющий слой и омические контакты.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений - бетаисточников в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает создание двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений бета-источников в электрическую энергию. Создание оригинальной планарной конструкции высоковольтного преобразователя реализуется по стандартной микроэлектронной технологии.

Изобретение относится к многослойному пакету на подложке для использования в качестве капсулы. Многослойный пакет содержит: один или более неорганических барьерных слоев для снижения переноса через них молекул газа или пара; неорганический химически активный слой, содержащий неорганический связующий материал и расположенный смежно с одним или более неорганическими барьерными слоями, и химически активный слой обладает способностью вступать в реакцию с молекулами газа или пара.

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.

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.

Настоящее изобретение относится к использованию производных фуллеренов в оптоэлектронных устройствах, таких как фотовольтаические ячейки, формулы (I): , где F - [60]фуллерен или [70]фуллерен, М представляет собой COOH, r представляет собой целое число от 2 до 8, Z представляет собой группу -(СН2)n-, Ar, или -S-, n представляет собой число от 1 до 12, Y представляет собой алифатическую С1-С12 углеродную цепь, Ar представляет собой фенил, бифенил или нафтил и X представляет собой Н, Cl или независимую от Y С1-С12 углеродную цепь.

Настоящее изобретение относится к модулю сенсибилизированных красителем солнечных элементов (1), который включает по меньшей мере два сенсибилизированных красителем солнечных элемента (2a-c), расположенных рядом друг с другом и соединенных последовательно. Модуль сенсибилизированных красителем солнечных элементов включает пористую изоляционную подложку (7), первый электропроводный слой (4), представляющий собой пористый электропроводный слой, сформированный на одной стороне пористой изоляционной подложки, и второй электропроводный слой (5), представляющий собой пористый электропроводный слой, сформированный на противоположной стороне пористой изоляционной подложки. Последовательный соединительный элемент (6) проходит через пористую изоляционную подложку и проходит между первым электропроводным слоем одного из солнечных элементов и вторым электропроводным слоем соседнего солнечного элемента, в результате чего создается электрическое соединение первого электропроводного слоя одного из солнечных элементов со вторым электропроводным слоем соседнего солнечного элемента. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления модуля сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Увеличение выходного напряжения сенсибилизированного красителем солнечного элемента за счет использования последовательного соединительного элемента, изготовленного с использованием печатной технологии, образованного электропроводящим пористым слоем, проходящим через пористую изоляционную подложку, является техническим результатом изобретения. Кроме того, предложенный модуль является тонким и имеет компактную конструкцию, что упрощает осуществление последовательного соединения солнечных элементов. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх