CN102187469A - 电磁辐射转换器和电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体电子装置并且可以用于生产高效宽带电磁辐射转换器，用于将光学可见和光学不可见范围中的入射辐射直接转换为电动势。本发明的电磁辐射转换器包括半导体基板，在其正面上形成N＝1个第一传导类型离散局部区，并且由于所述基板具有第二传导类型，因此上述第一传导类型区与基板一起形成组合为电流节点的N＝1个p-n结。此外，越过第一传导类型区在基板正面上形成生成针对少数电荷载流子的排斥同型势垒的同型结。较之本领域中已知的转换器，本发明的转换器设计使其能够在更宽的电磁辐射频率范围中操作，由此促进其性能因素和功率的增加，并且实现其输出特性的高精度和稳定性。还公开了由所述类型的转换器形成的电池。

Description

电磁辐射转换器和电池

技术领域

本发明涉及宽带电磁辐射(EMR)转换器以及基于其的电池和模块，用于将光学可见和不可见、IR、UV、X射线和更高频带中的入射辐射直接转换为电动势(EMF)。

背景技术

当前已知的基于半导体的光电转换器(PEC)(参见例如，AlferovZh.I.，Andreev V.M.，Rumyantsev V.D./Development Trends andProspects of Solar Power Engineering.//Semiconductor Physics andTechnology，2004，Vol.38，Issue 8，PP 937-948；Meitin M./Photovoltaics：Materials，Technologies，Prospects//Electronics：Science，Technology，Business，2000，No.6，PP 40-46；Konstantinov P.B.，Kontsevoy Yu.A.，Maksimov Yu.A.，Silicon Solar Cells，Moscow，MIREA Publishers，2005，70PP)能够转换太阳EMR的窄的光谱带。其包括可见频带(10¹⁴-10¹⁵Hz)，可见频带包括IR频带(略低于10¹⁴Hz)和UV频带(略高于10¹⁵Hz)的有限的份额，其在良好的气象条件下在白昼时间期间到达地表(Alferov Zh.I.，Andreev V.M.，Rumyantsev V.D./Development Trendsand Prospects of Solar Power Engineering.//Semiconductor Physics andTechnology，2004，Vol.38，Issue 8，PP 937-948)。因此，到达地表的EMR的相当大的份额被排除在转换范围外。

同时，长的波长，即太阳EMR光谱的IR部分(低于10¹⁴Hz)构成了达到43.5％的相当大的份额。由于具有辐射能量形式的波长高达4μm的IR光谱的相当大的份额自由地到达地表而没有损失，因此EMRIR部分得到了全球太阳能发电工程的特别关注。基于Seebeck在1821年发现的热电效应的转换器已在现有技术中用于转换IR光谱。

尽管EMR光谱的短波长部分，特别是UV辐射在太阳光谱中的份额小(约5％)，但是其由于高的光子能量值而受到不少关注。尽管可见光谱中的光子能量达到3.3eV，但是在UV区中光子能量是3.3至120eV，并且具有3.3至5.5eV的能量的光子(地球的臭氧层不构成对其的阻碍)容易到达地表。因此，特别是对于光谱吸收最大值之一位于短波区中的诸如硅的半导体，对于基于空间和地面的SC结构，短波长部分得到了相当大的关注。

基于光伏效应和热电效应的所有当前转换器的限制在于它们的低效率。对于由无定形硅制成的PEC，当前可获得的转换效率是5-6％，对于由单晶硅制成的PEC，当前可获得的转换效率是12-15％，对于由砷化镓制成的PEC，当前可获得的转换效率是20-24％，并且对于多级转换器，当前可获得的转换效率是36％。此外，后面的PEC的成本相差超出一个数量级。基于热电效应的转换器的效率也是低的，为3-5％。限制半导体太阳能电池单元的效率的主要原因如下(Alferov Zh.I.，Andreev V.M.，Rumyantsev V.D./Development Trends and Prospects ofSolar Power Engineering.//Semiconductor Physics and Technology，2004，Vol.38，Issue 8，PP 937-948；Meitin M./Photovoltaics：Materials，Technologies，Prospects//Electronics：Science，Technology，Business，2000，No.6，PP 40-46；Konstantinov P.B.，Kontsevoy Yu.A.，Maksimov Yu.A.，Silicon Solar Cells，Moscow，MIREA Publishers，2005，70PP)：

1)来自转换器表面的EMR反射；

2)一部分EMR透射通过转换器而未在其中被吸收；

3)因晶格热振动引起的EMR光子的过度能量散射；

4)转换器中的所生成的EHP的表面和本体复合；

5)转换器的内阻。

太阳能电池单元或PEC是在由例如硅的半导体材料制成的晶片(基板)上形成的。

在具有特定传导类型(即p型或n型)的晶片中，借助于掺杂掺杂剂建立了电子-空穴结以确保形成具有相反的传导类型的表面层。该层中的掺杂剂的浓度必须远超过其在基本(初始)材料中的浓度，以便于在其中可获得的主要自由电荷载流子被中和并且建立相反的传导类型。

随后，制造下和上电气接触，针对遮蔽表面的下接触典型地是连续的，而上接触被形成为梳状结构(基于转换器暴露表面的5-10％遮蔽的彼此间距2000-3000μm的具有100-250μm的宽度的带，并且其由相对较宽的总线连接)。p型和n型半导体的接触导致了它们之间的接触电场的产生，其对太阳能电池单元的操作是极为重要的。

为了建立排斥场并且改进欧姆接触，在遮蔽表面上晶片表面进一步进行二次掺杂(subdope)。

当组合为单晶时，p型和n型半导体引起从n型半导体到p型半导体的电子扩散流，以及相反地从p型半导体到n型半导体的空穴流。作为该过程的结果，与p-n结相邻的p型半导体部分将具有负电荷，并且相反地，与p-n结相邻的n型半导体部分将具有正电荷。因此，在p-n结的近区中，形成了双荷电层，其抵消电子和空穴的扩散过程。事实上，扩散趋向于建立从n区到p区的电子流，而相反地，荷电层场趋向于使电子回到n区。按相同的方式，p-n结中的场抵消从p区到n区的空穴扩散。结果，建立了平衡状态：在p-n结的区中形成了势垒，为了克服该势垒，来自n半导体的电子和来自p半导体的空穴必须消耗一定的能量。

如上文提到的，传统的连续单结转换器是在p或n传导类型的半导体上形成的。由于电流的主导扩散分量和电子e^-的迁移率和空穴h⁺的迁移率的差别，p型硅基板是优选的，其中少数电荷载流子(MCC)，即电子的迁移率比空穴的迁移率高三倍。然而，进一步的讨论对于任何p或n传导类型的半导体(Ge、Si、GaAs等)将是适用的，在公开的设计中，由于h⁺和e^-的迁移率的差别，p传导类型的硅通常是优选的。为了简化本发明的转换器实施例的讨论，n传导类型在传统上被称为第一传导类型，而p传导类型被称为第二传导类型(相应的，第一传导类型区和第二传导类型区)。

在热动平衡下的传统的单结n⁺p^-p⁺型结构中，PEC或SC包括具有其本征性质的通用p-n结。由于来自n⁺和p⁺区的多数电荷载流子的扩散，使空间电荷区(SCR)留在它们的界面处并且生成了具有强度E的电场，其电场力F＝qE防止空穴h⁺从p区到n区以及电子e^-从n区到p区的扩散迁移。这些竞争过程导致了，p区和n区的掺杂水平相差越大，接触势差

就越大。对于大部分硅基p-n结，

是0.5至0.9V，其足够用于制造高性能SC。然而，接触势差越高，由于非平衡的少数电荷载流子(NeCC)必须克服的势垒(PB)更高，即能量低于PB能量的NeCC将不能克服该PB并且将在半导体本体中无用地复合，因此对通过p-n结的扩散电流的阻挡就越大。

n⁺层中的h⁺NeCC的寿命是可忽略地小的，高度依赖于扩散条件，并且因形成的位错和具有SiP沉淀物的形式的过度磷释放而下降。具有高SiP沉淀物含量的表面近区中的n⁺层通常被称为死层，这是因为该区是电气不活跃的，即在硅晶格的点中不存在磷。然而，该层并非是严格电气不活跃的：一方面，这归因于h⁺的低寿命；此外，由于沉淀物上的散射，h⁺的扩散速率减慢，使得光电电流中未牵涉NeCC(在该情况中是以吸收最活跃的“蓝色”光谱带为代价而形成的n⁺)，即n⁺层用于使电磁辐射光谱的高频分量截止(Reivi K.，Defects and Dopants inSemiconducting Silicon，Moscow，Mir Publishers，1984，470PP)。n⁺层中的自由多数电荷载流子，即电子的高含量改变了硅的反射率：掺杂水平越高，反射率就越高(Zaveryuikhin B.N.，Zaveryuikhina N.N.，Tursunkulov O.M./ Changes in the Reflection Factor of Radiation fromthe Semiconductor Surface within the Spectral Ran

就是说，n⁺层中的高电子含量是使EMR短波光谱的相当大的部分截止的原因。因此，该层被制造为尽可能薄以提高PEC效率，这进而可能增加PEC内阻。换言之，在原理上限制现有技术的PEC的效率的竞争过程是在其相同结构中是设计上固有的。

在专利文献中已知用于消除这些限制效率的因素的各种技术。

借助于相当精密和复杂的技术，实现了高达25％的硅太阳能电池单元的效率(Green M.A et al.，25％Efficient Low-Resistivity SiConcentrator Solar Cells.IEEE Electron Device Letters.1986，PP.583-585)。

当设计和制造同质SC时，特别强调使收集n⁺层优化化。

已知一种用于优化n⁺层参数的方法[Konstantinov P.B.，KontsevoyYu.A.，Maksimov Yu.A.，Silicon Solar Cells，Moscow，MIREA Publishers，2005，70PP]。由于通过扩散避免SiP沉淀物和确保优化的掺杂水平是相当困难的，因此该层被制造为薄的并且具有低掺杂水平。借助于离子注入掺杂并入磷使得可能克服所述障碍，然而，在硅中出现的扰动在其发生时使p^-层中的e^-NeCC的寿命显著降低，由此限制了长波红色光谱区域。然而，n⁺层的出现深度和掺杂水平不能被减小到超小的值，否则所谓的“表面”电阻(扩展电阻)将增加，并且因此SC串联电阻将增加。

JP 3206350 B2，26.01.1995公开了一种用于借助于在n层下面形成p⁺层来增加接触压降

的方法，其中SC被提供为在n层下面形成p⁺层用于增加压降，即开路电压。尽管根据计算，该结构设计可对效率提高有贡献，但是这种提高不明显。针对在Si的反射性质方面可接受的掺杂浓度N计算的值是：对应于p-Si传导率p＝10Ohm·cm，对于N_{si- n+}＝10¹⁹和N_si-p+＝10¹⁸，

＝0.73V；对于N_si-n+＝10¹⁹和N_si-p+＝10¹⁵，＝0.53V。

事实上，由于高度掺杂区的界面处的生成-复合过程，这种差异将变小。

已知一种用于借助于增加热过程中的MCC寿命来减少复合的方法(RU 2139601 C1，04.12.1998)，其中使硼和磷同时从施加源扩散(吸除)；使正表面纹理化；建立浅的n⁺收集区；实现了高达16.6％的效率。

已知一种用于借助于在收集层下面提供嵌入的n⁺⁺层以减小转换器串联电阻为代价提高效率的方法(Goodrich J.，Chaple-Sokol.，AllendoreG.，Frank R.，The etched multiple vertical junction silicon photovoltaiccell//Solar Cells.1982.Vol.6，N 1.P.87-101)；发明人成功地实现了18.5％的效率。

已知一种用于通过实现“点接触”类型金属化图案来减少表面复合损失的技术(Aberie A.G.，Altermatt P.P.，Heizer G，Robinson S.J.，Limiting loss mechanisms in 23％efficient silicon solar cells /J.Appl.Phys.1995.Vol.77，N 7.P/3491)，其实现了23％的效率。

已知一种用于通过使用光刻表面纹理化的方法减少光损失来提高效率的方法(DE 10127382 A1，06.06.2001)，其中使用具有高MCC寿命和高质量热氧化物的波段硅；实现了高达23-25％的效率。

再者，已知一种通过使用基于Si₃N₄、TiO₂的抗反射涂层或者具有超过1.8的折射率的其他膜来涂覆暴露表面(Alferov Zh.I.，AndreevV.M.，Rumyantsev V.D./Development Trends and Prospects of SolarPower Engineering.//Semiconductor Physics and Technology，2004，Vol.38，Issue 8，PP 937-948；Meitin M./Photovoltaics：Materials，Technologies，Prospects//Electronics：Science，Technology，Business，2000，No.6，PP 40-46)或者(与抗反射涂层同时)使用透明电流传导TCO或ITO层并且在叠层下面使用线栅系统(Untila G.G.，Kost T.N.，ZaksM.B.，et al./A New Type of High-Performance Double-Sided Silicon SolarCells with Front-Side buses and a Wire Grid//Semiconductor Physicsand Technology，2005，Vol.39，Issue 11，PP.1393-1398)来减少光损失的方法，其实现了17.7％的效率。

以抗反射涂层为代价减少光损失是一种经良好证实的技术。其成功消除入射光的几乎全部反射。然而，这不会导致已进入内部的EMR的转换的实质改进，并且在最佳情况下效率仅提高几个百分点。

已知一种具有竖直槽的转换器，所述转换器具有连续的n⁺区，由于非平衡电子必须行进长距离以到达n⁺层，因此需要高的MCC寿命以确保“蓝色”区中的良好性能，并且作为其主要缺陷，具有复杂的制造技术和高成本[Goodrich J.，Chaple-Sokol.，Allendore G.，Frank R.，Theetched multiple vertical junction silicon photovoltaic cell//Solar Cells.1982.Vol.6，N 1.P.87-101]；所实现的效率总计18.5％。

已知一种转换器(US 6,998,288 B1，14.02.2006)，其配备有正面反射排斥层和背面(遮蔽)梳接触系统，其效率达到20％。在该情况中，在NeCC的集流中，即在电池单元内阻中牵涉未掺杂的正面层，从而该正面层可以被提供为薄的并且被适度掺杂。这些系统在技术上易于实现，然而这与许多条件关联：昂贵的基本材料，即应满足许多严格要求(高寿命和高同质性)的区熔硅。就是说，所有技术应被应用以便于维持NeCC寿命，否则短波光谱区域中的效率将损失，这是因为对于给定的小扩散长度，已形成的NeCC的本体复合将在达到相同的集流电极之前发生，从而必须减少基本半导体厚度，这依次将导致长波光谱区域中的损失。

最后，已知多级转换器(Alferov Zh.I.，Andreev V.M.，RumyantsevV.D./Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering.//Semiconductor Physics and Technology，2004，Vol.38，Issue 8，PP 937-948；Meitin M./Photovoltaics：Materials，Technologies，Prospects//Electronics：Science，Technology，Business，2000，No.6，PP 40-46)，其效率达到36％。如上文提到的，大部分SC基于单结器件。在单结电池单元中，自由电荷载流子仅由能量超过或等于禁带宽度(FBW)的光子生成。该SC的光电响应限于能量超过FBW的太阳光谱带，而低能量光子未被使用。使用由两个或更多个具有不同FBW的SC组成的多层结构可以克服该限制。这种电池单元被称为多级或多结电池单元。在当前技术状态下，它们的主要缺陷在于复杂的制造技术和高成本。然而，研究人员(Alferov Zh.I.，Andreev V.M.，Rumyantsev V.D./Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering.//Semiconductor Physics and Technology，2004，Vol.38，Issue 8，PP 937-948；Meitin M./Photovoltaics：Materials，Technologies，Prospects//Electronics：Science，Technology，Business，2000，No.6，PP 40-46)预测了多级转换器的广阔的未来。

应当注意，所有现有技术的转换器结构具有共同的特征：相对大面积的连续(整体固体)收集n⁺层，其因高的表面电阻而限制了它们的效率。此外，所有转换器生成的电流包括总电流的扩散分量。

低效率导致了使用这种转换器产生的电能的高成本。在理论上，除了多级转换器之外，它们的效率等级不超过吸收能量的25％。同时，EMR的最高能量UV和更高的光谱区域以及长波长的IR光谱区域未被转换。同时，UF(高频)和更高的太阳光谱区域的转换，特别是应用于硬UV和伦琴辐射的转换构成了航天器的电力不足的主要解决方案；并且长波EMR范围的低频(LF)的转换可能提供对全球能源需求的解决方案，一般地，扩宽可转换频谱将导致“替代”电能的重要的成本降低。

现今，一瓦特的“替代”电能(即通过EMR转换产生)的全球市场成本是6-7美元。然而，该成本的约一半是因为硅的成本。目前，仅有诸如德国、日本、美国的几个国家能够负担替代性的太阳能发电工程的大规模开发。可以确信，如果产生一瓦特的“替代”电能的成本变为小于3美元，并且效率超过25％，则将实现太阳能发电工程的全球性突破。因此，现有技术的PEC的效率一方面受限于入射EMR转换光谱的窄的范围，并且另一方面受限于用于进入转换器内部的EMR转换的低效率技术，即主要与复合过程和电池单元的高内阻关联的低的内部转换因数。

发明内容

考虑到上文提到的与现有技术解决方案关联的缺陷，本发明的目的在于提供高性能宽带转换器，其具有高的EMR内部转换因数，能够在宽的频率范围(从IR到UV和更高的频率)和宽的入射EMR强度范围中操作。

该转换器还应具有比现有技术中已知的转换器更高的效率和功率，应提供输出电气性能的高准确性和稳定性，并且应能够在相当大的温度和辐射改变的条件下操作。而且，这些转换器应是技术和成本有效的，相对廉价的并且可适应当前的半导体生产状态。同时，制造这些转换器应消耗尽可能少的半导体材料。

根据本发明的第一方面，所述目的是如下实现的，提供一种电磁辐射转换器，其包括：半导体基板，其具有布置在其正面上的N＞1个离散局部第一传导类型区，所述基板具有第二传导类型，从而所述第一传导类型区与基板一起形成组合为电流节点的N＞1个p-n结，用作对少数电荷载流子的排斥同型势垒的同型结在基板正面上的所述第一传导类型区外部形成。

在特定情况中，基板正面可以至少部分地进行纹理化。

在特定情况中，抗反射涂层可以被施加到基板正面。在特定情况中，用于吸收电磁辐射和注入非平衡电荷载流子的局部中心被嵌入到基板中以便于建立非平衡电荷载流子的浓度梯度。

在特定情况中，掺杂凹陷同型偏转区形成在基板正面上的第一传导类型区外部，用于建立相对于第二传导类型区的非平衡电荷载流子的浓度梯度。

第一传导类型区优选地按照与非平衡电荷载流子的扩散长度相称的间隔隔开。

在特定情况中，基板的背面可以包括掺杂凹陷离散第二传导类型收集区，其与基板材料一起形成局部同型结，这些局部同型结通过局部接触和背传导电极组合为背相反电流节点。

在特定情况中，基板可以包括其背面上的N＞1个离散局部第一传导类型收集区和N个离散p-n结，其通过第二集流电极组合为第二背电流节点

在特定情况中，在基板正面上介电层配备有窗口，这些窗口至少布置在N个离散局部第一传导类型区的区域中以确保第一电极与所述区的接触。

在特定情况中，N＞1并且基板正面上的所述N个第一传导类型区被配置为分立的和单类型的以形成N个分立的和单类型的p-n结。在特定情况中，N＝1并且基板正面上的第一传导类型区可以包括K≥1个第一传导类型部分，其中K是整数，这些第一传导类型部分通过M≥1个第一传导类型连接元件彼此连接。在特定情况中，M＝1，即所述第一传导类型区包括具有单个连续矩形带的形式的单个掺杂第一传导类型连接元件。

在另一特定情况中，所述第一传导类型区可以包括具有分立单类型薄矩形带的形式的M＞1个掺杂第一传导类型连接部分。所述第一传导类型区可以包括被布置为栅格的M＞1个掺杂第一传导类型连接部分。

在特定情况中，在正面的侧表面和正表面上提供p-n结，其具有与其相邻的收集区。

在特定情况中，在基板正面上的N个第一传导类型区中的每一个下面提供第二传导类型掺杂层。

在特定情况中，在基板正面上的每个所述第一传导类型区下面提供G＞1个连续交替的第二传导类型和第一传导类型层的堆叠。同时，所述堆叠中的第一和第二传导类型区可以特别地借助于相同传导类型的掺杂连接元件，串联或并联接通(连接)。同时，部分或所有所述连接元件可以形成闭合电路。

在特定情况中，在基板正面上提供X≥1个另外的掺杂偏转区，其与所述N个第一传导类型收集区分离。所述X个掺杂偏转区中的每一个可以具有第二传导类型，X个偏转区可以包括第一和第二传导类型的区，或者所述X个掺杂偏转区中的每一个具有第一传导类型。所述掺杂偏转区优选地被配置为离散的，然而，相同传导类型的掺杂偏转区的至少一部分可以通过相同传导类型的连接部分组合为电路。基板正面上的N个第一传导类型收集区中的至少一个可以被布置在由偏转区形成的电路中。

特别地，所述X个掺杂偏转区可以被配置为连续的闭合电路(圈或环)并且N个收集区中的至少一个可以被布置在所述连续闭合电路内部。

在特定情况中，基板正面上的N个收集掺杂第一传导类型区和掺杂偏转区被布置为彼此间距为F≤2f的交替的离散量子俘获阱，其中f是非平衡电荷载流子的扩散长度，所述陷阱是在安置在一些阱中的第一传导类型收集区的基板正面上形成的，并且偏转区是在沿第一传导类型的阱的离最近的阱距离为F的其他阱中形成的。

在特定情况中，转换器进一步包括另外的第三(或者第二正面)集流电极，其连接到所述X个掺杂第二传导类型偏转区中的每一个或者至少一个。

在特定情况中，至少一个偏转场电极被放置在介电层上面。同时，在基板正面上提供X≥1个另外的掺杂偏转区，其与所述N个第一传导类型收集区分离，并且至少一个偏转场电极可以布置在所述X个掺杂偏转区中的至少一个的区域中的介电层上面。

连接到N个第一传导类型区中的每一个的第一收集电极可以延伸并且可以在均单独截取的平面视图中与其连接的所述第一传导类型区重叠，并且所述第一电极可以连接到偏转场电极，由此形成单个延伸收集-偏转电极。

所述延伸收集-偏转电极优选地但非必需地由光学透明(或半透明)传导材料(例如，Si^＊、TCO、ITO)制成。

所述延伸收集-偏转场电极还可以由光学透明(或半透明)传导材料(例如，Si^＊、TCO、ITO)制成以连续延伸穿过正面。

在特定情况中，第一电极可以沿正面上的N个集流区中的每一个的外周布置并且偏转区可以沿第一电极的外周布置。

在另一特定情况中，在集流-偏转电极外部沿其外周形成第三电极(或者正面上的第一漂移电极)用于在施加偏置电位时生成漂移场。第一传导类型偏转区可以布置在漂移电极下面。再者，在第二传导类型偏转区上方在第一和漂移电极之间形成场漂移电极(正面上的第二漂移电极)。同时，正面上的第二漂移电极优选地电气连接到基板。

在特定情况中，Y≥1个薄电极布置在正面上并且组合为电流节点电流节点，并且电极间距与非平衡电荷载流子的扩散长度相称。

在特定情况中，正面上的第一传导类型区和正面上的第二传导类型区可以覆有微透镜或微棱镜。

在特定情况中，第二传导类型基板的反面包括W≥1个分立的第二传导类型掺杂偏转-收集区，其借助于连续的第二电极组合为电流节点。所述分立的W≥1个掺杂偏转-收集区优选地被配置为单类型的。

反面也可以包括V≥1个第一传导类型掺杂偏转-收集区，其均通过第四电极连接到电流节点。此外，反面可以包括另外的离散第一传导类型偏转区，其围绕第二和第一传导类型偏转-收集区的外围布置，或者替选地，反面包括另外的离散第二传导类型偏转区，其布置在所述离散第一传导类型偏转区之间。

转换器优选地形成在厚度与非平衡电荷载流子的扩散长度相称或者小于其的半导体基板上。

在半导体基板的正面或背面，可以布置具有另外的电磁辐射源，例如锶-90的Z个区域。

根据本发明的第二方面，提供了一种电池，其包括J＞1个根据任何上述实施例的转换器，其中J是整数，其具有矩形的外缘并且彼此连接成串联和并联电路。特别地，转换器可以具有六边形配置的外缘。

根据本发明的第三方面，提供了一种电池，其包括J＞1个根据任何上述实施例的转换器，其中J是整数，其具有伪六边形外缘并且彼此连接成串联和并联电路。

根据本发明的另一方面，提供了一种电池，其包括J＞1个根据任何上述实施例的薄的透射类型转换器，其中J是整数，其布置成堆叠并且彼此连接成串联和并联电路，所述转换器被堆叠，使得上面的层或级转换入射辐射的短波光谱，并且堆叠中的每个后继的下面的多级或层转换较长波光谱。

为了明确地理解本发明，这里使用如下的半导体传导类型的解释：第一传导类型应被理解为p传导或n传导，而第二传导类型应被理解为分别与第一传导类型相反的n传导或p传导。在方法方面，通过使用发明人发现和查明的在原理上新的物理现象、规律和性质，高级设计以及这些设计中的证实的技术，实现了本发明的目的。

特别地，本发明基于控制NeCC的复合过程和浓度梯度并且基于天然材料性质，该天然材料性质与其天然离散和异质结构以及现象关联，其基于这些性质和现象的面向目的的使用：聚束或电流节点效应，离散转换器中的γ形荷电粒子路径的效应和其他现象和性质。

不仅提高效率，而且本发明使用需要最少量的基板材料的优化的最小化结构，以及优化的电池单元配置及其在电池中的布置，实现了成本有效性。

下文将讨论这里使用的用于提高电磁辐射转换器的效率的技术。

根据本发明，通过以减少复合损失以及减少因无吸收的辐射引起的损失、减少因热散射引起的损失和减少因转换器内阻引起的损失，通过扩展被转换的EMR光谱范围并且对转换技术进行相当大的改进，提高了PEC效率。

全球性地详尽地研究了用于以抗反射涂层减少入射辐射的反射的方法。然而，最终反射减少到1％和更小仅提供了效率的3-4％的提高。传统的具有连续的p-n结的硅基转换器能够提供不超过25％的效率。其主要原因是复合损失和因内阻引起的损失，其导致PEC在电流和电压方面的饱和。根据发明人对传统的现有技术的SC执行的测量，它们的电流-电压特性在高入射辐射强度和高温下以及在低照明水平下因高内阻而劣化(rectified)。

现有技术的SC的单结连续结构不能应对进入转换器的大能量流。因此，这些PEC具有低的内部转换因数(输出功率与进入转换器的功率的比)，这与其效率(输出功率与入射功率的比)相符合。根据发明人执行的测量，现有的高性能硅基转换器的内部转换因数(ICF)至多为25％。进而，连续单结太阳能电池单元的效率不会超过25％！因此，所有发明人的努力已经集中于首先增加内部转换因数。为此，有必要首先消除MCC复合并且减少PEC内阻。

通过使光谱范围朝向短波UV EMR光谱扩展来提高效率

该方法基于断开单结SC的连续层并且根据本发明决定性地从连续(固体)单结转换器变为离散多结转换器。

如上所示，关于EMR UV频谱截止的主要原因是在连续单结太阳能电池单元的整个正表面上提供的n⁺层中的高电子含量(Reivi K.，Defects and Dopants in Semiconducting Silicon，Moscow，Mir Publishers，1984，470PP)。因此，为了使UV量子进入半导体并且被吸收，必须使窗口暴露，从而量子可以进入SC，即连续的n-层必须被断开或者转换器正面应配备没有n⁺层的窗口。本发明的转换器结构满足了这一要求，其包括局部离散的p-n结和断开的收集层，在连续断开中提供光学窗口。局部离散的结同时并且基本上减小了转换器内阻。它与被称为聚束转换器的离散转换器中显现的统计效果关联，并且与NeCC行进路径的减少关联。现有技术的连续转换器中的高内阻归因于半导体本体和高表面电阻，其与长的T形NeCC行进路径关联(图117)。相反地，离散转换器具有低的本体电阻，而且以荷电粒子的γ形行进路径为代价具有低的表面电阻(图118)。因此，离散转换器具有远低于连续转换器的总内阻。

然而，上文提到的用于扩展EMR冷光谱的吸收范围的方法阻碍了吸收范围朝向长波光谱范围扩展。为了能够朝向EMR的短波和长波区二者扩展，发明人提出了在半导体中局部嵌入离散的多结(异质结)结构。

通过使光谱范围朝向短波UV和长波IR EMR光谱扩展来提高效率

当掺杂剂中心(或者簇或者区或者纳米颗粒或者绝对黑体或者任何其他异质)被局部嵌入在半导体中用于吸收和注入从短波UV到长波IR变化的不同长度的光子时，在半导体中形成了多结离散结构。同时，这种局部嵌入还形成了电荷浓度梯度区，这是所生成的电荷扩散和行进到集流电池单元并且进一步进行到转换器外部电路所需要的。

当EMR被吸收时，在半导体中形成了非平衡少数电荷载流子(NeCC)或者EHP，即n半导体中的空穴和p半导体中的电子。对于给定的电荷浓度梯度，它们朝向p-n结扩散，并且由p-n结场取出并且被释放到相反传导类型的半导体以变为其中的多数电荷载流子。当这发生时，电子将局限在n型半导体中而空穴将局限在p型半导体中。结果，p型半导体被提供过度的正电荷而n型半导体被提供过度的负电荷。在转换器的p区和n区之间出现了电位差，即光EMF或者开路电压。

由于转换器中的非平衡少数电荷载流子(NeCC)或电子-空穴对(EHP)的生成和分离过程与半导体中的它们的表面和本体复合的过程竞争，所述表面复合超过本体复合，因此为了减少复合，所有现有技术的转换器无一例外地具有包括连续(没有断开区域的固体)掺杂或扩散的相似区或部分的正面。

为了使EMR由半导体吸收并且可以形成EHP，应满足如下条件：入射波能量至少在其自身吸收E＝hv(其中h是普朗克常数并且v是入射波频率)的情况下应等于或超过半导体禁带宽度(FBW)的能量ΔE宽度：hv≥ΔE。

例如，碳化硅，砷化镓，具有铜、锗、或与硅形成(-Si-O-Si-)类型的键的氧的铟化合物，以及许多其他化合物的颗粒可以被局部地(而非同质地！)嵌入，作为异质吸收-注入掺杂剂区。这些化合物给出了特定的EMR波长处的最大光谱吸收。宽带隙材料给出了EMR光谱的短波区域中的最大吸收，而窄带隙材料给出了EMR光谱的长波区域中的最大吸收。如所示出的，例如，通过实验测量，在传统的单晶硅中显现光谱吸收的两个最大值：一个位于0.5μm的区域中，而另一个位于0.7μm的区域中。前者的最大值与掺杂剂最大值相关，而后者的最大值与本征硅吸收最大值相关。在硅中的氧的存在给出了5-6μm的EMR波长处的最大光谱吸收，等等。在硅纯化工艺中典型地移除氧，然而根据本发明，需要氧用于吸收长波IR EMR光谱。

使用具有不同FBW的离散掺杂剂对PEC基板进行局部掺杂使得在EMR波长的不同区域中形成光谱吸收的最大值。另一方面，局部嵌入的各种掺杂剂导致了基板本体中的纵向-横向电荷浓度梯度的中心，这是电荷扩散并且使其进一步前进到PEC外部电路所需要的。

因此，使SC的连续单结层断开并且以物理方式将一个或另一离散带掺杂剂局部嵌入到半导体基板中导致了其增加的光谱响应，转换的EMR光谱范围被扩展并且形成NeCC浓度梯度。同时，不仅包括良好的EMR吸收和注入源而且包括NeCC浓度梯度区的绝对黑体可以用于建立EMR吸收-注入中心。

各种半导体材料的FBW计为：碳化硅(SiC)的ΔE＝2.5eV-3.5eV；碲化镉(CdTe)的ΔE＝1.44eV；砷化镓(GaAs)的ΔE＝1.43eV；铜铟联硒化物(Cu-InSeOB₂)的ΔE＝1eV；硅的ΔE＝1.1eV；锗(Ge)的ΔE＝0.66eV；InGaAsSb的ΔE＝0.5-0.6eV；InAsPSb的ΔE＝0.36-0.6V，等等。

替选地，为了获得宽带PEC，提出了使用硅作为基础材料(可以使用任何其他的半导体)。为了获得宽带PEC，在p传导(替选地，n传导)硅基板中形成数目足够大的局部离散p-n结(优选地它们的数目应是N＞1和N→∞)和暴露的离散P传导区，用于使短波量子进入，并且随后通过任何已知的方法嵌入具有不同的FBW并且尺寸高达纳米颗粒的材料颗粒。特别地，可以嵌入砷化镓、锗或者氧或者碳化硅。然而，具有大的FBW的材料被嵌入上基板层并且具有较小的FBW的材料被嵌入下层。

具有比硅的FBW大的FBW的砷化镓的离散颗粒被嵌入到基板正面上的上表面层中达到3-5μm的深度，即UV量子的进入深度，并且锗或氧被嵌入到基板下层中。

为了获得对EMR光谱的短波但高能UV区域的光响应，需要砷化镓或者另一宽带隙半导体。

填充有深度达到3-5μm的砷化镓掺杂剂或者具有比砷化镓的FBW大的FBW的其他材料的近表面硅层是一种用于吸收UV量子的陷阱。PEC基板的窄带隙材料(例如，锗、氧或镉-汞-碲(CMT)合金等)的局部离散杂质填充用作对于长波IR辐射的陷阱。

由于EMR入射在具有用于使短波量子进入的暴露窗口的上述多结硅团块的表面上，因此异质“带”填充将吸收从远IR到UV和更高的宽的EMR光谱。该团块中的EMR进入深度根据入射辐射波长而变化。由于EMR入射在PEC光接收部分上，因此首先将吸收UV光子。随后，具有较小能量但是进入更深的光子将被吸收；其是紫色光子。在紫色光子之后是蓝色、黄色、橙色、红色等，并且基本硅对于EMR光谱的IR区域已是透明的，但是这些光子将由窄带隙锗或者具有氧的硅化合物或者在砷化镓层下方进行掺杂的其他窄带隙材料吸收。嵌入具有特别窄的FBW的CMT合金将使EMR转换范围进一步扩展到达中间和远IR辐射。所提出的填充有另外的吸收中心的半导体基板将在从IR到UV或更高的入射辐射的宽范围内吸收EMR并且生成电子-空穴对(EHP)。

图119示出了由纯硅和由混合有氧的“脏”的技术级硅制成的SC的实验光谱响应特性。如可以看到的，较之“脏”硅，纯硅具有相当窄的转换范围。由此，通过使用“脏”硅仅可以使PEC基板材料的成本减少一个数量级。

因此，根据本发明通过全新的半导体结构物理改性工艺实现了可转换EMR波长的扩展，即，通过将建立多结结构的掺杂剂嵌入在基本半导体中形成离散局部结以及形成NeCC的扩散发展所需的NeCC浓度梯度并且形成转换器中的电流。

通过将内建场嵌入到基板表面和本体的结构中并且优化电流集流总线之间的距离，实现了根据本发明的PEC效率的进一步的提高。

本发明的所有特定实施例是全新的并且与现有技术的解决方案截然不同，不同之处在于：在转换器结构中使用断开的正面连续性，即，在暴露于EMR的基板正面上产生第一传导类型(p型或n型)掺杂收集层(掺杂收集区)以及相反的第二传导类型的部分(分别为n型或p型，所谓的“断开层”设计)。在最简单的情况中，所述第二传导类型部分可以包括安置在正面上的第一传导类型掺杂收集区之间的基板部分；第一和第二传导类型掺杂区也可以在正面上交替。

本发明的转换器的新特征在于，以荷电粒子的γ形行进路径为代价使p-n结电阻急剧减小到几乎为零(图118)并且形成N＞1个小尺寸的第一传导类型离散局部区，从而形成数目相当大的N个离散p-n结并且所述N个离散区被组合为束(并联电路)，或者经由第一集流传导电极被组合为第一电流节点并且通过使用PEC背面上的导体并联连接局部接触和第二传导类型高掺杂点凹陷而组合为第二电流节点，从而形成p^+p同型结。

在现有技术的硅基SC中，同型n⁺n p⁺p背面势垒用于减小欧姆接触处的少数NeCC的表面复合率。典型地通过引起来自背表面的另外的掺杂杂质量的短期扩散来形成该势垒。与现有技术的不同之处在于，根据本发明在转换器中在离散局部p-n结的侧面上或者平面中而非相对面上形成同型结。

同型n⁺n p⁺p势垒可以通过各种方法形成：扩散、离子注入、掺杂和这些方法的组合。此外，具有升高的浓度的近表面层可以通过内建到钝化电介质和/或抗反射涂层中的电荷来引入，和/或如本发明中的通过电极场来引入。因此，在交替的第一传导类型离散区之间的连续断开中，形成了高掺杂的第二传导类型层，其建立了第二传导类型区的p⁺p结。这些同型结建立了针对少数电荷载流子的排斥同型势垒。

图20示出了根据本发明的离散聚束转换器的说明性实施例，其具有两个相对的电流节点：N个离散的p-n结形成针对非平衡电荷载流子的电流路径的第一电流节点，并且第二传导类型高掺杂离散凹陷区与同型结和离散背面局部接触一起形成针对多数非平衡电荷载流子的电流路径的第二流节点。由于统计离差(其将在这里进一步讨论)和电流节点效应(或者聚束效应)，以及γ形NeCC行进路径的荷电粒子的行进路径的减少(图118和120)，出现了急剧的电阻降低。

替选地，在本发明中不仅提出了两个相反电流电极，而还提出了具有四个相反电流电极的配置：正面上的两个电流节点和背面上的两个电流节点，其通过电流收集-偏转区(电池单元)的并联连接形成。在下文中进一步讨论了这种转换器的示例性实施例。

替选地，通过不仅在正面上提供第一类型传导收集区和N个离散结，而且在背面上提供第二传导类型基本区，提出了具有相反电流节点的太阳能电池单元设计。

对于本发明重要的是减少p-n结的几何尺寸。结应具有小的线性尺寸(d→δ，其中δ是无穷小值，并且它们的数目高达N＞＞1(理想的，N→∞，其中∞是无穷大值)并且应离散地(彼此不耦合)并且以单类型的方式(即在尺寸、配置和其他工艺条件上基本上是均匀的)形成。

在本发明的各种实施例中，转换器的特征在于使其区别于现有技术的如下新颖方面：

1)在离散的“断开层”转换器的交替的第一传导类型离散局部区之间的连续断开中，建立了第二传导类型高掺杂区，以同第二传导类型基本区一起形成同型p⁺p结，其包括用于使EMR进入转换器内部的光学窗口并且同时是同型偏转区；

2)EMR转换过程被局部化并且建立了局部表面-本体异质性的系统(SSBH)，其包括在PEC本体表面处和内部离散交替的局部异质，包括相反的n+和p+区，以使转换器的灵敏度朝向IR区域移动并且相反的方向上朝向UV和X射线辐射移动；

3)通过局部地嵌入任何异质，包括具有吸收中心形式的各种FBW的掺杂剂，并且通过注入EMR以影响MCC浓度梯度，形成了SSBH。在最简单的情况中，局部微透镜引起了NeCC梯度形成的增加，该局部微透镜将EMR集中(成束)在半导体表面和本体的局部区中，由此基本上增加了入射辐射的强度并且建立了吸收区，MCC浓度微分(梯度)负责强化电流的扩散分量(dn/dx)，这对于PEC操作是基础的。微透镜或微棱镜的系统的使用使入射EMR流的强度增加了一个数量级或更多，并且基本上提高了转换器操作的效率和功率。使用任何交替的局部离散表面-本体异质形成SSBH，包括基本半导体材料(在该情况中是p-Si)的表面和本体结构中的相反的n⁺和p⁺区，并且可应用于针对非平衡NeCC的分离而使用扩散漂移机制的任何(半导体或其他)材料。

4)连同扩散场(交轴和直轴分量)一起，转换器结构利用漂移偏转场源，其包括转换器正面和背面上的具有围绕N个第一传导类型区的第一传导类型环(替选地，第二传导类型)或不同类型(第一和第二传导类型)环的形式的区，用于加速NeCC运动并且提高集流体处的电荷汇集速率；连同扩散场一起，转换器结构通过在转换器正面和背面上围绕N个第一传导类型区嵌入(掺杂)局部N个第二传导类型层的环，利用了另外的漂移偏转转换器场(和NeCC电极上的收集场)，从而电荷的本体和表面复合几乎被消除(在正面和背面上)。

5)“断开层”转换器结构利用基板正面和背面上的控制场电极。

6)“断开层”转换器结构利用了用于通过在第一传导类型区下面嵌入第二传导类型扩散子层来增加接触电位差的方法，由于在使p-n结尺寸局部化之后，扩散子层不再防止辐射进入有效半导体本体；如果除N个第二传导类型扩散子区之外，布置G＞1个连续交替的两个(第一和第二)传导类型层的堆叠，从而在每一个下面提供了与其相邻的n⁺层和p⁺层并且在后者下面提供了另一n⁺层，等等，则观察到电位的更大的增加效果，具有交替的p-n结的堆叠的所述扩散子区可以并联或串联接通。在逐渐接通的情况中，在转换器结构中形成了N个电位倍增器，并且在并联接通的情况中，形成了N个电流倍增器；

7)“断开层”转换器结构利用了深扩散n⁺p⁺结，跟随有扩散的表面刻蚀(台面PEC结构)导致了p-n结电阻的显著减小，增加了转换器吸收表面和吸收速率以及MCC本体浓度；

8)“断开层”转换器结构利用了深量子陷阱，其确保p-n结电阻的显著减小，以及高能量短波MER光谱和长波EMR光谱的显著的吸收和转换；

9)替选地，为了减小p-n结的内部本体电阻，“断开层”转换器结构利用厚度小于NeCC扩散长度的薄的半导体基板，其增强了减少p-n结本体电阻的效果(较之厚度为300μm或更大的传统晶片)并且可能使材料消耗减少5-6倍并且提高经济和技术效果；在转换器的正面和背面结构中使用带和栅格配置电极(用于进一步减小电阻)以建立电流节点(或聚束)效果；

10)交替的n⁺p⁺区布置在半导体基板的两面(正面和背面)上，从而可以最大程度地使用扩散和漂移电流分量，并且在转换器中可以完全消除MCC表面和本体复合；

11)“断开层”转换器结构利用另外的内建和永久(在任何一天的任何时间操作)EMR源，即弱放射性辐射物质，例如锶-90和其他化学化合物和元素；

12)在将转换器布置和组装成太阳能电池系统时使用最优的六边形和伪六边形配置，从而可以节约基板材料；电池被堆叠成超薄膜上的透射型SC的堆叠，这些超薄膜具有不同深度的扩散层以及它们的并联或逐渐的接通。

本发明可应用于本领域中已知的任何转换器类型或光伏电池单元，包括异质结类型的光伏电池单元和能够将EMR转换为EMF的任何材料上的光伏电池单元，以及可应用于所有形成转换器的方法。应当注意，为了简单起见，本发明的公开及其特定示例性实施例将在p传导硅基基板和n传导(N⁺传导)的N个正面收集掺杂区的背景下进行进一步的描述，但是对于本领域的技术人员明显的是，n传导基板和p传导(p⁺传导)正面收集区可以同样良好地用于实现本发明。

本发明人使用用于使EHP转换和建立SSBH的过程局部化以便于提高PEC电流的扩散分量的效率的技术。同时，除转换器电流的扩散分量之外，本发明使用具有漂移场的形式的另外的内建场，从而转换器效率显著提高。

在所有情况中，本发明的实现方案是通过断开收集n⁺层的连续性来实现的，包括但不限于建立任意形状和结构的局部离散区，其彼此欧姆耦合或者不耦合并且欧姆耦合或者不耦合到收集电极。收集n⁺层可以被配置为离散的N≥1(替选地，N＞＞1)个任意形状和结构的尺寸最小化的电池单元(如上文参照用于使EMR转换过程局部化的方法所描述的)或者表面分布梳结构或者任何离散的电池单元。通常，任何离散的元件或电池单元包括通过电极组合为单个电流节点的具有任意配置的局部化区。

一方面，在转换器正面上提供的遮蔽区减少了光敏吸收区域(由此削弱了转换器效率)，但是另一方面，增强了NeCC浓度梯度，由此提高了电流的扩散分量的数量和效率。遮蔽区域应优选地具有最小的尺寸(例如，电流传导电路或者接触的宽度尺寸d应趋向于足够小的值δ，即趋向于n⁺区的尺寸)。在小线性尺寸的情况中，由于EMR边缘衍射，实际上不存在遮蔽。

由于遮蔽区引起的折射率的增加取决于反射层中的自由载流子的浓度，遮蔽区可以由n⁺区表示，并且还可以由偏转p⁺层、收集n⁺区的金属总线以及转换器正面的任何区表示。

由于遮蔽是在n⁺区或者p⁺层(具有高反射率)上实现的，因此减小了遮蔽对效率削弱的贡献。因此，用于提高转换器效率的主要因素是以遮蔽区域为代价建立异质，以最终形成电荷扩散过程和转换器光电电流的传递所需的电荷载流子密度梯度(CCDG)。遮蔽区可以具有任意配置。异质区应优选地具有单类型、是离散的并且具有最小尺寸，并且通过导体组合为单电流节点，具有任意配置和优选地N＞＞1的数目。

如上文已提到的，根据本发明通过如下方式实现了EHP转换过程的局部化和关联的p-n结内阻的减少：减少沿γ形NeCC行进路径的电荷的行进路径，并且将大量N个第一传导类型区(其中N＞1)通过与所述N个区中的每一个相邻的第一电极组合为第一电流节点，并且通过使用传导第二电极将背面的第二传导类型高掺杂凹陷区组合为并联电路来组合为第二电流节点。可以通过将布置在背面上的结组合为并联电路而在双面离散转换器中形成背面上的第二电流节点。作为该并联连接以及与其相邻的第一传导类型扩散n区(替选地，p区)的p-n结组合为一个第一电流节点或者束和背面上的第二电流节点的结果，p-n结的总电路电阻几乎减小到零。同时，为了使γ形NeCC路径行进的影响是深远的，一方面需要减小离散结之间的距离，另一方面，需要减小转换器基本基板的厚度。在优选情况中，该距离和长度与NeCC扩散长度相称或更小。

将内阻减小到接近零的值导致了电路电流的放大，转换器中的电荷的本体和表面复合的减少以及本体热损失的减少，从而最终提高了其功率和效率。同时，第一电极下面的每个第一传导类型区和这些电极自身可以具有任何形状和配置，特别地可以是矩形、方形、六边形(具有不同的高宽比)、八边形(具有不同的高宽比)等。

为了进一步减小转换器总内阻的值，所期望的是将N个第一传导类型区的数目增加到N＞＞1，即增加到：(a)至少10，(b)至少50，(c)至少80，(d)至少100，(e)至少1000，(f)至少10,000，(g)至少100,000，(h)至少10,000,000，等等。由此，结尺寸应趋向于无穷小值，在特定情况中，应提供点接触结。

因此，减小转换器内阻基于应用用于材料改性的新的物理方法，导致内阻值R_P的减小和转换器表面对EMR的灵敏度的增加。该简单但在原理上是新的的物理方法基于使用聚束或电流节点效应。聚束或电流节点效应是如下实现的：束中具有数目足够大的数目的N＞1个单元(其中N是整数，理想地N→∞)，并且这些单元是分立的和单类型的。此外，为了实现放大或减小效果，束单元(在该情况中是具有相邻扩散区的p-n结)应优选地具有足够小的尺寸d，即p-n结几何尺寸应趋向于无穷小值d→δ。而且，在本发明的替选实施例中，为了减小p-n结总内阻，提出了减小半导体材料的厚度，特别地将硅晶片的传统厚度优选地从300-400μm减小到与NeCC扩散长度相称的厚度，例如减小到70μm和更小。

如发明人执行的实验所示，具有小于70μm厚度的半导体材料进入具有高物理特性值的特殊的物理状态。其是一般自然现象的显现：物理特性的尺度效应。

特别具有小于70μm厚度的薄的基板晶片呈现了基板物理特性的急剧改进：机械、电气、热等。

因此，替选地，为了实现技术和经济效果，必须减少硅晶片厚度。半导体硅的消耗通常可以从关于100mm传统SC晶片的传统重量的16g/W降低到3-5g/W。在该情况中，仅考虑材料成本节约，一瓦特能量的成本可以从6$/W降低到3-4$/W。

此外，当SC被布置和组装为六边形配置时，进一步减小了硅消耗(参见下文的关于本发明的转换器如何配置成太阳能电池单元的描述)。

根据发明人获得的实验统计数据，p-n结内阻值散布越大，它们的几何尺寸和与其相邻的扩散区的几何尺寸就越小。因此p-n结的数目N和散布越大，在该统计采样(或者该统计束)中存在具有零或接近零的内阻值的p-n结的概率就越高。在该统计采样中，如果包括p-n结和相邻扩散区的电阻的单元连接成并联电路并且借助于总线或电流电极组合为单个电流节点或束，则根据支路定律总电阻将低于单独电路单元的最小值(即，检测到的定义电路中的一个或多个p-n结的最小电阻值)。此外，该统计采样中的电阻值的散布与p-n结的数目成反比下降，即该采样中的p-n结的数目N越大，则电阻值的散布就越小并且半导体器件的电气参数就越稳定。

因此，在根据本发明的半导体结构的制造中，适当地使用数目足够大的具有足够小的几何尺寸的p-n结。此外，为了实现减小电阻及其散布值的最大效果，p-n结应是离散的和单类型的，并且具有最小直径尺寸，即应是点接触。

因此，为了增强减少半导体二极管布置的内部电路中的总电阻的效果，p-n结应优选地是离散的并且以与NeCC扩散长度相称或者更小的距离间隔，从而它们的数目趋向于无穷大值，即N→∞，这些结应是单类型的，分立的并且N个p-n结中的每一个的线性尺寸(例如，在扩散n区，即p-n结的圆形配置的情况中，该线性尺寸是直径)应是足够小的并且理想地应趋向于无穷小值δ，即d→δ。

不同于连续背面电极，为了显著减小转换器电阻，还可以使用离散的点接触或者具有如下形式的接触：与横向总线形成第二电流节点的细带，或者栅格配置或者带-栅格配置，或者用于在转换器背面上形成第二电流节点的另一配置。

如下文所示，为了满足具有二极管布置的根据本发明的转换器中的所述要求，p-n结的总内阻将趋向于最小(零)值。这是通过减小p-n结的总内阻R_P的有效R(R→0)、电容C(C→0)和电感(L→0)分量而得到的。随着p-n结的数目N增加(N→∞)，该转换器中的品质因数Q趋向于相当大的值。结果，边界操作频率以及转换器电气参数的热稳定性将随着值R、C、L的下降而显著增加。热稳定性将增加，直至温度接近在半导体中形成p-n结的温度。同时，由于总电阻下降，因此转换器输出功率的内部转换因数将增加。发明人的实验中实现的内部转换因数超过70-80％。因此，通过增加数目N和减小分立p-n结的几何尺寸，有可能获得性能相当高的转换器。

在EHP形成过程的局部化和转换器内阻减小的条件下，生成的NeCC的漂移被加速，并且所剩下的是将来自相同p-n结的场的小电位差引导到该漂移，根据本发明这最终将导致电流和功率的急剧放大以及转换器效率的提高。

为了增加转换器漂移电流分量，首先有必要高效地分离已生成的电荷载流子。当辐射量子被吸收时，按变化的程度在整个p-Si本体中形成MCC，由此彼此阻碍以扩散的方式到达收集n⁺结：如果这些MCC如单色辐射的情况中的那样是在特定局部区中形成的，则将以浓度差为代价建立定向扩散流；对于给定的宽的太阳辐射光谱，MCC是在整个有效半导体本体中形成的，从而漂移是较大的，具有Brownian运动而非漂移的性质。因此，建议借助于将电位施加到控制电极实现该运动自身的目标有序，这实际上在许多个特定发明实施例(设计)中完成。因此，将第三电极和第四电极添加到转换器结构，其包括控制场电极。

因此，根据本发明提出了通过在转换器结构中建立用于使电荷偏转的另外的偏转场和另外的漂移加速电场来减少EHP复合并且由此消除转换器中的电子-空穴表面和本体复合。在传统的连续单结转换器中，通过扩散使在吸收辐射量子时生成的MCC分离，由此建立电流的扩散分量。根据本发明的转换器可以由集流(电流)接收和偏转(和引导)场电极的系统形成，其利用p-n结自身的电位(0.3-05V)生成MCC的加速场，即将电流的漂移分量添加到扩散分量，从而在电流电极处增加了MCC收集速率。在根据本发明的转换器中，可以围绕H⁺区(替选地，P⁺区)提供具有高掺杂p⁺层(替选地，n⁺层)的环，其包括针对MCC的偏转和引导系统。在高掺杂环上面，可以提供接触电极系统，其由透明或其他传导材料制成，借助于串联连接许多个分立的单元转换器从转换器自身向其施加不仅0.3-0.5V而且更高的电位。因此，偏转系统或单元在被施加电位差时实际上成为控制场电极(与MOS电容器或晶体管中的控制电极相似)，有可能借助于其调整漂移值和转换器输出处的总电流，即被添加所有其他元件时，根据本发明的转换器可以作为光电流放大器操作。

作为根据本发明的用于减少复合的临时选择，围绕n⁺形成p⁺层(或者p⁺n⁺层的组合)的环。替选地，为了减少因正面上的遮蔽引起的光学损失，在本发明的转换器中提出了使用由例如多晶硅Si^＊或TCO或ITO的非掺杂透明传导材料制成的接触电极系统(Untila G.G.，KostT.N.，Zaks M.B.，et al./A New Type of High-Performance Double-SidedSilicon Solar Cells with Front-Side buses and a Wire Grid//Semiconductor Physics and Technology，2005，Vol.39，Issue 11，PP.1393-1398)其连接到收集金属电极。

如上文提到的，用于消除NeCC复合的另一至少同样高效的方法是使集流区和单元之间的距离以及基本半导体的厚度最优化。为此，这些距离和基板厚度应与NeCC扩散长度相称。在这些条件下，电荷复合将不会发生，并且电荷将到达它们各自的集流体。用于消除复合的另一方法是在转换器的背面和正面上建立同型结，其实际上用作转换器的偏转-收集单元。

此外，根据本发明，不仅借助于上述方法和效应，而且借助于建立深量子陷阱以确保捕获和吸收不仅表面上的而且PEC本体中的短波频率，可以实现使可转换频率朝向高频短波EMR频率扩展，以及减少NeCC的表面和本体复合。

量子陷阱包括自顶而下布置的锥形(锥顶截头)凹陷。具有任何其他几何特征的凹陷是可能的。在棱锥的横向内表面上掺杂第一传导类型收集层。与第一传导类型区相邻，集流电极布置在陷阱的深度方向上，由此确保来自转换器基板深度的电荷的收集并且消除表面和本体复合。在第一传导类型区的锥形凹陷之间，按F的增量提供第二传导类型区的锥形凹陷。在第二传导类型基板的正面上，按如下方式布置凹陷：第一传导类型区和第二传导类型区按优选地F≤2f(其中f是MCC扩散长度)的间隔或增量交替。由于该配置，EMR光谱的高能短波部分进入半导体基板的深度和面积增加。同时，量子陷阱越深，转换器本体中的短波量子的捕获的效率就越高。因此，量子陷阱越深，转换器本体捕获的短波高能量子就越多，并且生成的NeCC的数目和PEC效率就越高。

实际上，当通过减小扩散n区的尺寸(d→无穷小值)和增加它们的数目(N→无穷大值)来使EHP转换过程局部化时，由传统硅类型半导体制成的并且填充有带隙掺杂剂的根据本发明的转换器将在从IR到UV区、X射线和更高的宽范围的EMR频率中操作。

因此，在实施例中，另外的EMR源，即包括当前用于生物学目的的具有足够长的半衰期的放射性化学元素的层，被集成到根据本发明的转换器中。为此，将例如具有27.7年的半衰期的发射β辐射的放射性锶-90的薄层施加到转换器正面上(或者替选地施加到背面上)，例如施加在电流传导电路或电极下面。可以使用周期系统元素的同位素，例如，铯的同位素铯-137。另外的内建源在技术上被关注的原因在于，基于其的转换器将几乎“永久性”地操作。

本公开中使用的术语、符号约定和定义

EMR：能够在转换器中生成非平衡电荷载流子的电磁辐射；

基板(基底)：用于在其中形成转换器单元的任何半导体材料的晶片。例如，在本公开中引用了p传导类型基板。

正面、正面侧、正表面：暴露于EMR或者被EMR辐射的基板面；

反面(或者遮蔽面或者背面)：与EMR暴露相对的基板面；

光电转换器(PEC)：用于将EMR转换为电流和光EMF的半导体器件；

转换器单元：转换器部件，呈现一般功能性质的区域(区)；

收集单元：转换器的掺杂区域(或者区)，其与基板一起形成p-n结，这些p-n结提供NeCC电流收集并且具有与外部电路的接触；

偏转单元：转换器的掺杂区域(或者区)，其与基板一起形成和不形成p-n结，这些p-n结提供NeCC偏转；

同型结：由具有相似(单类型)传导但是具有不同的杂质掺杂浓度的区或层形成的结；

场电极：被施加电位移电位的电极；

扩散转换器：基于扩散电流的转换器；

扩散-漂移转换器：基于扩散和漂移电流的转换器；

所使用的同义词：光伏电池单元、太阳能电池单元(SC)、光电池单元、光电电池单元、光电转换器(PEC)、电磁辐射转换器。

参照半导体器件讨论了两个主要的传导类型：n传导和p传导。因此，第一传导类型区应在这里按传统被理解为n传导，并且第二传导类型应在这里按传统被理解为p传导。因此，转换器区应明确地被理解为均由p传导定义(分别是p区)或者替选地均由n传导定义(分别是n区)。

根据现有技术(Kartashov E.M.，Tsoi B.，Shevelev V.V.，TheStructural and Statistical Kinetics of Polymer Destruction，Moscow，Khimia Publishers，2002，736p，；Tsoi B.，Kartashov E.M.and ShevelevV.V.，THE STATISTICAL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERSAND FIBERS.Utrecht-Boston.Brill Academic Publishers/VSP.2004.522p.；Tsoi B.，Lavrentiev V.V.，/Dielectric Material for Articles Operating inthe Microwave Range.//RU 2,273,969)Tsoi B.，Lavrentiev V.V.，Kartashov E.M.，Shevelev V.V.，Electric Insulating Material.//RU2,284,593，26.10.2004 r.)，如这里使用的，统计束(或者堆叠或者线缆)或者简单地线缆应被理解为由N＞1(其中N是整数)个分立的单类型单独成分电阻器单元(在该情况中，具有p区和与其相邻的n区的p-n结的电阻器)形成的多单元统计结构，其聚集成并联电路并且使用导体(公共电极)组合为单个电流节点，即束。因此，包括组合为电流节点或束的大量的结的转换器被称为聚束转换器。

此外，术语“单类型”应被理解为由相同材料(使用相同浓度的相同掺杂剂)以相同方式(在相同条件下)制造并且基本上具有相同的几何尺寸、配置和形状以及相同的结构敏感物理(机械、电气、电磁等)特性和性质的p-n结。p-n结的均匀性是相同传导类型区(p区或n区)的均匀性的必要标准(即，等同物)。相似地，术语第一电极的“单类型部分”应被理解为由相同材料(实际上制成第一电极自身的材料)以相同方式制造的并且具有基本上相同的尺寸和形状以及基本上相同的结构敏感物理(机械、电气、电磁等)特性和性质的该电极的单元。这里使用术语“单类型”的原因在于，由于任何工艺中存在的最终产品的单独参数的公差，实际上所有p-n结或所有所述第一电极的单元绝对相同是极为不可能的，尽管这是优选的。

此外，特征“分立的”意味着各个结并非彼此耦合。而且，“分立的”p-n结应被理解为没有交叉或重叠部分的p-n结，即每个p-n结是与转换器中的其他p-n结分离(分立)提供的。实际上这对于具有相同传导性的所述区的分离性(分立性)是等同的。相似地，上文提到的第一电极的“分立的”单元应被理解为没有交叉或重叠部分的单元，这是通过在这些单元之间提供氧化物间隙(特别地，电极的氧化区域)或者通过孔(所述单元之间的第一电极中的部分凹陷)来实现的。

参照附图进一步描述本发明，附图图示了具有平面或台面配置的本发明的转换器的各种实施例。本发明的转换器是具有断开连续层的离散聚束转换器，根据转换器生成的电流的类型，它们在传统上借助于若干个示例呈现：聚束扩散转换器、聚束扩散-漂移转换器、聚束微透镜类型扩散-漂移转换器、双面聚束扩散-漂移转换器、具有内建辐射源的聚束扩散-漂移转换器、基于扩散电流的交轴和直轴分量的聚束转换器。依次地，这些转换器可以根据它们的设计被细分为不同的组或子组。

离散聚束转换器的所有实施例共同具有的特征是，具有相邻收集区(单元)的离散局部结通过并联电路组合为单个束或者电流节点，并且基于该特征被称为聚束转换器，并且所有设计包括“断开连续性”，具有正面上的SSBH系统。使用传统的半导体材料和工艺，特别是传统的单晶硅以及扩散和光刻来制造本发明的SC。可以使用任何半导体。此外，具有300μm(或更小)的传统厚度或者替选地具有小于70μm的厚度并且具有100mm、150mm或300mm的直径或伪正方形的传统的大块硅晶片适用于制造这些转换器。

附图说明

图1示出了具有正面上的被配置为十字形总线的N＞1个p-n结的平面聚束离散扩散转换器的部分顶视图。

注意：为了简单起见，在图7-100b中进一步示出了无电流传导总线和电路5ac。

图1a示出了具有正面上的被配置为梳总线的N＞1个p-n结的平面聚束离散扩散转换器的部分顶视图。

图2示出了图1中的截面A-A。

图3示出了正面上的收集单元的十字形配置的部分顶视图。

图4示出了正面上的收集单元的离散配置的部分顶视图。

图5示出了正面上的收集单元的离散带配置的部分顶视图。

图6示出了正面上的收集单元的离散栅格配置的部分顶视图。

图7示出了正面上的平面离散扩散转换器的部分顶视图。

图8示出了图7中的截面A-A。

图9示出了正面上的平面扩散转换器的连接元件2c的部分顶视图。

图10示出了图9中的截面A-A。

图11示出了正面上的台面扩散转换器的连接元件2c的部分顶视图。

图12示出了图11中的截面A-A。

图13示出了正面上的扩散转换器的带连接元件2c的部分顶视图。

图14示出了正面上的扩散转换器的栅格连接元件2c的部分顶视图。

图15示出了具有出现在EMR直接撞击区域中的正面正表面和侧表面上的收集区2和p-n结2a的台面离散扩散转换器的部分正面顶视图。

图16示出了图15中的截面A-A。

图17示出了具有出现在正面正表面上的收集区2和p-n结2a的组合离散扩散转换器的部分正面顶视图。

图18示出了图17中的截面A-A。

图19示出了具有闭合电路的栅格平面单层转换器的部分正面顶视图。

图20示出了图19中的截面A-A。

图21示出了带(梳)平面单层转换器的部分正面顶视图。

图22示出了组合平面单层转换器的部分正面顶视图。

图23示出了具有闭合电路的栅格平面双层转换器的部分正面顶视图。

图24示出了图24中的截面A-A。

图25示出了具有闭合电路的栅格台面单层转换器的部分正面顶视图。

图26示出了图25中的截面A-A。

图27示出了具有闭合电路的栅格台面双层转换器的部分正面顶视图。

图28示出了图27中的截面A-A。

图29示出了具有闭合电路的组合栅格双层转换器的部分正面顶视图。

图30示出了图29中的截面A-A。

图31示出了平面双层(层2和层6)扩散转换器的部分正面顶视图。

图32示出了图31中的截面A-A。

图33示出了台面双层扩散转换器的部分正面顶视图。

图34示出了图33中的截面A-A。

图35示出了台面多层扩散转换器的部分正面顶视图。

图36示出了图35中的截面A-A。

图37示出了具有基板结的接通的平面多层扩散转换器的部分正面顶视图。

图38示出了图37中的截面A-A。

图39示出了具有第一传导类型偏转单元的单层离散平面转换器的部分正面顶视图。

图40示出了图39中的截面A-A。

图41示出了具有第二传导类型偏转单元的转换器的正面顶视图。

图42示出了图41中的截面A-A。

图43示出了具有扩展第二传导类型偏转区的单层离散平面转换器的部分正面顶视图。

图44示出了图43中的截面A-A。

图45示出了具有形成闭合电路的第二传导类型偏转区的离散平面转换器的部分正面顶视图。

图46示出了图45中的截面A-A。

图47示出了具有组合(第一和第二字段类型)偏转区的平面离散转换器的部分正面顶视图。

图48示出了图47中的截面A-A。

图49示出了具有双刻蚀的组合转换器的部分正面顶视图。

图50示出了图49中的截面A-A。

图51示出了具有双刻蚀和第二传导类型偏转p⁺区(13)的组合转换器的部分正面顶视图。

图52示出了图51中的截面A-A。

图53示出了具有刻蚀收集电极的组合转换器的部分正面顶视图。

图54示出了图53中的截面A-A。

体55示出了具有刻蚀收集电极и和第二传导类型偏转p⁺区的组合转换器的部分正面顶视图。

图56示出了图56中的截面A-A。

图57示出了具有双刻蚀的组合转换器的部分正面顶视图。

图58示出了图57中的截面A-A。

图59示出了具有刻蚀收集电极的组合转换器的部分正面顶视图。

图60示出了图59中的截面A-A。

图61示出了具有闭合电路形式的第二传导类型扩展偏转区的单层离散平面转换器的另外的第三(或第二正面)收集电极的部分正面顶视图。

图62示出了图61中的截面A-A。

图63示出了平面扩散转换器的不透明扩展收集-偏转场电极10的部分正面顶视图。

图64示出了图63中的截面A-A。

图65示出了平面扩散转换器的由光学透明传导材料制成的扩展偏转场电极11的部分正面顶视图。

图66示出了图65中的截面A-A。

图67示出了平面扩散转换器的连续透明偏转电极11的部分正面顶视图。

图68示出了图67中的截面A-A。

图69示出了第一和第二传导类型偏转区12和13上方的透明偏转场电极11的部分正面顶视图。

图70示出了图69中的截面A-A。

图71示出了沿平面扩散转换器的收集区的外周的偏转场电极5a的部分正面顶视图。

图72示出了图71中的截面A-A。

图73示出了沿具有闭合电路形式的第一和第二传导类型扩展偏转区的平面扩散转换器的收集区的外周的偏转场电极5a的部分正面顶视图。

图74示出了图73中的截面A-A。

图75示出了暴露的连续收集单元的部分正面顶视图。

图76示出了图75中的截面A-A。

图77示出了带收集单元的部分正面顶视图。

图78示出了栅格收集单元的部分正面顶视图。

图79示出了具有扩展收集-偏转电极11和第三电极11a(或者正面上的第一漂移场电极)的扩散-漂移转换器的部分正面顶视图。

图80示出了图79中的截面A-A。

图81示出了具有布置在第一传导类型偏转区12上方的偏转场电极11和漂移场电极11a的扩散-漂移转换器的部分正面顶视图。

图82示出了图81中的截面A-A。

图83示出了具有布置在第一传导类型偏转区12和第二传导类型偏转区7上方的偏转场电极11和漂移电极11a的扩散-漂移转换器的部分正面顶视图。

图84示出了图82中的截面A-A。

图85示出了具有布置在偏转区7и12上方的偏转场电极11以及两个漂移电极11a和11b的扩散-漂移转换器的部分正面顶视图。

图86示出了图85中的截面A-A。

图87示出了具有布置在偏转区7和12上方的偏转场电极11以及两个漂移电极11a和9的扩散-漂移转换器的部分正面顶视图，其中使用了第三收集电极9。

图88示出了图87中的截面A-A。

图89示出了离散扩散转换器的聚焦微透镜的部分正面截面视图。

图90示出了离散扩散转换器的散射微透镜的部分正面截面视图。

图91示出了具有通过连续电极5b组合为电流节点的离散偏转收集区3的转换器的部分背面底视图。

图92示出了图91中的截面A-A。

图93示出了具有第二电极17和第四电极20的转换器的部分背面底视图。

图94示出了图93中的截面A-A。

图95示出了具有扩展第二电极17a和扩展第四电极20a以及连接区3a和18a的转换器的部分背面底视图。

图96示出了图95中的截面A-A。

图97示出了具有n⁺第一传导类型偏转区以及扩展第二电极17a和扩展第四电极20a的转换器的部分背面底视图。

图98示出了图97中的截面A-A。

图99示出了具有p+第二传导类型偏转区(3、22p)和n+第一传导类型区(22)以及背面扩展电极17a和20a的转换器的部分背面底视图。

图100示出了图99中的截面A-A。

图100a示出了使用扩散电流的交轴和直轴分量的聚束转换器的部分正面视图。

图100b示出了图100a中的截面A-A。

图101示出了正方形。

图102示出了伪正方形。

图103示出了六边形。

图104示出了伪六边形。

图105示出了圆形配置的SC。

图106示出了伪正方形配置的SC。

图107示出了六边形配置的SC。

图108示出了伪六边形配置的SC。

图109示出了作为太阳能电池单元面积的函数的几何损失；因伪正方形Si sq、伪六边形Si hex的剪裁引起的晶片表面积的损失；因伪正方形配置SCsq、伪六边形配置SChex引起的晶片表面积的损失。

109a示出了将透射型转换器串联连接成电路的多级电池示图。

109b示出了将透射型转换器并联连接成电路的多级电池示图。

图110示出了关于二极管布置的p-n结的统计电阻分布曲线。

图111示出了控制和暴露于红色辐射的本发明的转换器的典型的电流-电压特性。

图112示出了太阳辐射光谱AMO 0(曲线29)和所制造的转换器的减少光谱特性：30-关于控制具有连续正面的PEC；31-关于根据本发明的聚束扩散转换器；32-关于根据本发明的聚束扩散-漂移转换器。

图113示出了关于控制(曲线33)和实验标本(曲线34-36)的短路电流Isc的函数：33-具有连续p-n结，集流总线宽度为200μm，集流总线之间的距离为2000μm并且金属化遮蔽系数为8.4％的示例性传统控制标本；34-具有根据图100a和100b的实施例的连续集流层，集流总线宽度为18μm，集流总线之间的距离为200μm并且金属化遮蔽系数为8.2％的标本；35-具有由如图4中所示的金属化完全覆盖的根据图3的实施例的十字形集流层2，集流总线宽度为18μm，集流总线之间的距离为200μm并且金属化遮蔽系数为18.0％的标本；36-具有部分暴露的离散十字形单元的图3的实施例。遮蔽系数总计为8.2％。

图114示出了关于离散聚束转换器的作为入射功率的函数的内部转换系数。

图115示出了暴露于白色辐射时的电流-电压特性。输入功率总计为3000W/m²。测量的温度是70-80℃。

图116示出了白色光谱中的功率曲线。输入功率总计为3000W/m²。测量的温度是70-80℃。

图117示意性地示出了连续单结PEC中的T形NeCC行进路径。

图118示意性地示出了聚束离散PEC中的γ形NeCC行进路径。

图119示出了基于纯硅和与氧和其他掺杂剂混合的“脏”的技术级硅的硅太阳能电池单元的光谱响应。

图120示出了具有两个相反电流节点的离散聚束转换器的示例：N个离散p-n形成非平衡电荷载流子的电流路径的第一电流节点；第二传导类型离散高掺杂凹陷区与背面上的同型p⁺-p结和离散局部接触一起形成多数非平衡电荷载流子的电流路径的第二电流节点。

表1：从传统的100mm的晶片上切下的SC的最优尺寸(直径)

表2：聚束二极管布置的电阻R、电容C、电感L和质量因数Q的值

表3：根据本发明的SC的特性

在附图中，下面的元件由各个附图标记标出：

1：基板；由任何半导体材料制成的晶片；

1a：正面(FS)；

1b：背面(或遮蔽面)(RS)；

2：收集n⁺单元；

2a：p-n结

2b：出现在通过利用掩模刻蚀Si基板而形成的正面横向表面上的台面p-n结；

2c：针对区2的FS n⁺连接元件，用于在不与其形成p-n结的情况下集成单元2的掺杂区域；

3-1：具有与基板相同的传导性的偏转高掺杂区；

p⁺p：与基区的同型结；

3：遮蔽面上的偏转和收集p⁺单元；具有与基板相同的传导性但是具有用于由非平衡多数电荷载流子基板背面提供电流收集的较高掺杂水平的区；

3a：被配置为离散单元的，具有与基板相同的传导性的局部偏转p⁺区；

4：电介质；对于EMR透明的介电层；

4a：针对收集n⁺单元2的接触；电介质4中的窗口；

5a：针对FS n⁺层2的Me(金属)第一(第一正或正面)电极；用于提供与外部电路的接触的针对单元2的金属电极；

5ac：电流传导单元，电流传导电路或总线；

5b：针对RS p⁺区3的Me(金属)第二(第一遮蔽的或者在遮蔽面上提供的)电极；；用于提供与外部电路的接触的针对单元3的金属电极；该遮蔽电极可以是连续的，或者是栅格，或者是带，或者是带和栅格；

5ab：多层转换器中的结的接通(或连接)元件；

6：n⁺p⁺区掺杂子区，用于增加p-n结的接触电位差的另外的p⁺层；具有相对于基板增加的掺杂剂浓度的另外掺杂区；

7：正面偏转区(p⁺层)；第二偏转单元；具有相对于基板的高掺杂剂浓度的转换器区域，未与基板形成p-n结并且未提供非平衡电荷载流子的电流收集；

8：针对区域7的FS p⁺连接元件，与其形成传导类型与基板相同的区；用于在未与其形成p-n结的情况下集成单元7(13)的掺杂区域；

9：第三Me电极；用于提供来自正面的电流收集和与外部电路的接触的针对单元7的金属电极；

10：用于建立p-n结区2a中的偏转场的针对FS n⁺2的扩展第一Me电极；

11：收集单元上方的偏转场电极；收集n⁺单元上方的扩展第一多晶硅Si^＊电极，具有与电极5a的电气接触，用于建立p-n结区2a中的偏转场并且可选地被制造为连续的；越过收集元件2和p-n结2a并且与第一电极5a电气耦合的电流传导区域；

11a：针对n⁺的场电极，可选地具有施加的偏置；

11b：针对p⁺的场电极，可选地具有施加的偏置；

12：具有离散异质形式的偏转n⁺区域；

13：具有离散异质形式的偏转p⁺区域；

14：针对正面偏转p⁺区域7的接触，第三电极；

15：Si^＊上方的电介质；

16：隔离电介质；

16b：具有局部区的形式的电介质16中的针对p⁺3的接触；用于减少复合损失的电介质16中的针对κp⁺3的点接触；

17：具有局部区的形式的针对RS p⁺3的第二Me电极；可选地具有带的形式的针对p⁺3的第二Me电极；

17a：用于建立偏转场的扩展第二电极，

18：具有与基板相反的传导性的收集n⁺区域，与其形成p-n结；

18a：针对区域18的RS连接n⁺单元，与其形成具有与基板相反的传导性的区；

19：电介质16中的针对n⁺18的接触；

20：用于提供来自RS的电流收集的针对n⁺18的第四Me电极；

20a：用于建立偏转场的扩展第四电极；

21：FS微透镜，本体-表面异质系统(SBSH)的系统；

22：具有离散异质形式的RS偏转n⁺单元；

22p：具有离散异质形式的RS偏转n⁺单元；

23：具有一个p-n结N＝1的硅转换器，每个p-n结具有300sq.μm的面积S；

24：具有100个p-n结N＝100的硅转换器，每个p-n结具有300sq.μm的面积S；

25：具有一个p-n结N＝1的硅转换器，每个p-n结具有30sq·μm的面积S；

26：具有100个p-n结N＝100的硅转换器，每个p-n结具有30sq·μm的面积S。

具体实施方式

制造方法

可以使用传统半导体技术和传统半导体基板材料来制造根据图1-100b中示出的实施例的转换器。例如，图1a、1-2示意性地示出了根据本发明的转换器。在用于检测EMR流并且因嵌入掺杂剂而具有p传导(特别地嵌入三价硼或者其他三价扩散剂)或者n传导(由于嵌入特别地五价磷、砷、锑或其他五价扩散剂)的平面基板1(特别地，由具有传统的100mm直径和270-460μm的厚度的单晶硅制成)的正面1a上，通过丝网印刷或者传统上用于半导体工程的包括但不限于光刻方法(使用光掩模)的其他方法，在例如SiO₂的掩蔽电介质中使窗口暴露，用于在其中引入建立与基板相反的传导性(第一传导类型)的掺杂剂，从而形成N个第一传导类型收集区2，其在组成、尺寸和其他特性上是单类型的。这些N个分立的单类型第一传导类型收集区2形成了N个p-n结2a。根据设计解决方案，区2可以具有不同的配置：正方形、圆形、六边形等。在图1a和1中，图示了具有难以察觉的小尺寸的离散正方形配置的区2。区2通过氧化物或其他介电隔离层4彼此隔开，传统的抗反射涂层适用于该目的。

此外，在区2上方的基板正面上，例如，通过光刻方法使接触4a暴露，并且通过电流传导总线5ac形成用于提供与外部电路的接触的第一电极5a。因此，第一电极5a与总线5ac使p-n结2a同与其相邻的N个第一传导类型n区组合为单个电流节点N。

在基板反面上，按相同的方式产生第二传导类型偏转和收集p⁺单元3，即这是具有与基板相同的传导性但是具有更高的掺杂程度的区，用于提供基板反面上的非平衡多数电荷载流子的电流收集；第二电极5b被布置为与收集单元3相邻，其是通过溅射、化学淀积或者丝网印刷技术产生的并且可选地被制造为连续的、带、栅格或者带和栅格。

扩散-漂移转换器包括用于将EMR转换为EMF的半导体器件，其与现有技术的根本差异在于，在它们的正面上提供“断开层”，并且此外，它们的正面、本体和反面表示组合为电流节点的表面-本体异质系统(SSBH)。如上文提到的，所有现有技术的PEC基于电路扩散分量的效应，而本发明的PEC基于两个分量，即扩散分量和漂移分量，从而显著提高SC的功率转换效率。

如上文已提到的，所产生的所有论点应用于任何p或n传导类型半导体(Ge、Si、GaAs等)，然而，由于h⁺空穴和e^-电子的迁移率的差异，这里讨论p传导类型硅基PEC。下文讨论的根据本发明的聚束转换器被分为扩散聚束转换器和扩散-漂移聚束转换器，其依次被分为具有转换器正面和背面上的不同的单元设计和配置的子组。

示例1.聚束扩散转换器，正面。

1.1.离散扩散转换器

电磁辐射转换器(图1a和1)在其图示面，即第二传导类型p半导体基板1的正面1a上，具有第二传导类型局部(离散，小线性尺寸)收集n⁺区2，其通过介电层彼此隔开并且与基板形成p-n结2a，即所谓的转换区，其中发生电荷分离，从而形成接触电位差。第一收集传导电极5a以与其邻接的关系连接到第一传导类型收集区。第一(正面)集流传导电极5a使第一传导类型收集区2集成为并联电路和束，即单个电流节点(所有本发明的转换器是基于该特征的聚束转换器)。电极5a传导总线通过介电层4与基板隔离。

在反(背)面上，形成掺杂偏转p⁺区3，第二(背面)集流传导接触，即电极56(图2)与其相邻，其可选地成形为梳或栅格，具有用于进一步减少电阻的单电流节点。

因此，该转换器中的第一传导类型收集n⁺层是不连续的而是被配置为连续性断开，即交替的n⁺和p⁺离散小尺寸区，在正面1a上保留暴露的光学窗口，即第二(基本)传导类型p⁺区(图中被示出为3-1)形成EMR透射区并且提供包括短波部分的入射辐射进入转换器本体的通路。n⁺区2和第一电极5a下面的遮蔽区的形成是微小的，原因在于，由于微小的遮蔽尺寸，发生电磁波边缘衍射，并且另一方面，小遮蔽区导致浓度梯度增加并且指向收集区2，从而电荷分离，即激活电流的扩散分量。

每个第一传导类型收集单元2可以借助于微分变换为分立的电流节点。节点导数也可以被微分，达到现有技术的光刻的分辨率限制。微分级别越高，则PEC效率就越高。

收集单元2以及它们组合为电流节点可以具有各种配置。图3图示了收集单元2，其中n⁺区部分地越过金属化5a并且形成无遮蔽区，特别用于短波和长波辐射。

图4示出了通过金属化5a组合为电流节点的收集单元2的离散配置。通过关于给定小尺寸的金属总线的EMR衍射，以及以组合为与其相邻的第一传导类型区的单个电流节点的p-n结的小离散值，尺寸和配置的标准化以及收集区的数目的增加N→∞为代价，通过高MCC浓度梯度和内阻减小，对微小的遮蔽区进行补偿。

集流区和与其连接的电极可以具有不同的配置。图5图示了收集单元的离散带配置。图6图示了收集单元的离散栅格配置，其中半导体基板的正面上的p区也变为局部的。

这些单元不仅可以通过金属化组合，而且可以通过任何已知方法组合，包括但不限于使用例如多晶硅或TCO或ITO的透明电流传导材料。

在一般情况中，结束离散转换器包括具有各种不同目的单元的表面-本体异质系统(SSBH)。

在下文中，为了简单起见仅示出了具有两个基本p-n结的PEC单元部分。然而，半导体基板通常可以包括数目足够大的这些结：N≥1(优选地N＞＞1和N→∞)，其借助于连接总线或单元5ac与相邻电流收集区组合为电流节点。为了简单起见，图7-100b未示出它们通过连接总线5ac或者正面电极5a的平面组合为电流节点。

此外，在下文中将理解，在根据本发明的结构中，电流收集单元之间的距离与非平衡电荷载流子的扩散长度相称。

在具有平滑或粗糙表面的厚度小于70μm的薄的晶片上和在厚度大于70μm的大块平滑或纹理化晶片(例如，厚度为300-450μm的传统晶片)上均可以形成转换器。为了简单起见，在附图中未示出表面纹理。晶片厚度取决于转换器结构。

厚度大于70μm的大块晶片适用于扩散-漂移双面转换器。

1.1.1.离散扩散单层转换器

1.1.1.1.表面(平面)PEC

该类型的转换器具有在半导体基板中形成的单层形式的收集单元。该类型的转换器制造起来是简单的并且较之具有大的连续正面的现有传统转换器是高效的。在图7(顶视图)和图8(界面A-A)中示出了平面离散扩散转换器的单元。在半导体晶片的正面1a上，通过掩模掺杂并且使p-n结2a出现在第二传导类型半导体基板的正面上，建立了第一传导类型区2。为了简单起见，下文将示意性地示出收集单元并且其可以具有各种形状和配置。

1.1.1.2.PEC中的连接元件

对于给定的收集单元的高封装密度，转换器表面的遮蔽程度增加，从而可能导致其削弱的效率。提出了通过组合用作收集区的区来防止该问题，但是同时不会阻碍辐射进入转换器本体。

如图9-10(平描述示例)和11-12(台面实施例)中所示，收集单元2通过表示连接元件的具有相同传导性的连续的浅的弱掺杂区2c彼此连接，其并未被涂覆金属，即对于外部辐射是透明的。

该区建立了微小程度的遮蔽，从而一方面，通过PEC的光通量增加，并且另一方面，由单元2的深度和掺杂程度定义的内阻保持为低的。连接元件可以具有任意配置，例如带或栅格或六边形或其他配置。在后者的情况中，其深度和掺杂程度因为不会影响转换器的吸收和转换能力而不具有基础重要性。

连接元件可以具有各种配置和扩展。

图13-14示出了连接元件的带和栅格配置。在后者的情况中，如离散收集单元的示例中的那样，其深度和掺杂程度不具有基础重要性。

这些元件可以被补充偏转单元。

该类型的转换器在结构上不限于平面配置并且可以被实现为台面和组合转换器。

1.1.1.3.本体(台面)PEC

图15-16示出了本体(台面)转换器，其中具有相邻集流区的p-n结2a从半导体基板本体产生到外部至EMR直接撞击区中到转换器正面的正表面和横向表面上。为此，在连续或局部掺杂正面1a之后，建立掩模，用于以如下方式通过该掩模从正面刻蚀半导体：p-n结形成与正面的横向表面的角度。结果，EMR撞击区域显著增加。因此，在PEC的本体台面实施例中，EMR敏感有效区域显著增加，从而总量子吸收和EMR转换效率增加。从平面转换器变为本体转换器使得可能不仅通过建立规则结构来增加吸收表面，而且通过引导和提高它们的可收集性来使区厚度和MCC扩散长度最优化。

1.1.1.4.组合PEC

图17-18示出了组合转换器，其中p-n结2a从半导体基板本体产生到外侧至转换器正面的正表面上：在局部掺杂正面1a之后，建立用于通过其越过掺杂区刻蚀半导体表面的掩模。在这些转换器中，以竖直凹陷为代价，EMR敏感有效区域(如先前的PEC实施例)增加。这些凹陷可以具有任何配置，例如棱锥。

1.1.1.4.5.具有带-栅格收集单元的PEC

在先前的实施例中，第一传导类型收集单元2被配置为具有小离散值的掺杂区，其通过具有金属化形式的外部元件或者具有连接区形式的内部元件组合为电流节点。这些实施例在技术上是复杂的并且适用于超高效专用转换器。

下文讨论了在技术上更简单的转换器设计。它们的外部元件具有各种配置，从而以电流节点和吸收EMR光谱向红移以及紫色和X射线区域扩展为代价，确保了高效率。

图19-30示出了具有栅格收集单元的平面转换器。

图19-20示出了平面栅格转换器。

图21示出了平面带转换器。

图22示出了平面带-栅格转换器。

带-栅格转换器不仅可以具有单层而且可以具有多层结构(如下文参照多层转换器进一步讨论的那样)。

图23-24示出了平面栅格双层转换器的实施例。

图25-26示出了台面栅格单层转换器的实施例。

图27-28示出了台面栅格双层转换器的实施例。

图29-30示出了栅格双层转换器与具有凹陷的形式的收集单元组合的实施例。

为了提高它们的效率，带-栅格转换器可以被补充第一和第二传导类型(或者它们的组合)偏转单元(如下文参照具有偏转单元的转换器进一步讨论的)，以及与上文讨论的转换器相似的场电极。

1.1.2.离散扩散多层转换器

通过以建立收集单元中的高掺杂n⁺p⁺结为代价增加接触电位差，可以实现转换器开路电压。同时，由于它们的离散性，另外的掺杂层不会形成针对短波光谱区的光学阻挡层。

图31-32(平面配置)和图33-34(台面配置)中示出了具有n⁺p⁺结的转换器的示例，其中形成了另外的掺杂层6。

图33-34示出了双层扩散转换器；图35-36示出了多层扩散转换器。通过连续掺杂，形成了层序列，其中每个对在被逐渐接通时(在PEC结构中形成了电位倍增器)使开路电压大致增加接触电位差，并且在被并联接通时，电流大致乘以堆叠中的层数。图37-38中示出了具有子层结的接通(连接)5ab的多层平面转换器的示例。

在前面描述的台面和组合转换器的设计中实现了具有或不具有结接通的多层转换器。

1.1.3.使用偏转电场的离散扩散转换器

用于提高转换器的功率转换效率的一种方法是通过形成另外的内建场来建立MCC的定向运动。为此，可以使用具有不同的(n⁺或p⁺)传导类型的掺杂区，其未与收集单元电气耦合并且形成另外的内建内部场。

1.1.3.1.使用第一传导类型偏转单元的转换器

当在例如p传导类型基板中形成具有与第一传导类型(n传导，图39-40)收集单元2相同类型的局部区12时，获得了局部p-n结。在暴露于EMR时形成的MCC将在SCR p-n结的影响下在收集单元的方向上偏转。在台面和组合单层和多层转换器的SBSH中也可以包括单类型偏转单元。这些单元可以具有各种形状和配置。

1.1.3.2.使用第二传导类型偏转单元的转换器

当在例如第二p传导类型基板中形成具有与第一n传导类型(图41-44)收集单元2相同类型的局部区13时，获得了作用与反面排斥区3相似的局部掺杂区。

在台面和组合单层和多层转换器的SBSH中也可以包括第二传导类型偏转单元。这些单元可以具有各种形状和配置。它们也可以借助于连接元件8组合为电路(图45-46)。

1.1.3.3.使用组合偏转单元的转换器

图47-48示出了由第一和第二传导类型单元组成的局部组合偏转单元的实施例。该组合形成了内建场的组合，其建立了SBSH并且对转换器中的MCC的高效分离和收集有贡献。

在台面和组合单层和多层转换器的SBSH中也可以包括组合偏转单元。

这些单元可以具有各种形状和配置。它们也可以组合为闭合电路。

1.1.4.使用量子陷阱的离散扩散转换器

图49-56示出了具有深棱锥(任何配置是可能的，例如，如图57-60中示出的正方形)凹陷(具有指向下的截头锥顶)的组合转换器，其中第一传导类型区的p-n结2a出现在棱锥纹理的内部横向表面上。集流电极5a被安置为与遍布陷阱深度布置的这些第一传导类型区的表面相邻以确保由此收集来自转换器基板底部的电流并且消除表面和本体复合。集流电极可以由光学透明或不透明传导材料制成。

在第一传导类型区的棱锥凹陷之间，在距离F处安置第二传导类型区的棱锥凹陷。因此，转换器正面上的凹陷包括一种捕获量子能量并且将其转换为EMF的量子陷阱。

凹陷按如下方式布置在FS上：第一传导类型区和第二传导类型区按其之间的间隔或者增量F交替。由于该配置，MER光谱的高能短波部分进入半导体基板的深度和面积增加。同时量子陷阱深度确保了在转换器本体中捕获短波量子。量子陷阱越深，转换器本体捕获的短波高能量子就越多并且生成的MCC的数目和PEC效率就越高。

1.1.5.使用第二传导类型偏转区и第三集流电极的转换器

除建立内建排斥场之外，如图61-62中所示第二传导类型偏转单元可以用作正面集流电极。在这一点上，p⁺区可以具有任意配置和连续性。在该情况中，第三(或第二正面)集流电极对基板转换器区中的短波光谱部分形成的非平衡载流子的高效收集有贡献。假设相关偏转单元的场的特定组合，出现符号相反的电位，其达到10伏特和更高并且借助于接通可以出现在第二正面电极上。由此转换器的开路电压和最大功率增加。

在该情况中，正面上的第二集流电极对基板转换器区中的短波光谱部分形成的MCC的高效收集有贡献。

1.1.6.使用场单元的离散扩散转换器

转换器场电极旨在使来自半导体表面的MCC偏转到收集单元，MCC可以在该半导体表面中活跃复合。

图63-64示出了被配置为延伸越过金属电极5a的p-n结部分10到达收集单元的场电极。在具有与单元2相同的电位的情况下，该电极使MCC偏离表面以由此防止它们的复合。

图65-66示出了相似的场电极11，其具有与电极5a的接触并且由例如多晶硅或1TO的对于EMR透明的材料制成，由此转换器遮蔽区减小。

如图67-68中所示，场电极11被配置为具有与收集区和集流电极5a的欧姆接触的连续透明区。在该情况中，该电极还执行集流电极的功能。

场电极可以与第一和第二传导类型以及组合偏转单元重叠(图69-70)。

1.1.7.使用沿收集区的外周的场单元的离散扩散转换器

在上文给出的转换器的示例中，第一电极在其中心部分中接触收集单元。

如图71-72中所示，第一电极围绕第一传导类型收集区2的外围(沿外周)布置以形成偏转场电极。

如图73-74中所示，第一传导类型收集区2自身可以是不连续的并且被补充单类型和/或不同类型的偏转单元。此外，该转换器还可以被配置为多层结构。

收集单元2可以具有各种结构。

图75-76示出了暴露的收集单元2的实施例，其中心部分没有n⁺层并且包括用于短波辐射的窗口。

图77-78示出了带和栅格收集单元2的实施例。

示例2.聚束离散扩散-漂移转换器。正面

在上文讨论的转换器中，仅使用了电流的扩散分量。通过利用另外的电极建立外部场，不同于具有连续收集层的转换器，离散转换器可能实现更高效的电流漂移分量，其中漂移电极场的作用被高掺杂层屏蔽。

图79-80示出了扩散-漂移转换器的示例。漂移电极11a被配置为光学透明传导层，其通过介电层4与转换器正面1a隔离并且通过介电层15与第一电极的集流传导总线隔离。当适当的位移电流被施加到电极11a时，电场不仅使MCC偏离表面而且向其赋予另外的电流漂移分量。

在扩散-漂移转换器中可以使用建立内建电场的单类型的(图81-82)、不同类型的和组合(图83-84)偏转单元。

漂移电极可以按如下方式被分为彼此不电气耦合的区域11a和11b，使得每个区域被布置在特定传导类型的偏转单元上方(图85-86)。

通过建立针对偏转单元7的接触，第二漂移电极11b可以用作第二正面集流电极(图87-88)。

可以使用各种配置和数目的漂移电极，分立电位可以被施加到每个漂移电极用于在收集单元的方向上建立加速场。所有上文讨论的转换器实施例中均可以包括漂移电极。

示例3.聚束微透镜扩散-漂移转换器。正面

在上文讨论的转换器中，通过使收集单元局部化，引入具有局部掺杂区域的形式的偏转单元，形成场和и漂移电极，形成了本体-表面异质系统。

转换器中的MCC浓度梯度的改变可以通过如下方式实现：借助于建立收集单元附近的遮蔽区，表面纹理化或者如前面讨论的台面本体的情况中的那样对其进行局部刻蚀(显著增加转换器暴露面积)以及组合转换器设计，在正面上提供光学异质。

在该实施例中，提出了使用微透镜或者例如用于使EMR射线聚集或转向的微棱镜的其他光学器件来形成光学异质。微透镜(微棱镜)不仅可以与任何上文讨论的转换器单元组合使用，而且可以在传统的转换器中使用；即使在同质连续收集层下面，仍然使射线的光学路径转向，它们对半导体中的EMR浓度增加有贡献并且对生成过程的局部化有贡献，从而单结转换器变为聚束转换器。

图89示出了具有布置在第一正面电极5a的扩展部分上方的聚焦透镜21的扩散转换器的示例。在该情况中，MCC浓度的最大值落在辐射聚焦区上。聚焦区中的整个EMR光谱的强度急剧增加，特别是中和远红外辐射区。与金属化5a重叠的微透镜区域用于将聚集的高能射线(即，射线束或者电磁波束)引导到吸收区(由图89-90中的箭头示意性示出)，由此由金属化形成的遮蔽区减少到零。

图90示出了具有聚焦透镜21的扩散转换器的示例，该聚焦透镜21按如下方式使射线路径转向：MCC将在收集电极2的近区中生成，由此削减了扩散长度并且因此削减了复合损失。

微透镜(微棱镜)可以与任何前面讨论的转换器单元组合使用。

在上文讨论的转换设计中，暗中假设使用第二遮蔽电极的经典的连续实施例。替选地，为了进一步减少本体电阻，不同于根据本发明的连续遮蔽电极，使用具有细微栅格或细带(梳)或细微带-栅格形状的形式的电极，其也具有作为结的正面上的单电流节点。图1a-16中示出了电流节点的示例。图77、78中示出了带-栅格形状配置的示例。遮蔽电极上的切除部可以具有任何形状，例如，不仅具有带形状，而其具有圆形、多边形等形状。

示例4.双面聚束扩散-漂移转换器。背面

对比上文描述的设计，下面将描述使用正面和背面上的单元的转换器的实施例。同时，在任何下面的实施例中，可以使用与所有前面的实施例中在正面上使用的技术相同的技术。半导体基板的两个面(正面和遮蔽面)的使用使得能够在最大程度上使用电流的扩散和漂移分量并且能够在转换器的正面上和体积中以及背面上完全消除MCC复合，由此将使PEC功率转换效率以不可预知的方式显著提高。可以使用图1-90中示出的正面的任何结构和单元作为双面转换器的基础。在图91-92中和下文中，使用取自图87-88的正面结构。双面转换器的特征在于，根据设计，以收集-偏转单元的并联连接为代价在其中形成了高达四个相反电流节点。为了使PEC升级和多样化，可以使用来自图1-90的结构的任何单元或正面部件或者其组合并且使其出现在背面上。

图91-92中示出的转换器是来自图88的转换器的正面的修改方案，但是不同之处在于，在背面上安置偏转离散p⁺区域3而非连续高掺杂偏转p⁺层3，其借助于点接触16b与电极5b电气耦合。在背面的连续第二电极和偏转p⁺区域之间，安置介电中间层16，在与这些偏转区的接触点处提供凹陷。该转换器设计允许减少反(遮蔽)面上的本体和表面电荷复合。当以来自正面的总内反射为代价使辐射返回半导体本体时，遮蔽面5b的连续金属化对返回转换器本体的辐射反射有贡献，由此提高了长波光谱中的灵敏度，特别是在本体转换器的情况中。

这些效果的组合使得可能变为超精细基板。

图93-94示出了具有背面17的局部(不连续)带金属化的扩散-漂移转换器，使得可能使用相同的双面转换器。在具有连续偏转电极的转换器中也可以使用不连续金属化。在图85-86(截面视图和后视图)中示出的该实施例中，连续电极5b被替换为带电极17，其被配置为窄的延伸带17。金属化17不一定遵循电极3的配置并且可以具有任何配置，包括但不限于带、栅格或梳。在带电极17и偏转区域之间，安置介电中间层16，在与偏转区域3的电极的接触点处具有局部凹陷(开口)。该设计确保减少本体和遮蔽面的表面层中的电荷复合。

对于NeCC的高效收集，在背面区中可以使用背集流单元18，第四(或者第二遮蔽)集流电极20通过电介质16中的窗口19与该背集流单元18接触。在图95-96中图示出了该转换器的示例。集流单元18和偏转区3可以具有连接区18a和3a。可以提供具有延伸偏转电极20a和17a的形式的金属化。

在图97-98中示出的实施例中，在转换器反面上另外提供收集n⁺区域18，确保来自RS的电流收集的第四(或者第二遮蔽)电极20通过接触19与该收集n⁺区域18相邻，由此进一步提高转换器的功率转换效率。

在图89-90中示出的实施例中，提供了扩展的第二电极17a和扩展的第四(或者第二遮蔽)电极20a。扩展的电极进一步消除了n⁺p⁺区的近区中的电荷复合。此外，在该实施例中在背面上另外提供n⁺区域。该转换器的效率被进一步提高一个数量级或更大。

图91-92中示出的实施例包括组合设计，其中在背面上进一步提供偏转p⁺单元22p。

在图99-100中示出的实施例中，离散偏转p⁺区域3通过具有与偏转区域3自身相同的传导性的连接元件3a连接到扩展带。该转换器设计实现了本体和转换器遮蔽面的表面层中的电荷复合的进一步增强的减少。

具有正面和背面的偏转离散或连续p⁺或n⁺区域的其他组合是可能的，其也确保了高的功率转换效率并且在本发明的范围内。

示例5.使用内建辐射源的聚束扩散-漂移转换器。遮蔽面和正面

使用内建源的转换器具有图1-100中呈现的上述示例性转换器设计，不同之处在于，通过任何已知的方法在其中建立具有另外的辐射源的层或区域，特别地可以使用放射性辐射源(RRS)。

RRS可以例如，被施加到例如图100中所示的转换器的集流层或电介质15、16。辐射源包括医学和生物学中目前使用的低水平放射性制剂。具有内建放射性辐射源的转换器将长时间操作并且这些转换器的工作时间取决于内建制剂量。例如，使用基于半衰期为27.7年的锶-90的制剂将使得转换器可能自由操作100年。

示例6.使用扩散电流的交轴和直轴分量的聚束转换器

当前可用的转换器具有集流总线5ac，其宽度高达150-250μm，按2-3mm的间隔或增量隔开。同时，沿X轴的逐层的浓度梯度实际上是恒定的，从而电流的扩散分量取决于沿Y轴的浓度改变和区2的场(即，取决于扩散电流的交轴分量)并且沿Y轴定向(图100a和100b)。扩散电流的交轴分量与受照表面积成比例并且其值受该表面的限制。同时，人工建立和初始化直轴分量，该直轴分量的值可以远超过电流的交轴分量，将进一步对转换器总电流的增加有贡献。

为此，在图100a和100b中示出的实施例中，使用具有电介质4中的密集分布的窄的接触4a和窄的集流金属化总线5ac的形式的集流系统，该集流金属化总线5ac将正面的N个电极5a组合为单电流节点并且按F≤2f的间隔或增量隔开(其中f是NeCC扩散长度)。

在形成遮蔽区的总线下面，没有MCC生成，或者考虑小的边缘衍射，发生不明显的生成。由此，在通过不透明(金属)电极5ac遮蔽转换器1本体的边界处，人工建立了高的纵向电荷浓度梯度，从而出现扩散电流的直轴分量。

因此，X直轴分量被添加到扩散电流的Y交轴分量。结果，对总扩散电流求和，从而根据本实施例实现了PEC功率和效率的显著增加。

遮蔽区的系统不仅建立了电流的直轴分量，而且有利地影响转换器的内阻，实际上不影响总遮蔽面积。

实际上，为了在不增加遮蔽面积从而使其值保持为现有技术中的那样的情况下实现PEC效率的显著提高，进行如下操作。例如，按增量F隔开的传统转换器的200微米总线在宽度上分为m个窄的总线，其按照与MCC扩散长度相称的增量F/m隔开。

在图100a和100b中示出的连续转换器的情况中，由于电荷载流子基本上是在金属化下面的接触区中收集的，从而在层2上流动的电流的横向分量减少到1/m，所以该简单的PEC最优化技术移除了关于“死”层2的厚度和掺杂程度的约束，并且因此其可以是无限薄的。

所描述的技术不仅用于图100a-100b中图示的转换器的情况，而且实际上用于图1-100中示出的所有示例性PEC，特别是其中收集电极2和金属化之间的距离与NeCC扩散长度相称的配置。

示例7.基于聚束转换器的扁平电池和模块

电池中的电池单元和PEC布置的六边形配置

根据现有技术，转换器基本电池单元布置在硅晶片上，其形式为具有圆形配置或者所谓的伪正方形的完整的电池单元，并且随后完整的电池单元被组装为扁平电池或模块或板以备未来配送给用户。

当在半导体晶片上形成完整的SC时，它们的因切割和后继的布置和组装在电池中引起的损失取决于针对它们的布置所使用的配置。因此，提出了使用较之现有技术在经济上最优的并且在技术上合理的配置来布置本发明的SC，即六边形或伪六边形形状。

下面将分析现有技术和发明人提出的CS配置和布置。

太阳能电池单元(SC)对太阳能电池(SB)的占用主要取决于SC结构。使用正方形(或矩形)SC实现了SB的最大占用(100％)。然而，这些电池单元是在熔化或条状多晶硅上形成的，具有9-12％的低效率。由使用圆形晶片制造的SC形成基于单晶硅的SB，其具有高效率；在该情况中下面的配置是可能的，具有它们各自的有利的(+)和不利的(-)方面(图101-109和表1)：

1.圆形：硅的损失最小(+)；电池单元的低的SB(-)面积占用；

2.正方形：由于切除引起的硅损失最大(-)；电池的最大电池单元占用(+)；

3.伪正方形：电池的最大电池单元占用(+)；由于从晶片切除SC引起的损失(-)；在SC未占用的SB中留下间隙(-)。

SC六边形提供了最小硅损失和最大占用的组合：

4.六边形：硅的损失最小(+)；最大SC(+)电池占用；

5.伪六边形：硅的损失最小(+)；最大SC(+)电池占用；SC未占用的SB中的间隙小于伪正方形的情况。

图101-109示出了布置为太阳能电池的太阳能电池单元；表1示出了，对于从直径100mm的晶片切除的相同的SC面积，由于将SC布置为不同的配置而引起的太阳能电池单元和太阳能电池面积的估计损失。

图101示出了正方形。图102示出了伪正方形。图103示出了六边形。图104示出了伪六边形。图105示出了圆形配置的SC。图106示出了伪正方形配置的SC。图107示出了六边形配置的SC。图108示出了伪六边形配置的SC。

太阳能电池单元(SC)占用的太阳能电池取决于SC结构。在表1和图109中示出了因切除引起的晶片面积的损失，其中几何损失被表示为关于各种结构的太阳能电池单元的面积的函数。图109示出了因伪正方形Si sq、伪六边形Si hex的切除引起的晶片面积的损失；因伪正方形配置SCsq、伪六边形配置SChex引起的晶片表面积的损失。如该图中所示，在曲线Si-SB的交叉点处实现了关于伪形状的最优损失。

示例8.基于透射型转换器的多级电池和模块

超精细晶片的使用允许减少因本体复合引起的损失。然而，在该情况中并非吸收所有入射能量，特别是在接近半导体禁带宽度的区中，由此这些区中的转换器灵敏度被削弱。使用所谓的透射型转换器的多极配置可以避免该问题。

透射型转换器包括任何上文讨论的类型的本发明的转换器，其基于预期用于特定吸收最大值的薄的半导体晶片。按如下方式设计多级转换器：首先吸收并且转换半导体禁带宽度下方的短波长光谱，并且在每个接续的级中吸收并且转换较长波长的光谱。

除提供转换性质之外，该系统中的每个先前的电池单元包括用于下一电池单元的光学滤光器。

在传统的多级转换器中，使用具有不同的禁带宽度的电池单元的串联连接，所述电池单元具有公共负载电阻。对于该布置，为了调制每级的电池单元的传导率，需要该级针对其设计的总辐射光谱，否则任何未经调制的电池单元的高内阻将增加整个级的内阻，从而将限制其电流。

在根据本发明的电池中消除了这一缺点。不同于传统的多级转换器，仅通过将透射型转换器机械布置成平面并联堆叠来制造本发明的电池。同时，本发明的电池或模块及其具有电池单元的串联连接的组件提供了每个电池单元在其自身的负载电阻R_H下的操作(图109a)。如果例如，长波长光谱不可用并且电池单元Eg 3未操作，则电阻Rh 3处的电位变得接近零并且外部电路中的电流由电阻Rh 2和Rh 1定义。此外，该方法允许使每级的负载电阻平滑。

在n个相同的具有EMF E₁和内阻r₁的源的串联连接的情况中，电池E的EMF及其内阻r是单个源的n倍：

E＝n·E₁，r＝＝n·r₁。

在m个相同的具有EMF E₁和内阻r₁的源的并联连接的情况中，电池E的EMF等于单个源的EMF，电池电流I是单个源I₁的n倍并且其内阻r是单个源的内阻的n分之一：

E＝E₁，r＝r₁/m。

因此，出于减少电池内阻的观点，级电池单元优选地并联组合。然而，即使在每个电池单元的有效调制的情况中，该模式中的EMF将由最小禁带宽度电池单元，即Eg 3的EMF定义。因此，应通过将该模式中的电池单元并联连接成分段来使其电压平衡。

按如下方式选择电池单元面积及其数目：使每个分段处的电压相等，该电压不仅由所使用的半导体的禁带宽度定义而且由入射辐射水平定义。

在将相同的电流源并联-串联连接成电池(图109b)的情况中，该电池由m个并联分段组成，在每个分段中并联连接n个源，电池E的EMF及其内阻由下式确定：

E＝n·E₁，r＝r₁·n/m。

此外，如果不存在任何光谱分量，则整个级将被该分段避开。因此，分段通过正向偏置二极管连接到公共电路。

通过电池单元的这种连接，所提出的电池变得对入射辐射光谱的组成不敏感，并且电流源的并联-串联连接允许在该电路中获得具有所需EMF和内阻的源。除技术益处之外，多级电池和薄半导体晶片的使用使得可能以使基板材料节约高达一个数量级为代价实现显著的经济益处。

图119、110-113、114-116和表2-3示出了支持本发明实现的技术效果的实验证据。

如图119中所见，根据本发明的PEC能够在从IR到UV和更高的宽范围的入射EMR中操作。传统的现有技术器件仅能够在0.4至1.2μm宽的范围中操作。

p-n结的总电阻R_P的分量：有效电阻R、电容C和电感L是材料结构敏感特性，因此它们随机地(概率性地)显现。由于R、C、L均为随机值，因此可能仅通过随机方法来检测材料上的其任何改变。因此，发明人使用统计方法以便于证实可达到技术效果。本发明中的每个转换器实际上由N个表示p-n结的单元组成。

图110示出了实验统计测量数据，其示出了在f＝1kHz的操作测量频率下的具有硅基二极管布置的转换器中的p-n结的内阻R。出于实验结果的可靠性、准确性和再现性起见，通过本发明人之一在(Kartashov E.M.，Tsoi B.，Shevelev V.V.，The Structural and StatisticalKinetics of Polymer Destruction，Moscow，Khimia Publishers，2002，736p，；Tsoi B.，Kartashov E.M.and Shevelev V.V.，THE STATISTICALNATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS.Utrecht-Boston.Brill Academic Publishers/VSP.2004.522p.)中先前提出的程序来测量由至少100个转换器标本组成的p-n结统计样本。基于R的测量数据，根据所述工作中详细描述的程序来绘制按序号m的这些值的具有累积分布函数(或者变量图，其是相同的)形式的分布曲线。

在图110中使用如下图例：23-根据100个相同的具有一个p-n结N＝1的硅基转换器的标本的统计样本的测量数据绘制的，按序号m的p-n结电阻的分布，每个p-n结具有300sq.μm的表面积S；24-根据100个相同的具有100个p-n结N＝100的硅基转换器的标本的统计样本的测量数据绘制的，按序号m的p-n结电阻的分布，每个p-n结具有300sq.μm的表面积S；25-根据100个相同的具有一个p-n结N＝1的硅基转换器的标本的统计样本的测量数据绘制的，按序号m的p-n结电阻的分布，每个p-n结具有30sq.μm的表面积S；26-根据100个相同的具有100个p-n结N＝100的硅基转换器的标本的统计样本的测量数据绘制的，按序号m的p-n结电阻的分布，每个p-n结具有30sq.μm的表面积S。

在图100中可见，根据p-n结的面积S，它们的内阻具有不同的实验值中的散布。在大尺寸(S＝300sq.μm)p-n结的统计样本中，电阻值R的散布(曲线23)显著小于小尺寸(S＝30sq.μm)p-n结的样本中的电阻值R的散布(曲线25)。小尺寸的p-n结给出了电阻值的巨大的散布和离散。在大p-n结的统计样本中，完全未观察到例如接近零的小电阻值，它们在该统计样本中不存在。在具有小尺寸p-n结的样本中，观察到大量的具有低电阻值的结。在数值上，关于小尺寸结的电阻值的散布在范围0至0.2欧姆内，并且在大尺寸p-n结的样本中，该散布在范围0.05至0.15欧姆内。

如果取如曲线23所示的在每个标本中具有N＝1个p-n结的100个标本的统计样本(具有S＝300sq.μm大的结)并且通过并联连接将它们组合为单电流节点(束)(该组合聚束转换器从而将具有使用公共电极耦合成单电流节点的N＝100个p-n结)，根据支路定律，该束的总电阻将具有小于最小值(该统计样本中的最小值是0.05欧姆)的值。当绘制100个该相同的束(转换器)的累积分布曲线时，所有点将是对准的(曲线24)并且实际上在该情况中未观察到散布。

并且现在，如果如曲线25所示的在每个标本中具有N＝1个p-n结的100个标本的统计样本(较小尺寸的结，即S＝30sq.μm)通过并联连接被组合为单电流节点(束)(如前面的情况，该组合聚束转换器将具有使用公共电极耦合成单电流节点的N＝100个p-n结)，根据支路定律，该束的总电阻也将具有小于最小值(该统计样本中的最小值是0.0欧姆)的值。换言之，如果p-n结具有小尺寸并且数目大(出于可靠性起见，至少N＝100)，则转换器的总内阻将等于零。当绘制关于100个该相同的由N＝100个p-n结组成的转换器的累积分布曲线时，所有点将与零点对准(曲线26)。在该情况中未观察到实验散布，从而在该实施例中获得了具有高精度电气参数的转换器。

在这两种情况中，在组合为束(具有单电流节点的并联电路)之后，实验散布被完全消除，总电阻急剧下降以变得稳定并且在测量值的整个范围上维持在恒定的水平(参见曲线25和26)。同时，如曲线23-26中所示，总电阻变得小于最小值。然而，在具有小尺寸p-n结的统计样本中，总电阻基本上小于具有大尺寸p-n结的样本中的总电阻并且其中达到零值。通常，p-n结尺寸越小并且N的数值越大，总电阻就减少得越多并且转换器生成的电流和功率值就越大。

因此，根据图110中示出的数据得到的结论是，在制造根据本发明的半导体转换器时，p-n结优选地被制成基本上小尺寸的、单类型的和相同的，而N应是足够大的(理想地其应趋向于无穷大值)。同时，为了实现转换器中的更好的电阻减少效果，优选地使用具有小于70μm厚度的半导体基板。

通常，所获得的关于聚束转换器(具有大量的结的转换器，这些结的电阻被组合为单电流节点)的实验统计测量数据实证地证实了可达到根据本发明的技术效果。此外，发明人(在各种操作频率范围中)执行了单结和聚束转换器的电容C、电感L和质量因数Q的相似的实验统计分析。

所获得的实验数据证实了可达到根据本发明的技术效果和根据本发明的转换器的可行性。在表2中呈现了一些这样的数据。

表2示出了关于f＝1kHz和1MHz下的具有N＝4、10和1000个分立的单类型p-n结的转换器的R、C、L、Q的值。

通常，实验结果表明，在N个p-n结(即聚束转换器)的统计样本中，完全消除了实验散布并且电气参数变得稳定和高度准确。同时，不仅观察到转换器的电阻值R的下降，而且观察到电感值L和电容值C的下降(图110和表2)。电容的减少归因于如下事实，作为电阻减少的结果，杂散电荷行进远离外部电路而非在结接触处积累。减少电感的机制与减少并联电路中的电阻的机制相似。同时，R、C、L值的减少导致了转换器质量因数Q的显著增加。

此外，如果N和操作频率f同时增加，则内部的电阻R、电容C、电感L的值变得更稳定并且增强了减少效果。还应当注意，在温度改变的情况中(在温度下降到低值以及增加到高值的两种情况中)，也观察到电气参数值的稳定。在173°K至573°K的范围中执行测量。

对于根据传统半导体技术工业制造的本发明的PEC获得了相似的结果。

制造了许多示例性转换器。在制造根据图71-72的实施例的转换器时，p-n结的尺寸被局部化为500μm×500微米，并且N＝256个p-n结被布置成8000μm×8000μm的基本单元。该转换器中的第一电极沿p-n结的外周延伸，这些p-n结借助于稀疏电流传导收集总线组合为单电流节点。使第二电极是连续的。

在根据图6的实施例制造的转换器中，使更多的p-n结局部化。同时，使用具有十字形配置的10μm×10μm的离散p-n结。转换器具有24mm×22mm的基本单元，高达N＝100000个p-n结安置在其中。使该转换器中的第一电极具有十字的形式，离散p-n结被布置在其下面，其通过第一电极和集流总线组合为束，即单电流节点。使第二电极是连续的。将根据本发明的PEC与具有连续p-n结、连续正面(没有连续性断开)和传统的氧化钽抗反射涂层的控制PEC进行比较。测量短路电流和开路电压以便于计算转换器功率的最大值。图111示出了红色光中的控制转换器和本发明的转换器的典型的电流-电压特性。如示出的，上面的曲线28表示本发明的PEC而下面的曲线27表示控制PEC。

如表3和图111中可见，根据本发明的PEC在整个测试EMR范围中具有显著高于控制PEC的短路电流和开路电压。同时，根据本发明的转换器具有显著扩展的可转换EMR频率范围。例如，对比本发明的转换器，具有一个连续p-n结的控制PEC不能在低于220nm(紫外带)和高于1000nm(红外带)的EMR区中生成EMR。因此，根据本发明的聚束离散扩散转换器能够在传统的可见EMR带以及更高和更低的带中操作。

通常，如表3中所见，在各种EMR频带中，特别在紫外部分中，作为通过将p-n结的尺寸减小到500μm×500μm(在图71-72的布置中)并且增加p-n结的数目N和浓度而使EMR转换过程局部化的结果，较之具有连续p-n结的传统PEC，电气参数：开路电压、短路电流和功率增加一个数量级或更多。具有其中电极沿p-n结的外周布置的设计的转换器生成可见带(从1000nm到220nm)和高于EMR光谱的紫外部分的不可见带(即，x射线和IR区域中)中的光电流。如表中所见，控制转换器的技术特性在所有测试EMR频带中明显是低劣的。图112示出了太阳辐射光谱AMO 0(曲线29)和所制造的转换器的减少光谱特性：30-关于具有连续正面的控制PEC；31-关于根据本发明的聚束扩散转换器；32-关于根据本发明的聚束扩散-漂移转换器。可以看到，根据本发明的PEC在可见光和不可见光区域中，即在太阳辐射的UV和IR区中均是灵敏的。同时，根据本发明的扩散-漂移转换器具有比扩散转换器更高的光谱灵敏度。

此外，如表3中所见，根据本发明的转换器能够在高达573°K和更高的温度改变的情况中操作。在暴露于EMR和升高的高达573°K和更高的温度下在根据本发明的转换器中测量的短路电流和开路电压证实了维持它们的值和稳定性。在具有连续收集区和单个大的连续结的控制标本中，这些温度下的电流和电压值下降到零。应当注意，根据实验数据，本发明的转换器不仅在低于中间IR带而且在x射线带和高达伽马范围中的频率下生成了光电流。

为了证明达到声明的技术效果，还制造了具有电流的交轴和直轴扩散分量的聚束转换器的标本。制造了根据图3-4(示例1)和图100a、100b(示例6)的实施例的PEC的标本以及具有连续p-n结的传统的控制PEC。

