Гетероструктурный фотоэлектрический преобразователь на основе кристаллического кремния


 

H01L31/0747 - 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 2632266:

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

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к изготовлению активных слоев солнечных модулей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния. Солнечный модуль на основе кристаллического кремния включает пластину поликристаллического или монокристаллического кремния; пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния; р-слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на верхнюю сторону пассивирующего слоя; n-слой, нанесенный на нижнюю сторону пассивирующего слоя; токосъемные слои, нанесенные на р-слой и n-слой. В качестве n-слоя применяют металлические оксиды n-типа, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания, или методом газофазного осаждения при пониженном давлении. В качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO) или SnО2, Fе2О3, TiΟ2, V2O7, МnO2, CdO и другие металлические оксиды n-типа. Изобретение позволяет повысить производительность процесса производства фотопреобразователей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к изготовлению активных слоев солнечных модулей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния.

Уровень техники

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.

Из уровня техники известен солнечный элемент, описанный в заявке РСТ (см. [1] WO 2014148443 (А1), МПК H01L 31/0236, опубликованная 25.09.2014), содержащий 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 р-типа толщиной 10-30 нм, а на другом слое аморфного кремния нанесен слой легированного аморфного кремния n-типа толщиной 10-30 нм.

В качестве наиболее близкого аналога принят солнечный элемент, описанный в заявке США (см. [2] US 2015090317, МПК H01L 27/142, H01L 31/0224, опубликованная 02.04.2015), содержащий фотоэлектрический преобразователь в виде пластины кристаллического кремния, покрытый проводящими слоями в виде аморфного кремния. В общем, заявка описывает HIT технологию с получением слоев p-i-n- и n-i-p-типа, при этом слои n- и р-типа получают PECVD методом.

Недостатком прототипа является ограниченный спектр материалов, который возможно получить PECVD технологией нанесения n-слоя.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является применение металлических оксидов в качестве n-слоя солнечного модуля на основе кристаллического кремния.

Техническим результатом является повышение производительности процесса производства фотопреобразователей, вызванное возможностью применение таких методов формирования n-слоя структуры, как магнетронное напыление, атомное наслаивание (ALD), газофазное осаждение при пониженном давлении (LPCVD).

Технический результат достигается за счет солнечного модуля, включающего пластину поликристаллического или монокристаллического кремния; пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния; р-слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на верхнюю сторону пассивирующего слоя; n-слой, нанесенный на нижнюю сторону пассивирующего слоя; токосъемные слои, нанесенные на р-слой и n-слой. В качестве n-слоя применяют металлические оксиды n-типа, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания (ALD), или методом газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD). В качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO) или SnO2, Fе2О3, ТiO2, V2О7, МnО2, CdO и другие металлические оксиды n-типа.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - структура солнечного модуля с использованием n-слоя, выполненного на основе металлического оксида.

Позиции, указанные на фигуре:

1 - пластина кристаллического кремния;

2 - пассивирующий слой;

3 - р-слой;

4 - n-слой металлического оксида, выполненный путем магнетронного распыления или методом атомного наслаивания, или методом газофазного осаждения при пониженном давлении;

5 - токосъемные слои.

Осуществление изобретения

Данное изобретение представляет собой солнечный модуль на основе кристаллического кремния, состоящий из пластины кремния (1), пассивирующих слоев (2), р-слоя (3), n-слоя на основе металлического оксида (4), токосъемных слоев (5).

Пластина кремния (1) может быть поликристаллической или монокристаллической с базовой областью n- или р-типа проводимости.

Пассивирующие слои (2) выполняют на основе аморфного гидрогенизированного кремния, карбида кремния, оксидных или прочих слоев, выполняющих функцию стабилизации поверхности кремниевой пластины и снижения поверхностной рекомбинации. В качестве р-слоя (3) применяют аморфный гидрогенизированный кремний р-типа ((р) a-Si:H), карбид кремния р-типа ((р) a-Si:Cl), оксид молибдена р-типа или другие материалы р-типа. В качестве токосъемных слоев (5) используют прозрачные проводящие оксиды (например, слой ITO). В качестве других элементов токосъема могут выступать дополнительные слои металлов, выполняющие так же функцию заднего отражателя (на пример серебряные или алюминиевые), медные или иные проводящие структуры, функцией которых является снижение последовательного сопротивления структуры. Под последовательным сопротивлением в данном случае подразумевается характеристика солнечного модуля, зависящая в том числе от элементов токосъема и способа их монтажа. Проводящие слои металлов, как правило, наносятся методом магнетронного распыления. Возможно также применение метода электролизного осаждения из раствора. Контактная сетка наносится методами трафаретной печати.

