CN1128477C - 纳米光－热伏电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米光-热伏电池，包括半导体衬底、扩散层、高掺杂扩散层、电极、离子注入层。离子注入层夹在衬底与高掺杂扩散层之间，形成两个PN结。高掺杂扩散层覆盖离子注入层，使其厚度在1nm-100nm之间。同时本发明还给出了该电池的制备方法，包括氧化、光刻、扩散、离子注入、低压真空化学淀积、蒸铝等步骤。本发明真正实现了将太阳光能、辐射热能以及光电转换过程中的热能均转换成电能，因此转换效率大大提高，性价比产生了飞跃，可以工业化生产。

Description

纳米光—热伏电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电池，尤其是一种可以将光能转换成电能的光电池，同时本发明还涉及该光电池的制备方法，属于半导体材料应用技术领域。

背景技术

目前，公知的光电池通常由半导体衬底与扩散层形成的PN结、以及该PN结两端引出的电极构成。这种光电池仅仅凭PN结形成的自建电场使光能转换成电流，而根本无法利用光电转换过程中存在的大量热能，其转换效率很低，最多只能达到18.5％。申请日为991014、申请号为99229600.5的中国专利《热光电池》公开了一种热光电池结构。这种结构的热光电池从理论上打开了吸收红外线及利用耗散热能的通道，因此可以具有明显提高光电转换率的功效。然而，这种热光电池仅仅是一种实验室阶段的样品雏型，尤其是尚未考虑到与纳米技术的结合，因此难以实现将太阳光能、辐射热能以及光电转换过程中的热能均转换成电能，其性价比不能符合工业化生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有热光电池存在的问题，提出一种利用纳米技术充分发挥热光电池效能、可以工业化生产的纳米光—热伏电池。同时本发明还将给出纳米光—热伏电池的制备方法，以实现这种新型光电池的工业化生产。

为了达到上述目的，申请人在深入研究和实践的基础上，提出以下技术方案：本发明的纳米光—热伏电池包括半导体衬底、扩散层、高掺杂扩散层，以及分别从衬底和高掺杂扩散层引出的电极。此外，还含有离子注入层，所述离子注入层夹在衬底与高掺杂扩散层之间，形成两个PN结。高掺杂扩散层覆盖离子注入层，使其厚度在1nm——100nm之间。

在本发明纳米光—热伏电池衬底与离子注入层之间的PN结界面，可以产生与普通光电池类似的光生电位，由此而产生的光生电流可以用下式表示

     J＝-qμn(dΦ_n/dx)                     (1)(1)式中J——光生电流

   q——电子电荷

   μ——电子迁移率

   n——电子密度

  Φ_n——光生电位其中，qΦ_n为光生电位引入后的准费米能级。

而在离子注入层与高掺杂扩散层之间的PN结界面之间，由于此区间在电子自由程的距离内，势能改变很快，不存在平衡状态，所以此区域内的载流子不能用准费米能级来描述，其光生电流应当用下式表示

       J＝q(n_m-n_o)V_R                (2)(2)式中J——光生电流

   q——电子电荷

   n_m——有电流时在x_m处的电荷密度

   n_o——在x_m处的准平衡电荷密度

   V_R——势能极大处的复合速度根据上述理论分析可知，当注入光强度达到一定程度后，将引起量子隧道效应。换个角度通俗些说，由于高掺杂作用使高掺杂扩散层与离子注入层之间的PN结处、包括“覆盖”区域，积聚大量可以吸收近红外线的载流子，而离子注入层的厚度极薄，载流子很容易穿越其形成的势垒，因此两PN结处的总电流将是光生电流加上吸收热能载流子产生的电流及隧道电流之和，以上的热能包括太阳光辐射热以及光电转换过程中产生的热能。结果，本发明真正实现了将太阳光能、辐射热能以及光电转换过程中的热能均转换成电能。因为量子隧道效应带来的电流增益远比光生电流大得多，因此转换效率大大提高，从而使性价比产生了飞跃，可以工业化生产。

制备本发明纳米光—热伏电池的方法包括以下工艺步骤：

A.氧化——约5份干氧加60份湿氧再加5份干氧，氧化温度控制在1000℃——1200℃，使半导体衬底材料表面形成氧化层；

B.光刻——温度控制在30℃——50℃，时间3——5分钟，在半导体衬底材料上刻去局部氧化层，形成扩散窗口；

C.扩散——温度控制在1000℃——1200℃，时间16——20分钟，通过在半导体衬底材料上扩散三或五族元素，形成扩散层；

D.氧化——约30份湿氧加40份干氧，温度控制在950℃——1150℃，

E.光刻——在半导体衬底材料上刻出离子注入窗口，温度、时间同步骤B；

F.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃——1100℃，时间约3小时，浓度10¹⁴——10¹⁹cm^-3，厚度控制在1nm——100nm，形成离子注入层；

G.光刻——在离子注入层表面刻出高掺杂窗口，温度、时间同步骤B；

H.低压真空化学淀积——温度控制在550℃——650℃，真空度控制在约10^-5乇，保温三小时，生长掺杂多晶半导体，浓度达10¹⁷——10²¹cm^-3，形成高掺杂层；

I.蒸铝——温度1148℃，衬底温度250℃，恒温8——12分钟，形成表面蒸铝层；

J.光刻——在蒸铝层上刻出电极，温度、时间同步骤B；

之后进行划片、装架、封装等常规后续工艺步骤，完成本发明纳米光—热伏电池的制备。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

图1中的纳米光—热伏电池包括n^-半导体衬底1(外延片)、p⁺扩散层2、p⁺离子注入层3、n⁺⁺高掺杂扩散层4、电极6和7。p⁺离子注入层3夹在n^-衬底1与n⁺⁺高掺杂扩散层4之间，形成上下两个PN结，构成类似“三明治”的n^-、p⁺、n⁺⁺纳米夹层结构。p⁺离子注入层3被n⁺⁺高掺杂扩散层4覆盖，厚度为1100nm。就电池整体而言，n^-、p⁺、n⁺⁺纳米夹层结构呈栏杆状排列，其相互之间为p⁺扩散层2形成的矩形区域，其上表面盖有氧化层5，工作时用以接收太阳光入射能。此外，各n^-、p⁺、n⁺⁺纳米夹层结构形成的栏杆为金属铝箔围带所连接。电极6和7分别从n^-半导体衬底1和铝箔围带上引出。

理论和实践证明，当本实施例夹层结构中的p⁺离子注入层3为合适的纳米尺寸时，可以具有热生载流子的传输能力，即纳米光—热伏电池不仅可以通过光生载流子将太阳光能转变成电能，同时可以通过热生载流子将太阳光的辐射热能以及光电转换过程中的热能均转变成电能。由于热生载流子的数量远比光生载流子多得多，并能形成隧道效应，因此本实施例纳米光—热伏电池的工作电流可以高出普通光电池好多倍。尤其是当将多个本实施例的电池串联或并联成电池组时，可以形成功率强大的发电器。与同功率的普通光电池组比较，体积可以缩小好多倍。

本实施例纳米光—热伏电池的具体制备工艺过程如图2所示，包括以下步骤：

制备本发明纳米光—热伏电池的方法包括以下工艺步骤：

A.氧化——约5份干氧加60份湿氧再加5份干氧，氧化温度控制在1100℃，使n^-型硅半导体衬底材料表面形成氧化层；

B.光刻——温度控制在40℃，时间4分钟，在n^-型硅半导体衬底材料上刻去局部氧化层，形成扩散窗口；

C.扩散——温度控制在1100℃，时间18分钟，通过在n^-型硅半导体衬底材料上硼扩散，形成p⁺扩散层；

D.氧化——约30份湿氧加40份干氧，温度控制在1050℃

E.光刻——在n^-型硅半导体衬底材料上刻出离子注入窗口，温度、时间同步骤B；

F.离子注入——在50千伏下注入三氟化硼，温度控制在1000℃，时间约3小时，浓度10¹⁴——10¹⁹cm^-3，厚度控制在1nm——100nm，形成离子注入层；

G.光刻——在离子注入层表面刻出高掺杂窗口，温度、时间同步骤B；

H.低压真空化学淀积——温度控制在600℃，真空度控制在10^{- 5}乇，保温三小时，生长掺砷多晶硅，浓度达10¹⁷——10²¹cm^-3，形成n⁺⁺高掺杂层；

I.蒸铝——温度1148℃，衬底温度250℃，恒温10分钟，形成表面蒸铝层；

J.光刻——在蒸铝层上刻出电极，温度、时间同步骤B；

之后进行减薄、背面金属化、划片、装架、封装，完成本发明纳米光—热伏电池的制备。

实施例二

图2所示实施例二与实施例一的主要区别是，半导体衬底1为p^-型，扩散层2为n⁺型，离子注入层3为n⁺型，高掺杂扩散层4为p⁺⁺型。此外，在半导体衬底1的一侧上直接制有用作引出电极的高掺杂扩散层8，这样不仅电极的引出更方便，可以实现平面结构，用单晶材料即可制作，成本更低。

本实施例纳米光—热伏电池的制备方法与实施例一的不同之处是，以磷扩散取代硼扩散，以三氟化磷离子注入取代三氟化硼离子注入，以生长掺硼多晶硅取代生长掺砷多晶硅。

除上述实施例外，本发明还可以有其他变化型式。例如，在高掺杂扩散层与离子注入层之间、以及离子注入层与衬底之间也可以设置本征层(π层)，起缓冲作用。再如，为了实现光热转换成电，在使用纳米光—热伏电池时，在电极之间外加偏置电压；以及为了减小漏电流，在衬底周边通过扩散设置p⁺或n⁺隔离槽(为了降低成本，也可不设置隔离槽)；等等。这些均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米光—热伏电池，包括半导体衬底、扩散层、高掺杂扩散层，以及分别从衬底和高掺杂扩散层引出的电极，其特征在于：还含有离子注入层，所述离子注入层夹在所述衬底与所述高掺杂扩散层之间，形成两个PN结，构成类似“三明治”的纳米夹层结构，所述纳米夹层结构呈栏杆状排列，各纳米夹层结构相互之间为与所述半导体衬底的导电类型相反的矩形所述扩散层，所述离子注入层被所述高掺杂扩散层覆盖，所述离子注入层厚度在1nm——100nm之间。

2.根据权利要求1所述的纳米光—热伏电池，其特征在于：所述衬底为n^-型，所述扩散层为p⁺型，所述离子注入层为p⁺型，所述高掺杂扩散层为n⁺⁺型。

3.根据权利要求1所述的纳米光—热伏电池，其特征在于：所述衬底为p^-型，所述扩散层为n⁺型，所述离子注入层为n⁺型，所述高掺杂扩散层为p⁺⁺型。

4.根据权利要求2或3所述的纳米光—热伏电池，其特征在于：所述扩散层上表面盖有氧化层。

5.根据权利要求4所述的纳米光—热伏电池，其特征在于：所述各纳米夹层结构的表层被金属铝箔围带所连接。

6.根据权利要求1所述的纳米光—热伏电池，其特征在于：所述高掺杂扩散层与所述离子注入层之间、以及所述离子注入层与所述衬底之间设置本征层。

7.根据权利要求1所述的纳米光—热伏电池，其特征在于：所述衬底周边设置p⁺或n⁺隔离槽。

8.根据权利要求4所述的纳米光—热伏电池，其特征在于：所述衬底的一侧上直接制有用作引出电极的高掺杂扩散层。

9.一种纳米光—热伏电池的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

A.氧化——5份干氧加60份湿氧再加5份干氧，氧化温度控制在1000℃——1200℃，使半导体衬底材料表面形成氧化层；

B.光刻——温度控制在30℃——50℃，时间3——5分钟，在半导体衬底材料上刻去局部氧化层，形成扩散窗口；

C.扩散——温度控制在1000℃——1200℃，时间16——20分钟，通过在半导体衬底材料上扩散三或五族元素，形成扩散层；

D.氧化——30份湿氧加40份干氧，温度控制在950℃——1150℃；

E.光刻——在半导体衬底材料上刻出离子注入窗口，温度、时间同步骤B；

F.离子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，温度控制在900℃——1100℃，时间3小时，厚度控制在1nm——100nm，浓度10¹⁴——10¹⁹cm^-3，形成离子注入层；

G.光刻——在离子注入层表面刻出高掺杂窗口，温度、时间同步骤B；

H.低压真空化学淀积——温度控制在550℃——650℃，真空度控制在10^-5乇，保温三小时，生长掺杂多晶半导体，浓度达10¹⁷——10²¹cm^-3，形成高掺杂层；

I.蒸铝——温度1148℃，衬底温度250℃，恒温8——12分钟，形成表面蒸铝层；

J.光刻——在蒸铝层上刻出电极，温度、时间同步骤B；之后进行划片、装架、封装的常规后续工艺步骤。

10.根据权利要求9所述的纳米光—热伏电池的制备方法，其特征在于：

所述步骤A中的氧化温度控制在1100℃，半导体衬底材料为n-型硅材料；

所述步骤B的温度控制在40℃，时间控制在4分钟，半导体衬底材料为n-型硅材料；

所述步骤C的温度控制在1100℃，时间控制在18分钟，通过在n^-型硅半导体衬底材料上硼扩散，形成p⁺扩散层；

所述步骤D温度控制在1050℃；所述步骤E在n^-型硅半导体衬底材料上刻出离子注入窗口；

所述步骤F在50千伏下注入三氟化硼，温度控制在1000℃；

所述步骤H温度控制在600℃，生长掺砷多晶硅，形成n⁺⁺高掺杂层。

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