图113中图示了这些PEC的测量数据，示出了控制(曲线33)和实验标本(曲线34-36)的短路电流Isc的函数：33-具有连续p-n结，集流总线宽度为200μm，集流总线之间的距离为2000μm并且金属化遮蔽系数为8.4％的示例性传统控制标本；34-具有根据图100a和100b的实施例的连续集流层，集流总线宽度为18μm，集流总线之间的距离为200μm并且金属化遮蔽系数为8.2％的标本；35-具有由如图4中所示的金属化完全覆盖的根据图3的实施例的十字形集流层2，集流总线宽度为18μm，集流总线之间的距离为200μm并且金属化遮蔽系数为18.0％的标本；36-具有部分暴露的离散十字形单元的图3的实施例。遮蔽系数总计为8.2％。

曲线33-34图示的实施例和曲线35-36图示的实施例中的收集层的面积比是1至10。

图113中的曲线33表明，以“死”层2的高内阻为代价，连续标本的短路电流在60mA处饱和：在“死”层下方的转换器本体中形成的少数载流子朝向该层移动，由该层收集并且进一步沿该层朝向电极5ac移动。

给定浓度梯度dn/dy，扩散电流的交轴分量具有密度j_Y：

j_Y＝qD(dn/dy)，

其中q是电子电荷而D是扩散因数。

在出现与遮蔽区关联的浓度梯度dn/dx直轴分量的同时，出现电流的直轴分量：

j_X＝qD(dn/dx)，

并且由于陡峭的浓度梯度，即当(dn/dx)＞(dn/dy)时，电流的直轴分量的密度大于交轴分量的密度：j_X＞j_Y。总电流密度是j＝j_X+j_Y。

这由示出作为光通量密度的函数的短路电流的曲线(曲线33)证明，其在曲线34-36下方沿电流轴渐行渐远。

还可以作如下解释，所形成的NeCC的高百分比在本体中复合而未到达集流层2。如果电极之间的距离与NeCC扩散长度相称，则对应于扩散电流的交轴分量的载流子自由地到达集流电极，从而曲线34-36沿电流轴显著渐行渐高。

曲线34-36证明了扩散电流的直轴分量的效果，其与扩散短路电流的交轴分量相反，不与p-n结面积成比例。如图113中所见，定义扩散电流的直轴分量的效果的曲线34-36被绘制为沿电流轴显著渐行渐高。

因此，减少了与结面积成比例的饱和电流I_S的有害作用，I_S的方向与光电流相反并且使总电流减少I＝I_Φ-I_S。该纵向电流效果对于转换器35的温度依赖性也是有益的，转换器35的p-n结的面积相对转换器33-34的面积是小的：当它们变热时的开路电压的下降明显小于具有连续结的转换器中的情况。因此，实验结果表明，为了实现最大电流收集效果，需要人工建立本体-表明异质系统(SBSH)，其在一般情况中不仅包括交替的n⁺和p⁺区，而且包括PEC正面上的遮蔽区域的系统，其增加了电荷载流子浓度梯度。通常，根据图3-4以及图100a-100b制造的PEC的分析表明，在暴露于辐射量子下时，遍布于基板各处形成了NeCC，不论是在n层中还是在p层中。因此，必须建立电荷浓度梯度；电荷必须与N个(内建)离散p-n结的场分离并且由适当的带-栅格电极布置高效地收集以确保建立具有p-n结电阻的电流节点。

图114-116中的图例：曲线37-具有结的最优尺寸4μm×4μm的离散聚束转换器；反射率：45％；曲线38-获得自Sun Power公司的具有连续结的高性能转换器；反射率：1-2％；曲线39-用于航天应用的具有连续结的高性能转换器；反射率：8％。

图114-116示出了p-n结和第一传导类型区，其截面尺寸被最优化为4μm×4μm。在大规模生产条件下通过单晶电子硅制造标本。为了比较，测试Sun Power公司的高性能太阳能电池单元和用于航天应用的传统的电池单元。获得了如下入射辐射吸收因数：SP-单电池单元-98％，航天-92％，根据本发明的聚束电池单元-55％。根据入射辐射功率测量电池单元的内部转换因数。

如可以看到的，所有电池单元的内部转换因数随着入射功率的增加而减小。在高性能连续转换器中观察到最大的减小量：从15-20％(在正常条件下)减小到3-5％。该减小在聚束离散电池单元中不是如此灾难性的：其从40％减小到23％。根据本发明的聚束电池单元的高的内部转换因数证实了它们较之现有技术转换器的高效率。

如图115-116中可见，当同时暴露于温度和光通量密度时，聚束离散转换器也呈现出高效率。当入射功率总计为3000W/m²并且测量的温度是70-80℃时，离散太阳能电池单元的能量输出超过800W(曲线37)，而高性能Sun Power电池单元和用于航天应用的电池单元的能量输出分别是其四分之一和二分之一(参见图116中的曲线38和39)。应当注意，这些结果是在没有抗反射涂层的情况下获得的。可以预期，在离散电池单元中消除反射的情况下，这些值将提高两倍。

当通过p-n结的进一步局部化并且增加N和结浓度以及使n⁺иp⁺区在转换器正面上交替来建立SSBH时，出现了令人惊讶的现象：电位的逐步增加。在表3中呈现了数据，其表明具有局部化的N＝100,000个离散p-n结的SSBH转换器标本生成了7V。这比关于硅的值高出一个数量级，这在理论上得到证明并且在现有技术中实际获得。同时，它们在不可见带，即，中IR(5000nm)以及可见和不可见UV范围(220-300nm)中生成了电位。具有一个结N＝1的传统的连续转换器在这些条件下在处于IR和UV频率时的电位等于零。这些结果证实了上文作出的结论的有效性以及可达到本发明的技术效果。

最后，应当注意，上文给出的示例仅被呈现用于更好地理解本发明的实质以及其益处，绝非涵盖本发明的所有特定实施例。考虑到前文，对于半导体工程领域的技术人员明显的是，其他特定实施例也是可能的，特别地，其特征在于与本公开中明确提到的不同的例如，用于基板的材料、电路传导路径等，但是其仍是公知的并且在相关领域中用于相似目的，并且其特征还在于本公开中未明确提到的p-n结的数目，但是仍唯一遵循本发明的实质。或者，例如，这里使用的方法可以用于制造其他具有二极管布置：二极管、光电二极管、光发射二极管、晶体管、光电晶体管、可控硅、半导体激光器等的半导体器件。除这里讨论的实施例之外，可以使用本公开中提到的诸如在敏感表面上建立各种纹理的用于提高效率的方法，以及与这里讨论和提到的方法不同的用于将转换器制造为整体和其分立元件的许多其他方法。还可以想到在所附权利要求寻求保护和限定的范围内的本发明的其他特定实施例。

工业适用性

本发明的转换器可以使用传统的半导体技术和传统的半导体基板材料来制造，并且将转换器组装成电池(模块)可以基于这里提供的信息由本领域的技术人员实现。本发明的转换器和电池可以在电力工程和其他工业领域中高效地使用，特别用作电动势的源。

Claims (59)

1.一种电磁辐射转换器，包括半导体基板，在其正面上形成N≥1个离散局部第一传导类型区，所述基板具有第二传导类型，从而所述第一传导类型区与所述基板一起形成组合为电流节点的N≥1个p-n结，其特征在于，在所述基板正面上的所述第一传导类型区外部形成同型结，以建立针对少数电荷载流子的排斥同型势垒。

2.根据权利要求1所述的电磁辐射转换器，其特征在于，对至少一部分基板正面进行纹理化。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的电磁辐射转换器，其特征在于，抗反射涂层被施加到所述基板正面。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的转换器，其特征在于，用于吸收电磁辐射和注入非平衡电荷载流子的局部中心被嵌入到所述基板中，以建立非平衡电荷载流子的浓度梯度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的转换器，其特征在于，掺杂凹陷同型偏转区形成在所述基板正面上的所述第一传导类型区外部，用于建立相对于所述第二传导类型区或多个所述第二传导类型区的非平衡电荷载流子的浓度梯度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的转换器，其特征在于，所述第一传导类型区按照与非平衡电荷载流子的扩散长度相称的间隔隔开。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的转换器，其特征在于，所述基板的背面包括第二传导类型掺杂凹陷离散收集区，其与基板材料一起形成局部同型结，所述局部同型结借助于局部接触和背面传导电极组合为背面相反电流节点。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的转换器，其特征在于，所述基板背面包括N＞1个第一传导类型离散局部收集区和N个离散p-n结，其借助于第二集流电极组合为第二背面电流节点。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的转换器，其特征在于，在基板正面上介电层配备有窗口，所述窗口至少位于所述N个第一传导类型离散局部区的区域中以确保所述第一电极与所述区的接触。

10.根据权利要求1-10中任一项所述的转换器，其特征在于，N＞1，所述基板正面上的所述N个第一传导类型区是分立的和单类型的，并且形成N个分立的和单类型的p-n结。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的转换器，其特征在于，N＝1。

12.根据权利要求11所述的转换器，其特征在于，所述基板正面上的所述第一传导类型区包括K≥1个第一传导类型区域，其中K是整数，所述第一传导类型区域通过M≥1个第一传导类型连接元件彼此连接。

13.根据权利要求12所述的转换器，其特征在于，M＝1，即所述第一传导类型区包括具有单个连续矩形带的形式的一个第一传导类型掺杂连接元件。

14.根据权利要求12所述的转换器，其特征在于，所述第一传导类型区包括具有分立的单类型薄矩形带的形式的M＞1个第一传导类型掺杂连接部分。

15.根据权利要求12所述的转换器，其特征在于，所述第一传导类型区包括被布置为形成栅格的M＞1个第一传导类型掺杂连接区域。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的转换器，其特征在于，在所述正面的侧表面和正表面上提供p-n结，所述p-n结具有与其相邻的收集区。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的转换器，其特征在于，在所述基板正面上的N个第一传导类型区中的每一个下面安置第二传导类型掺杂层。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的转换器，其特征在于，在所述基板正面上的每个所述第一传导类型区下面安置G＞1个连续交替的第二传导类型和第一传导类型层的堆叠。

19.根据权利要求18所述的转换器，其特征在于，所述堆叠中的第一和第二传导类型区串联或并联接通(连接)。

20.根据权利要求19所述的转换器，其特征在于，一个传导类型的所述收集区的传导借助于相同传导类型的掺杂连接元件连接。

21.根据权利要求20所述的转换器，其特征在于，至少一部分所述连接元件形成闭合电路。

22.根据权利要求20-21中任一项所述的转换器，其特征在于，所有所述连接元件形成闭合电路。

23.根据权利要求1-22中任一项所述的转换器，其特征在于，在所述基板正面上安置X≥1个另外的掺杂偏转区，其与所述N个第一传导类型收集区分离。

24.根据权利要求23所述的转换器，其特征在于，所述X个掺杂偏转区中的每一个具有第二传导类型。

25.根据权利要求23所述的转换器，其特征在于，所述X个偏转区包括第一和第二传导类型的区。

26.根据权利要求23所述的转换器，其特征在于，所述X个掺杂偏转区中的每一个具有第一传导类型。

27.根据权利要求23-26中任一项所述的转换器，其特征在于，所述掺杂偏转区是离散的。

28.根据权利要求23-27中任一项所述的转换器，其特征在于，一个传导类型的掺杂偏转区的至少一部分借助于相同传导类型的连接区域组合为电路。

29.根据权利要求23-27中任一项所述的转换器，其特征在于，所述X个掺杂偏转区被配置为连续的闭合电路(圈或环)。

30.根据权利要求28所述的转换器，其特征在于，所述基板正面上的N个第一传导类型收集区中的至少一个被安置在由所述偏转区形成的电路中。

31.根据权利要求29所述的转换器，其特征在于，N个收集区中的至少一个被安置在所述连续闭合电路内。

32.根据权利要求23-31中任一项所述的转换器，其特征在于，所述基板正面上的N个第一传导类型收集掺杂区和掺杂偏转区被安置在彼此间距为F≤2f的交替的离散量子俘获凹陷中，其中f是非平衡电荷载流子的扩散长度，所述陷阱是在布置在一些凹陷中的所述第一传导类型收集区的基板正面上形成的，并且所述偏转区是在沿所述第一传导类型的凹陷的离最近的凹陷距离为F的其他凹陷中形成的。

33.根据权利要求32所述的转换器，其特征在于，所述转换器包括另外的第三(或者第二正面)集流电极，其连接到所述X个第二传导类型掺杂偏转区中的每一个。

34.根据权利要求32所述的转换器，其特征在于，所述转换器包括另外的第三(或者第二正面)集流电极，其连接到所述X个第二传导类型掺杂偏转区中的至少一个。

35.根据权利要求9所述的转换器，其特征在于，至少一个偏转场电极被安置在所述介电层上面。

36.根据权利要求35所述的转换器，其特征在于，在所述基板正面上安置X≥1个另外的掺杂偏转区，其与所述N个第一传导类型收集区分离。

37.根据权利要求36所述的转换器，其特征在于，至少一个偏转场电极被安置在所述X个掺杂偏转区中的至少一个的区域中的介电层上面。

38.根据权利要求35或37所述的转换器，其特征在于，连接到N个第一传导类型区中的每一个的第一收集电极延伸并且在均单独截取的平面视图中与其所连接的所述第一传导类型区重叠，所述第一电极连接到所述偏转场电极，从而形成单个延伸收集-偏转电极。

39.根据权利要求38所述的转换器，其特征在于，所述延伸收集-偏转电极由光学透明(或半透明)的传导材料(例如，Si^＊、TCO、ITO)制成。

40.根据权利要求38所述的转换器，其特征在于，所述延伸收集-偏转场电极由光学透明(或半透明)的传导材料(例如，Si^＊、TCO、ITO)制成以连续延伸穿过所述正面。

41.根据权利要求38所述的转换器，其特征在于，所述第一电极沿所述正面上的N个集流区中的每一个的外周延伸。

42.根据权利要求41所述的转换器，其特征在于，所述偏转区沿所述第一电极的外周延伸。

43.根据权利要求39-40中任一项所述的转换器，其特征在于，在所述集流-偏转电极外部沿其外周形成第三电极(或者所述正面上的第一漂移电极)，其在施加偏置电位时生成漂移场。

44.根据权利要求43所述的转换器，其特征在于，所述第一传导类型偏转区被安置在所述漂移电极下面。

45.根据权利要求43所述的转换器，其特征在于，在所述第一电极和所述漂移电极之间形成场漂移电极(所述正面上的第二漂移电极)，其安置在所述第二传导类型偏转区上方。

46.根据权利要求45所述的转换器，其特征在于，所述正面上的所述第二漂移电极电气地连接到所述基板。

47.根据权利要求13所述的转换器，其特征在于，组合为电流节点的Y≥1个薄电极被布置在所述正面上，所述电极之间的间隔与所述非平衡电荷载流子的扩散长度相称。

48.根据权利要求1-47中任一项所述的转换器，其特征在于，所述正面上的所述第一传导类型区和所述正面上的所述第二传导类型区覆有微透镜或微棱镜。

49.根据权利要求1-48中任一项所述的转换器，其特征在于，所述第二传导类型基板的反面包括W≥1个分立的第二传导类型偏转-收集掺杂区，其借助于所述连续的第二电极组合为电流节点。

50.根据权利要求49所述的转换器，其特征在于，所述分立的W≥1个掺杂偏转和收集区是单类型的。

51.根据权利要求49所述的转换器，其特征在于，所述反面包括V≥1个第一传导类型掺杂偏转和收集区，其均通过第四电极组合为电流节点。

52.根据权利要求51所述的转换器，其特征在于，所述反面包括另外的第一传导类型离散偏转区，其围绕所述第二和第一传导类型的偏转-收集区的外围安置。

53.根据权利要求51所述的转换器，其特征在于，所述反面包括另外的第二传导类型离散偏转区，其安置在所述第一传导类型离散偏转区之间。

54.根据权利要求1-53中任一项所述的转换器，其特征在于，所述转换器被布置在厚度与所述非平衡电荷载流子的扩散长度相称或者更小的半导体基板上。

55.根据权利要求1-54中任一项所述的转换器，其特征在于，在半导体基板的正面或背面上布置具有另外的电磁辐射源，例如锶-90的Z个区。

56.一种电池，其包括J＞1个根据权利要求1-55中任一项所述的转换器，其中J是整数，所述电池具有多边形外缘并且彼此连接成串联和并联电路。

57.根据权利要求56所述的电池，其特征在于，所述转换器的外缘具有六边形配置。

58.一种电池，其包括J＞1个根据权利要求1-55中任一项所述的转换器，其中J是整数，所述电池具有伪六边形外缘并且彼此连接成串联和并联电路。

59.一种电池，其包括J＞1个根据权利要求1-55中任一项所述的薄的透射型转换器，其中J是整数，所述电池布置成堆叠并且彼此连接成串联和并联电路，所述转换器被堆叠，使得上面的层或级转换入射辐射的短波光谱范围，并且所述堆叠中的每个后继的下面的级或层转换较长波光谱。

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