Основным отличием данного изобретения от аналогов является применение в качестве n-слоя металлического оксида (например, n-ZnO, или n-SnO2, n-Fе2О3, n-ТiO2, n-V2O7, n-МnО2, n-CdO и другие металлические оксиды n-типа), полученного методом магнетронного распыления, атомным наслаиванием (ALD), газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD) или иным способом.

Результатом данного технического решения является отказ от применение в качестве n-слоя аморфного кремния n-типа, что ограничивает диапазон возможных способов нанесения слов n-типа при изготовлении солнечного модуля на основе кремния.

Примером данного технического решения может служить нанесение оксида цинка n-типа методом магнетронного распыления.

1. Для этого пластина (1) проходит предварительную подготовку, включающую очистку. Так же возможно применение текстурированных пластин кремния.

2. Далее, на обе стороны пластины, наносятся пассивационный слои (2), которые могут быть представлены в виде слоев аморфного гидрогенизированного кремния, полученного методом PECVD (данный пример не ограничивает способы получения пассивирующих слоев).

3. Далее, на одну из сторон наносится р-слой (3), который может быть выполнен в виде аморфного гидрогенизированного кремния р-типа, полученного методом PECVD осаждения (данный пример не ограничивает способы нанесения р-слоев).

4. Далее, на сторону, противоположную стороне нанесения р-слоя, наносится слой металлического оксида n-типа, например оксида цинка, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания (ALD), или методом газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD).

5. После этого наносятся токосъемные слои, например слои ITO, методом магнетронного распыления. Далее производится нанесение дополнительных токосъемов, включая тыльный отражатель и другие элементы токосъема (например, металлические шины). Пример такой структуры представлен на Фиг. 1.

Пример

Структура состоит из пластины монокристаллического кремния n- или р-типа (фигура 1, поз. 1). Пластина проходит химическую очистку, в ходе которой с поверхности удаляется загрязнения и слой естественного оксида. Далее производится химическая пассивация поверхности водородом. После этого на пластину с каждой из сторон методом PECVD осаждения наносится слой аморфного гидрогенизированного кремния, толщиной порядка 3-5 нм (фигура 1, поз. 2), который стабилизирует и пассивирует поверхность пластины. Метод нанесения пассивирующего слоя может варьироваться. Например, для пассивации может использоваться метод ALD (при этом не используется слой аморфного кремния - Duttagupta S. et al. Excellent boron emitter passivation for high-efficiency Si wafer solar cells using AlOx/SiNx dielectric stacks deposited in an industrial inline plasma reactor //Progress in Photovoltaics: Research and Applications. - 2013. - T. 21. - №. 4. - C. 760-764.) или магнетронное распыление. Метод пассивации может зависеть от типа проводимости использованной пластины.

На следующем этапе с помощью магнетронного напыления на одну из сторон производится осаждение оксида молибдена, служащего р-слоем фотопреобразующей структуры (фигура 1, поз. 3). После нанесение р-слоя на противоположную сторону пластины наносится n-слой. В качестве n-слоя используется оксид цинка, легированный бором (фигура 1, поз. 4). Слой наносят методом магнетронного распыления. Для контактирования к полученной структуре наносятся слои токосъема, выполненные из индий-оловянного оксида (фигура 1, поз. 5). Для получения дополнительного просветляющего эффекта слои индий-оловянного оксида выполняются толщиной порядка 120 нм.

Отказ от применения в качестве n-слоя аморфного кремния n-типа в пользу металлических оксидов n-типа позволяет расширить диапазон возможных способов нанесения слоев n-типа при изготовлении солнечных модулей на основе кремния. Замена материала n-слоя с кремния на металлический оксид позволяет управлять напряжением на получаемой структуре путем изменения ширины запрещенной зоны n-слоя (ширина запрещенной зоны различна у различных оксидов).

Применение магнетрона позволяет применить конвейер и в случае применения двухстороннего магнетрона исключить необходимость переворота пластин. Уменьшение габаритов также является следствием применения магнетронов вместо PECVD реакторов (при применении PECVD реактора невозможно применение конвейера и в процессе необходимо переворачивать пластины (т.к. PECVD реакторы устроены таким образом, что пластины подложек должны быть расположены на одном из электродов)).

1. Гетероструктурный фотоэлектрический преобразователь на основе кристаллического кремния, включающий

- пластину поликристаллического или монокристаллического кремния;

- пассивирующий слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на каждую сторону пластины кремния;

- р-слой в виде аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенный на верхнюю сторону пассивационного слоя;

- n-слой, нанесенный на нижнюю сторону пассивационного слоя;

- токосъемные слои, нанесенные на р-слой и n-слой.

отличающийся тем, что

в качестве n-слоя применяют металлические оксиды n-типа, полученного методом магнетронного распыления или методом атомного наслаивания (ALD), или методом газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD).

2. Гетероструктурный фотоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического оксида n-типа используют оксид цинка (ZnO) или SnO2, Fe2O3, ТiO2, V2O7, MnO2, CdO или другие металлические оксиды n-типа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую в тонкопленочных полупроводниковых солнечных элементах. Способ контроля структурного качества тонких пленок для светопоглощающих слоев солнечных элементов заключается в том, что регистрируют излучение пленок при импульсном лазерном возбуждении, при этом уровень возбуждения устанавливают в диапазоне 10-200 кВт/см2 для возникновения стимулированного излучения с полушириной спектра Δλ~10 нм, и сравнивают интенсивности и полуширины спектров стимулированного излучения для определения относительного структурного качества пленок.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного беспроводного измерения различных физических величин, в частности температуры, давления, перемещения, магнитной индукции, ультрафиолетового излучения, концентрации газов и др., с помощью датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) при их облучении радиоимпульсами.

Многопереходный солнечный элемент для космической радиационной среды, причем многопереходный солнечный элемент имеет множество солнечных субэлементов, расположенных в порядке убывания запрещенной зоны, включающее в себя: первый солнечный субэлемент, состоящий из InGaP и имеющий первую запрещенную зону, причем первый солнечный субэлемент имеет первый ток короткого замыкания, связанный с ним; второй солнечный субэлемент, состоящий из GaAs и имеющий вторую запрещенную зону, которая имеет ширину, меньшую, чем первая запрещенная зона, причем второй солнечный субэлемент имеет второй ток короткого замыкания, связанный с ним; при этом в начале срока службы первый ток короткого замыкания меньше, чем второй ток короткого замыкания, так что эффективность AM0 преобразования является субоптимальной.

Согласно изобретению предложена эффективная солнечная батарея, выполненная многопереходной с защитным диодом, причем у многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода имеется общая тыльная поверхность и разделенные меза-канавкой фронтальные стороны, общая тыльная поверхность включает в себя электропроводящий слой, многопереходная солнечная батарея включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей и имеет расположенную ближе всего к фронтальной стороне верхнюю солнечную батарею и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею, каждая солнечная батарея включает в себя np-переход, между соседними солнечными батареями размещены туннельные диоды, количество слоев полупроводника у структуры защитного диода меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи, последовательность слоев полупроводника у структуры защитного диода идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи, причем в структуре защитного диода выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод, а между соседними защитными диодами размещен туннельный диод, количество np-переходов в структуре защитного диода по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи, на передней стороне многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода выполнена структура соединительного контакта, содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта выполнен состоящий из нескольких слоев полупроводника электропроводящий контактный слой, и эти несколько слоев полупроводника включают в себя туннельный диод.

Заявленное изобретение относится к технике преобразования световой энергии в электрическую и предназначено для преобразования световой энергии в электрическую. Заявленная оптопара содержит излучатель, фотоприемный элемент, закрепленные на корпусе, причем в качестве излучателя света использована шаровая лампа, в качестве фотоприемного элемента использована батарея солнечных элементов, корпус выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, на внешней боковой поверхности которого имеются распределители потенциала.

Штабелевидная интегрированная многопереходная солнечная батарея с первым элементом батареи, причем первый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaP с первой константой решетки и первой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и вторым элементом батареи, причем второй элемент батареи включает в себя слой из соединения InmРn со второй константой решетки и второй энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и третьим элементом батареи, причем третий элемент батареи включает в себя слой из соединения InxGa1-xAs1-yPy с третьей константой решетки и третьей энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, и четвертым элементом батареи, причем четвертый элемент батареи включает в себя слой из соединения InGaAs с четвертой константой решетки и четвертой энергией запрещенной зоны, а толщина слоя превышает 100 нм, и слой выполнен как часть эмиттера, и/или как часть базы, и/или как часть расположенной между эмиттером и базой области объемного заряда, причем для значений энергии запрещенной зоны справедливо соотношение Eg1>Eg2>Eg3>Eg4, и между двумя элементами батареи сформирована область сращения плат.

Солнечный концентраторный модуль (1) содержит боковые стенки (2), фронтальную панель (3) с линзами (4) Френеля на внутренней стороне фронтальной панели (3), тыльную панель (9) с фоконами (6) и солнечные элементы (7), снабженные теплоотводящими основаниями (8).

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания солнечных элементов. Метаморфный фотопреобразователь включает подложку (1) из GaAs, метаморфный буферный слой (2) и по меньшей мере один фотоактивный p-n-переход (3), выполненный из InGaAs и включающий базовый слой (4) и эмиттерный слой (5), слой (6) широкозонного окна из In(AlxGa1-x)As, где x=0,2-0,5, и контактный субслой (7) из InGaAs.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству каскадной солнечной батареи. Каскадная солнечная батарея выполнена с первой полупроводниковой солнечной батареей, причем в первой полупроводниковой солнечной батарее имеется р-n переход из первого материала с первой константой решетки, и со второй полупроводниковой солнечной батареей, причем во второй полупроводниковой солнечной батарее имеется р-n переход из второго материала со второй константой решетки, и причем первая константа решетки меньше, чем вторая константа решетки, и у каскадной солнечной батареи имеется метаморфный буфер, причем метаморфный буфер включает в себя последовательность из первого, нижнего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и второго, среднего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и третьего, верхнего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и метаморфный буфер сформирован между первой полупроводниковой солнечной батареей и второй полупроводниковой солнечной батареей, и константа решетки метаморфного буфера изменяется по толщине (по координате толщины) метаморфного буфера, и причем между по меньшей мере двумя слоями метаморфного буфера константа решетки и содержание индия увеличивается, а содержание алюминия уменьшается.

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 области оптико-электронного приборостроения и касается всенаправленного приемника-преобразователя лазерного излучения. Приемник-преобразователь включает в себя приемную плоскость, выполненную в виде трех круговых панелей, взаимно пересекающихся между собой перпендикулярно и симметрично.
Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим панелям, которые могут быть использованы в качестве элементов энергетических установок сверхлегких беспилотных летательных аппаратов.

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики. Тандемный металлооксидный солнечный элемент содержит два расположенных один под другим по ходу светового потока металлооксидных солнечных элемента (МО СЭ) на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного металлооксида, имеющих общий промежуточный токосъемный контакт, при этом согласно изобретению общий промежуточный токосъемный контакт размещен на стеклянной подложке, расположенной между верхним и нижним по ходу светового потока МО СЭ, на которую со стороны, обращенной к верхнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесен проводящий слой платины, являющийся для верхнего МО СЭ противоэлектродом, а с противоположной стороны стеклянной подложки, обращенной к нижнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесено проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием, служащее для нижнего МО СЭ проводящим электродом, при этом верхний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 400-650 нм, а нижний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 650-1000 нм.

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к конструкции и составу слоев фотоэлектрических преобразователей с несколькими переходами. Задачей заявляемого изобретения является создание фотоэлектрического преобразователя с несколькими р-n-переходами, отличающегося повышенным КПД за счет введения в состав фотопреобразователя близких по параметру решетки с кремнием слоев на основе многокомпонентных полупроводниковых соединений А2В4С52.

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для утилизации возобновляемых, вторичных тепловых энергоресурсов и тепловой энергии природных источников.

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием концентраторов солнечного излучения, и может быть использовано в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности.

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности касается концентраторов для солнечных батарей. Шарообразная солнечная батарея с многократным преломлением и отражением лучей в концентраторе выполнена в виде шара.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.

Изобретение относится к солнечной панели, используемой в хронометре стрелочного типа, таком как наручные часы, или в измерительном устройстве стрелочного типа, таком как счетчик, и к хронометру, включающему в себя солнечную панель.

Изобретение относится к пленкообразующим растворам, которые наносятся на полупроводниковую подложку для образования на ней желаемого диффузионного слоя. Предложен пленкообразующий раствор, включающий соединение бора, органическое связующее, диоксид кремния, предшественник оксида алюминия и воду и/или органический растворитель, применяемый для диффузии бора в кремниевую подложку с целью образования диффузионного слоя р-типа.

Изобретение относится к конструкции раскрывающихся солнечных батарей (СБ) космических аппаратов. СБ имеет гибкую плёночно-сотовую структуру, соты которой выполнены в виде четырех- или шестигранных пирамид. Пирамиды соединены друг с другом по ребрам своих воображаемых оснований. Фотоэлектрические преобразователи размещены на боковых гранях пирамид, принимая солнечное излучение со стороны указанных оснований. В развернутом положении СБ может иметь сферическую конфигурацию, в которой вершины всех пирамид сходятся в центре сферы. На рабочей поверхности СБ м.б. размещена защитная пленка со специальными свойствами. Сотовая конструкция СБ в развернутом положении м.б. ликвидирована путём ее нагрева до температуры испарения пленки или выше. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности СБ путём увеличения коэффициента поглощения за счет увеличения количества переотражений света от фотоприемного слоя внутри пирамид, а также – в снижении зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения и в упрощении технологии изготовления и эксплуатации СБ. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх