EA017920B1 - Преобразователь электромагнитного излучения и батарея - Google Patents
Преобразователь электромагнитного излучения и батарея Download PDFInfo
- Publication number
- EA017920B1 EA017920B1 EA201001707A EA201001707A EA017920B1 EA 017920 B1 EA017920 B1 EA 017920B1 EA 201001707 A EA201001707 A EA 201001707A EA 201001707 A EA201001707 A EA 201001707A EA 017920 B1 EA017920 B1 EA 017920B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- conductivity
- type
- converter according
- regions
- deflecting
- Prior art date
Links
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 title claims abstract description 68
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 126
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 117
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 51
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims abstract description 36
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 126
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 46
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 43
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 40
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 32
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 17
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 7
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 7
- CIOAGBVUUVVLOB-NJFSPNSNSA-N Strontium-90 Chemical compound [90Sr] CIOAGBVUUVVLOB-NJFSPNSNSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 claims description 3
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 55
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 135
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 65
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 65
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 62
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 description 51
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 33
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 32
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 32
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 31
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 31
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 30
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 28
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 23
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 description 20
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 20
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 17
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 14
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 14
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 14
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 13
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 238000011161 development Methods 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 8
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 8
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 8
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 8
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 7
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 7
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 6
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 6
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 5
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 5
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 5
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000013068 control sample Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 230000001815 facial effect Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 5-phenyl-2h-tetrazole Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=NNN=N1 MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018321 SbTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000001831 conversion spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 235000003642 hunger Nutrition 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002472 indium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/03529—Shape of the potential jump barrier or surface barrier
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для изготовления высокоэффективных широкополосных преобразователей электромагнитного излучения, напрямую преобразующих падающее излучение как в оптически видимом, так и в невидимом оптически диапазоне частот в электродвижущую силу. Преобразователь электромагнитного излучения по изобретению содержит полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой сформированы N>1 дискретных, локальных областей первого типа проводимости, подложка имеет второй тип проводимости, так что указанные области первого типа проводимости образуют с подложкой N>1 p-n переходов, объединенных в токовый узел. При этом вне областей первого типа проводимости на лицевой стороне подложки сформированы изотипные переходы, создающие неосновным носителям заряда отталкивающие изотипные барьеры. Указанное выполнение преобразователя обеспечивает его работу в более широком диапазоне частот электромагнитного излучения, способствует повышению его КПД и мощности по сравнению с известными из уровня техники аналогами, а также позволяет достичь высокой точности и стабильности его выходных характеристик. Описаны также батареи, сформированные из преобразователей указанного типа.
Description
Изобретение относится к широкополосным преобразователям электромагнитного излучения (ЭМИ), а также к батареям или модулям на их основе, напрямую преобразующих падающее излучение в электродвижущую силу (ЭДС) как в оптически видимом, так и в невидимом, в ИК-, УФ-, рентгеновском диапазоне частот и выше.
Уровень техники
Известные в уровне техники (см. например, Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. с. 937-948; Мейтин М./Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000, № 6, с. 40-46; Константинов П.Б., Концевой Ю.А., Максимов Ю.А. Кремниевые солнечные элементы. Москва: изд. МИРЭА, 2005. 70 с.) фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на полупроводниковых материалах преобразовывают узкую часть спектра ЭМИ Солнца. Это видимый диапазон частот (1014-1015 Гц), включая ограниченную часть из ИК (чуть ниже 1014 Гц) и УФдиапазона (немного выше 1015 Гц), достигающих поверхности Земли при хороших метеоусловиях в освещенное время суток (Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып. 8. с. 937 - 948). Следовательно, значительная часть ЭМИ, падающего на Землю, остается вне сферы преобразования.
При этом длинноволновая ИК-часть солнечного спектра ЭМИ (ниже 10 Гц), составляет значительную долю, достигая до 43,5%. Поэтому ИК-часть ЭМИ представляет практический интерес. Для земной солнечной энергетики этот интерес особый потому, что часть ИК-спектра длиной до 4 мкм в виде лучистой энергии свободно без потерь достигает Земли. Для преобразования ИК-спектра в уровне техники используют преобразователи, основанные на термоэлектрических эффектах, открытых в 1821 г. Зеебеком.
Коротковолновая часть спектра ЭМИ, в частности, УФ-излучение, несмотря на малую его долю в солнечном спектре (около 5%) представляет из-за высокой величины энергии фотонов не меньший интерес. Если энергия фотонов в видимой части света достигает до 3,3 эВ, то УФ-область имеет 3,3-120 эВ, причем фотоны с энергией 3,3-5,5 эВ (для которых озоновый слой Земли не помеха) без препятствий достигают земной поверхности. Поэтому коротковолновая часть, особенно для таких полупроводников, как кремний, для которых один из спектральных максимумов поглощения находится в коротковолновой области, представляет значительный интерес как для космических, так и наземных конструкций СЭ.
Недостатками всех современных преобразователей, основанных как на фотовольтаических эффектах, так и термоэлектрических, являются их низкая эффективность. Современный промышленный уровень техники преобразования по КПД составляет: для ФЭП из аморфного кремния 5-6%, из монокристаллического кремния 12-15%, из арсенида галлия 20-24%, а каскадных преобразователей - 36%. При этом стоимость последних отличаются, более чем на порядок. Эффективность преобразователей на термоэлектрических эффектах составляет также малую величину - 3-5%.
Основными причинами, ограничивающими КПД полупроводниковых солнечных элементов, являются (Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. / Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. // Физика и техника полупроводников. 2004, т. 38, вып. 8. с. 937-948; Мейтин М. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000, № 6, с. 40-46; Константинов П.Б., Концевой Ю.А., Максимов Ю.А. Кремниевые солнечные элементы. Москва: изд. МИРЭА, 2005. 70 с): 1) отражение ЭМИ от поверхности преобразователя; 2) прохождение части ЭМИ через преобразователь без поглощения в нём; 3) рассеяние ЭМИ на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов; 4) рекомбинация образовавшихся ЭДП на поверхностях и в объёме преобразователя; 5) внутреннее сопротивление преобразователя.
Солнечный элемент или ФЭП изготавливается на основе пластины (подложки), выполненной из полупроводникового материала, например кремния.
В пластине с определённым типом проводимости (т.е. или р или η типа) путём легирования создается электронно-дырочный переход примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного типа.
Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты, причем нижний контакт к теневой стороне - как правило, сплошной, а верхний, к освещаемой выполняется в виде гребенчатой структуры (полосы шириной 150-250 мкм, размещенные друг от друга на расстоянии 2000-3000 мкм из расчета 5-10% затенения ЛС и соединенные с более широкой шиной). Контакт р и η полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего важную роль в работе солнечного элемента.
Для создания отталкивающего поля и улучшения омического контакта поверхность пластины с теневой стороны дополнительно подлегируется.
При соединении в одном монокристалле полупроводников р- и η-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника η-типа в полупроводник р-типа и, наоборот, поток дырок из р- в η- 1 017920 полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к р-п-переходу часть полупроводника р-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к р-п-переходу часть полупроводника п-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи р-п-перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из п-области в р-область, а поле заряженного слоя, наоборот, вернуть электроны в п-область. Аналогичным образом поле в р-п-переходе противодействует диффузии дырок из р в п область. В результате устанавливается равновесное состояние: в области р-п-перехода возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из п-полупроводника и дырки из р-полупроводника должны затратить определенную энергию.
Стандартные, сплошные однопереходные преобразователи, как отмечено выше, выполняются на полупроводнике р-типа или п-типа проводимости. В результате преобладания диффузионной составляющей тока и ввиду различий в подвижности электронов е- и дырок 11' преимущество отдается подложкам из р-типа кремния, в котором подвижность не основных носителей заряда (ННЗ)-электронов - в 3 раза превышает подвижность дырок. Дальнейшие рассуждения справедливы для любого полупроводника (Се, 8ί, СаА§ и т.п.) р или п типа проводимости, однако в силу различий в подвижности 1' и е- в описываемой модели предпочтительно остановиться на кремнии р-типа проводимости. При этом при обсуждении вариантов преобразователя согласно изобретению для простоты изложения и тип проводимости условно назван первым типом, а р-проводимость - вторым типом проводимости (соответственно: область первого типа проводимости и область второго типа проводимости).
В стандартной однопереходной структуре п' р-р' типа, в условиях термодинамического равновесия, ФЭП или СЭ представляет собой обычный р-п-переход с присущими ему свойствами. В силу диффузии основных носителей заряда (ОНЗ) из п+ и р+ областей на границе их раздела остается область пространственного заряда (ОПЗ) с образованием электрического поля напряженностью Е, сила которого Е=с.|Е препятствует диффузионному перемещению дырок 1' из р в п область и электронов е из п области в р. В результате этих конкурирующих процессов создается контактная разность потенциалов φ0, которая тем больше, чем сильнее отличаются уровни легирования р и п областей. Для большинства кремниевых р-ппереходов <рс составляет 0,5-0,9 В, что вполне достаточно для создания высокоэффективных СЭ. Однако, чем выше контактная разность потенциалов, тем сильнее она препятствует диффузионному току через рп-переход т.к. НрНЗ приходится преодолевать более высокий потенциальный барьер (ПБ), т.е. НрНЗ с энергией меньше ПБ не смогут его преодолеть и будут бесполезно рекомбинировать в объеме полупроводника.
Время жизни НрНЗ 1' в п' слое ничтожно мало, сильно зависит от условий диффузии и уменьшается вследствие образования дислокаций и выделения избыточного фосфора в виде δίΡ-преципитатов. Слой п+ вблизи поверхности с высоким содержанием δίΡ-преципитатов обычно называют мертвым слоем, т.к. эта область электрически неактивна - фосфор не располагается в узлах решетки кремния. Однако этот слой не так уж и электрически неактивен: с одной стороны это малое время жизни 1'; кроме того, в силу рассеяния на преципитатах диффузионная скорость 1' замедляется так, что НрНЗ в данном случае 1', образованные за счет поглощения наиболее активной, голубой части спектра, не принимают участия в фототоке, т.е. п+ слой отсекает высокочастотную составляющую электромагнитного спектра излучения (Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Москва, изд. Мир, 1984. 470 с). Высокое содержание свободных основных носителей зарядов - электронов в п' слое существенно изменяет отражающую способность кремния: чем выше уровень легирования, тем выше коэффициент отражения (Заверюхин Б.Н., Заверюхина Н.Н., Турсункулов О.М./Изменения коэффициента отражения излучения от поверхности полупроводника в спектральном диапазоне λ - 0,2-20 μιη под воздействием ультразвуковых волн. //Письма в ЖТФ, 2002, т. 28, вып. 18. с. 1-12).
Таким образом, высокое содержание электронов в п' слое является причиной отсекания значительной части коротковолнового спектра электромагнитного излучения. Поэтому для увеличения эффективности ФЭП этот слой делают по возможности тонким, что в свою очередь может увеличивать внутреннее сопротивление ФЭП. То есть в конструкцию известных в уровне техники ФЭП изначально заложены конкурирующие процессы, принципиально ограничивающие их эффективность.
В патентной литературе известны различные конструкции и технические приемы направленные на преодоление этих факторов, ограничивающих КПД.
С помощью довольно изощренных и сложных технологических приемов удавалось в лабораторных условиях достичь КПД кремниевых солнечных элементов до 25% (Сгееп М.А е! а1. 25% Ей1сеп1 ЬотеВе51511У1у δί Сопсеп1та1от 8о1ат Се115. 1ЕЕ Е1ес!гоп Иеуюе ЬеПега. 1986, ΡΡ. 583-585.).
Особое внимание в проектировании и производстве гомогенных СЭ уделяется оптимизации собирающего п' слоя.
Известен метод оптимизации параметров слоя п+ (Константинов П.Б., Концевой Ю.А., Максимов Ю.А. Кремниевые солнечные элементы. Москва: изд. МИРЭА, 2005. 70 с). Он выполняется с тонким и невысоким уровнем легирования: диффузионно достаточно сложно избавиться от 8ίΡ преципитатов и обеспечить оптимальный уровень примеси. Внедрение фосфора ионным легированием позволяет обойти
- 2 017920 указанное препятствие, однако возникающие при этом нарушения в кремнии заметно снижают время жизни НрНЗ е- в р- слое, ограничивая тем самым длинноволновую, красную часть спектра. Однако глубину залегания и степень легирования п+ слоя нельзя уменьшать до сверхмалых значений, поскольку при этом увеличивается т.н. слоевое сопротивление (сопротивление растекания) и, следовательно, последовательное сопротивление СЭ.
Известен метод увеличения контактной разности потенциалов <рс за счет создания слоя р+ под п слоем: в патенте ДР 3206350 В2 (приоритет от 26.01.1995 г.) представлен СЭ в котором под п+ слоем сформирован р+ слой для увеличения потенциала, т.е. напряжения холостого хода. Как показывают расчеты, такое конструктивное выполнение может способствовать повышению КПД, но незначительно. Расчетные значения рс для приемлемых с точки зрения отражающих свойств 31 концентраций примесей N составляют (рс = 0,73 В для Ν31-η+ = 1019 и Ν31-ρ+ = 1018; рс = 0,53 В для Ν31-η+ = 1019 и Ν31φ+ = 1015, соответствующей удельной электропроводности р-31 ρ = 10 Омхсм;
В действительности, в силу генерационно-рекомбинационных процессов на границе высоко легированных областей эта разность окажется меньше.
Известен способ снижения рекомбинации (см. КП 2139601 С1, приоритет 04.12.1998) путем увеличения времени жизни ННЗ при термических процессах: одновременная диффузия бора и фосфора из нанесенных источников (гетерирование); текстурирование лицевой поверхности; создание мелкой п+ собирающей области; КПД достигнуто до 16,6%.
Известен способ увеличения КПД за счет уменьшения последовательного сопротивления преобразователя путем создания заглубленного п++ слоя под собирающим п+ слоем (СообпсН 1., С1ар1е-3око1., ЛИепбоге О., Ргапк К. Т1е е1скеб ти1Ир1е уегйса1 щпсОоп еШсоп р1ю1оуо11аю се11 //3о1аг Се11е. 1982. Уо1.6, N 1. Р. 87-101); авторам удалось поднять КПД до 18,5%.
Известен технический прием снижения рекомбинационных потерь на поверхности путем реализации схемы металлизации типа точечные контакты ( ЛЬепе Л.О., ЛИегтай Р.Р., Не1/ег О, КоЬтеоп 3.1. Ытйшд 1оее тесйашете т 23% ей1с1еп1 еШсоп ео1аг се11е//1.Лрр1. Рйуе. 1995. Уо1. 77, N 7. Р. 3491), в результате чего достигнут КПД 23%.
Известен способ увеличения КПД (ΌΕ 10127382 А1, приоритет 06.06.2001) путем уменьшения оптических потерь методом фотолитографического текстурирования поверхности: использованы зонный кремний с высоким временем жизни ННЗ и высококачественный термический оксид; КПД достигнут до 23-25%.
Известен также прием снижения оптических потерь путем нанесения на лицевую поверхность антиотражающих или просветляющих, или антирефлекторных покрытий на основе 3ί3Ν4, ТЮ2 или других пленок с показателем преломления более 1,8 (Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т. 38, вып. 8, с. 937-948; Мейтин М. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000, № 6, с. 40-46) или использования прозрачного токопроводящего слоя ТСО или 1ТО (являющегося одновременно антиотражающим просветляющим слоем) и использования проволочной контактной системы под слоем ламината (Унтила Г.Г., Кост Т.Н., Закс М.Б. и др. /Новый тип высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов с внешними шинами и проволочной контактной сеткой. //Физика и техника полупроводников. 2005, т. 39, вып. 11, с. 1393-1398), в результате чего достигнут КПД 17,7%.
Снижение оптических потерь за счет антиотражающих покрытий хорошо отлаженный прием. Практически полностью удается снизить отражение падающего света. Однако это не приводит к существенному улучшению преобразования попавшего во внутрь ЭМИ, а КПД в лучшем случае повышается на несколько процентов.
Известен преобразователь с вертикальными канавками: п+ область сплошная, требует высокого времени жизни НрНЗ для обеспечения хорошей эффективности в голубой области - неравновесным электронам приходится проделать длительный путь до достижения п+ слоя; основные недостатки - это сложность технологии изготовления и дороговизна (СообпсН 1., С1ар1е-3око1., Л11епбоге О., Ргапк К. Т1е е1скеб тиШр1е уегйса1 щпсОоп еШсоп рйо1оуо11а1с се11 //3о1аг Се11е. 1982, уо1. 6, Ν 1, Р. 87-101); КПД достигнут 18,5%.
Известен преобразователь (Патент И3 6998288 В1 от 14.02.2006 г.) с лицевым отталкивающим слоем и тыльной (теневой) гребенчатой контактной системой, КПД которого достигает до 20%. В данном случае легированный фронтальный слой не участвует в токосборе НрНЗ, т.е. во внутреннем сопротивлении элемента, поэтому он может быть сформирован тонким и умеренно легированным. Реализация таких систем технически не сложна, но связана с рядом условий: дорогостоящий базовый материал, кремний зонной плавки, который должен отвечать ряду жестких требований (высокое время жизни и высокая однородность). Т.е. требуется соблюдение всех технологических мер по сохранению времени жизни НрНЗ в противном случае эффективность в коротковолновой области спектра будет утеряна т.к. при малых диффузионных длинах образовавшиеся НрНЗ рекомбинируют в объеме, не достигнув токосборных электродов, потребуется уменьшение толщины базового полупроводника, что в свою очередь повлечет поте
- 3 017920 рю в длинноволновой области спектра.
Наконец известны каскадные преобразователи (Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т. 38, вып.8, с. 937-948; Мейтин М. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000, № 6, с. 40-46), эффективность которых достигает 36%. Большинство СЭ, как отмечено выше, основаны на однопереходных устройствах. В однопереходном элементе свободные носители зарядов создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны ШЗЗ. Фотоэлектрический отклик таких СЭ ограничен частью солнечного спектра, энергия которых выше ШЗЗ, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной ШЗЗ. Такие элементы были названы каскадными или многопереходными. Основные недостатки - это сложность технологии изготовления и дороговизна на данный уровень развития техники. Однако исследователи (Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В. Д.. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8, с.937-948; Мейтин М.. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000, № 6, с. 40-46) пророчат будущность каскадных преобразователей.
Необходимо особо отметить, что в уровне техники, во всех без исключения конструкциях преобразователей, присутствует один общий элемент - сравнительно большой по площади сплошной (целостный без разрывов) собирающий η слой, которые ограничивают КПД из-за большого слоевого сопротивления. Кроме того, во всех преобразователях генерируемый ток представляет собой диффузионную составляющую полного тока.
Следствием низкого КПД является высокая себестоимость электроэнергии, производимой с использованием таких преобразователей. Теоретически, за исключением каскадных преобразователей уровень КПД не может в них превышать 25% поглощаемой энергии. При этом за чертой преобразования остаются наиболее энергетичная УФ и выше часть спектра и длинноволновая ИК-область ЭМИ.
Между тем преобразование УФ-части солнечного спектра и выше, особенно в области жесткого УФ и рентгеновского излучения - и есть принципиальное решение энергетического голода космических аппаратов; а преобразование низких частот (НЧ) длинноволнового диапазона ЭМИ могло бы привести к решению земных энергетических проблем и в целом расширение спектра преобразуемых частот приведет к кардинальному снижению себестоимости альтернативной электроэнергии.
Сегодня на мировом рынке стоимость одного ватта альтернативной (т.е. произведенной путем преобразования ЭМИ) электроэнергии составляет 6-7 долларов США. При этом около половины этой стоимости составляет стоимость кремния. В настоящее время только несколько стран могут позволить себе кардинально развивать альтернативную солнечную энергетику - это такие страны, как Германия, Япония, США. Считается, что если стоимость одного ватта произведенной альтернативной электроэнергии будет меньше 3-х долларов США, а КПД достигнет выше 25%, то в солнечной энергетике наступит мировой прорыв.
Таким образом, эффективность ФЭП из уровня техники ограничена, с одной стороны, узкой частью спектра преобразования падающего ЭМИ, а с другой - низкой техникой преобразования попадающего вовнутрь преобразователя ЭМИ, т. е. малым значением коэффициента внутреннего преобразования, обусловленного в основном рекомбинационными процессами и большим внутренним сопротивлением элемента.
Сущность изобретения
В связи с вышесказанными недостатками, присущими решениям, известным из уровня техники, целью изобретения явилось создание высокоэффективных широкополосных преобразователей, имеющих высокий коэффициент внутреннего преобразования ЭМИ, работающих в широком диапазоне частот (от ИК-излучения до УФ и выше) и интенсивностей падающего ЭМИ.
Такие преобразователи должны также обладать более высоким КПД и мощностью, чем известные из уровня техники аналоги и должны иметь высокую точность и стабильность выходных электрических характеристик, а также должны работать в условиях значительных перепадов температур и радиации. Кроме того, преобразователи должны быть не только технически, но и экономически эффективными, быть сравнительно дешевыми и технологически адаптируемыми в современный уровень полупроводникового производства. При этом на выполнение этих преобразователей должно уходить минимальное количество полупроводникового материала.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе электромагнитного излучения, содержащем полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой сформированы N>1 дискретных, локальных областей первого типа проводимости, подложка имеет второй тип проводимости так что указанные области первого типа проводимости образуют с подложкой N>1 р-п-переходов, объединенных в токовый узел, согласно первому аспекту изобретения, вне областей первого типа проводимости на лицевой стороне подложки сформированы изотипные переходы, создающие неосновным носителям заряда отталкивающие изотипные барьеры.
- 4 017920
В частном случае по крайней мере часть лицевой стороны подложки может быть текстурирована.
В частном случае на лицевой стороне подложки может быть нанесен антирефлекторный слой.
В частном случае в подложку внедрены локальные центры поглощения электромагнитного излучения и инжекции неравновесных носителей заряда, создающие градиенты концентрации неравновесных носителей зарядов.
В частном случае на лицевой стороне подложки вне областей первого типа проводимости сформированы легированные углубленные изотипные отклоняющие области, создающие градиент концентрации неравновесных носителей заряда по отношению к области или областям второго типа проводимости.
Области первого типа проводимости предпочтительно расположены друг от друга на расстояниях, соизмеримых с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
В частном случае тыльная сторона подложки может содержать легированные углубленные дискретные собирающие области второго типа проводимости, образующие с материалом подложки локальные изотипные переходы, объединенные посредством локальных контактов и тыльного проводящего электрода в тыльный противоположный токовый узел.
В частном случае подложка с тыльной стороны может содержать N>1 дискретных локальных собирающих областей первого типа проводимости и N дискретных р-п-переходов, объединенных вторым токосборным электродом во второй тыльный токовый узел.
В частном случае на лицевой стороне подложки расположен слой диэлектрика, имеющий окна, по меньшей мере, в зонах расположения дискретных локальных N областей с проводимостью первого типа, обеспечивающие контакт первого электрода с указанными областями.
В частном случае N>1, причем указанные N областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки выполнены отдельными и однотипными, с образованием N отдельных и однотипных р-п-переходов.
В частном случае N=1, причем выполненная на лицевой стороне подложки область с проводимостью первого типа может содержать К > 1, где К - целое число - участков первого типа проводимости, соединенных между собой посредством М > 1 соединительных элементов с проводимостью первого типа. В частном случае М = 1, т.е. указанная область с проводимостью первого типа содержит один легированный соединительный элемент первого типа проводимости в виде одной сплошной прямоугольной полоски.
В другом частном случае указанная область с проводимостью первого типа может содержать М>1 легированных соединительных участков первого типа проводимости в виде отдельных однотипных тонких полосок прямоугольной формы. Указанная область с проводимостью первого типа может содержать М>1 легированных соединительных участков первого типа проводимости, расположенных с образованием сетки.
В частном случае р-п-переходы с прилегающими к ним собирающими областями выведены на боковую и фронтальную поверхности лицевой стороны.
В частном случае под каждой из N областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположен легированный слой с проводимостью второго типа.
В частном случае под каждой из указанных областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположена стопа из 6 > 1 последовательно чередующихся слоев с проводимостью второго типа и проводимостью первого типа. При этом области первого и второго типа проводимости в указанной стопе могут быть последовательно или параллельно скоммути-рованы (соединены), в частности, посредством легированных соединительных элементов того же типа проводимости. При этом по крайней мере часть указанных соединительных элементов или все указанные соединительные элементы могут образовывать замкнутые контуры.
В частном случае на лицевой стороне подложки расположено X > 1 дополнительных легированных отклоняющих областей, отдельных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа. Каждая из указанных X легированных отклоняющих областей может иметь проводимость второго типа, X отклоняющих областей могут включать в себя области как с первым, так и со вторым типом проводимости или же каждая из указанных X легированных отклоняющих областей имеет проводимость первого типа. Предпочтительно указанные легированные отклоняющие области выполнены дискретными, однако по крайней мере часть легированных отклоняющих областей с одинаковым типом проводимости могут быть объединены соединительными участками того же типа проводимости в контуры. По меньшей мере одна из N собирающих областей с проводимостью первого типа, выполненная на лицевой стороне подложки, может быть расположена в образованном отклоняющими областями контуре.
В частности, указанные X легированных отклоняющих областей могут быть выполнены в виде непрерывного замкнутого контура (кольца или пояса), а по меньшей мере одна из N собирающих областей может быть расположена внутри указанного непрерывного замкнутого контура.
В частном случае N собирающих легированных областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки и легированные отклоняющие области расположены в чередующихся дискретных квантовых ловушках-углублениях с периодом Е< 2£, где £ - диффузионная длина неравновесных носите
- 5 017920 лей зарядов, а указанные ловушки выполнены на лицевой стороне подложки, причем собирающие области первого типа расположены в одних углублениях, а отклоняющие области - в других углублениях вдоль расположения углублений с проводимостью первого типа на расстоянии периода Р от ближайшего углубления.
В частном случае преобразователь далее содержит дополнительный третий (или второй лицевой) токосборный электрод, соединенный с каждой или хотя бы одной из указанных X легированных отклоняющих областей с проводимостью второго типа.
В частном случае поверх слоя диэлектрика расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод. При этом на лицевой стороне подложки расположено X > 1 дополнительных легированных отклоняющих областей, отдельных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа, а поверх слоя диэлектрика в зоне расположения по крайней мере одной из указанных X легированных отклоняющих областей может быть расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод.
Первый собирающий электрод, соединенный с каждой из N областей первого типа проводимости, может быть выполнен расширенным и перекрывающим в плане каждую отдельно взятую указанную область с проводимостью первого типа, с которой он соединен, причем первый электрод может быть соединен с отклоняющим полевым электродом с образованием единого расширенного собирающеотклоняющего электрода.
Указанный расширенный собирающе-отклоняющий электрод предпочтительно, но не обязательно выполнен из оптически прозрачного (или полупрозрачного) токопроводящего материала (например, δί*, ТСО, ΙΤΟ).
Указанный расширенный собирающее-отклоняющий полевой электрод может быть также выполнен сплошным на всю лицевую сторону из оптически прозрачного токопроводящего материала (например, 8ΐ*, ТСО, ΙΤΟ).
В частном случае первый электрод может быть размещен по периметру каждой из N токосборных областей на лицевой стороне, отклоняющие области могут быть расположены по периметру первого электрода.
Еще в одном частном случае вне собирающе-отклоняющего электрода вдоль его периметра сформирован третий электрод (или первый дрейфовый электрод на лицевой стороне), образующий при подаче потенциала смещения дрейфовое поле. Под дрейфовым электродом могут быть расположены отклоняющие области первого типа проводимости. Также между первым и дрейфовым электродами сформирован полевой дрейфовый электрод (второй по счету дрейфовый электрод на лицевой стороне), расположенный над отклоняющими областями второго типа проводимости. При этом второй дрейфовый электрод на лицевой стороне предпочтительно электрически соединен с подложкой.
В частном случае на лицевой стороне размещены Υ > 1 тонких электродов, объединенных в токовый узел и причем шаг между электродами соизмерим с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
В частном случае области с проводимостью первого типа на лицевой стороне и области второго типа проводимости на лицевой стороне могут быть покрыты микролинзами или микропризмами.
В частном случае обратная сторона подложки с проводимостью второго типа содержит > 1 отдельных отклоняюще-собирающих легированных областей с проводимостью второго типа, объединенных в токовый узел посредством сплошного второго электрода. Указанные отдельные > 1 легированные отклоняющее-собирающие области предпочтительно выполнены однотипными.
Обратная сторона может также содержать V > 1 легированных отклоняющее-собирающих областей первого типа проводимости, каждые из которых соединены четвертым электродом в токовый узел. Далее обратная сторона может содержать дополнительные дискретные отклоняющие области первого типа проводимости, расположенные по периферии отклоняющее-собирающих областей с проводимостью второго типа и первого типа или, как вариант, обратная сторона содержит дополнительные дискретные отклоняющие области второго типа проводимости, расположенные между указанными дискретными отклоняющими областями первого типа проводимости.
Преобразователь предпочтительно выполнен на полупроводниковой подложке толщиной соизмеримой или меньше диффузионной длины неравновесных носителей зарядов.
На лицевой или обратной стороне полупроводниковой подложки могут быть размещены Ζ областей с источником дополнительного электромагнитного излучения, например стронция-90.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается батарея, содержащая 1 > 1, где 1 - целое число преобразователей, выполненных по любому из ранее описанных вариантов, имеющих многоугольную форму наружной кромки и соединенных между собой в последовательную и параллельную электрическую цепь. При этом, в частности, наружная кромка преобразователей может иметь гексагональную конфигурацию.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается батарея, содержащая 1 > 1, где 1 - целое число преобразователей, выполненных по любому из ранее описанных вариантов, имеющих псевдогексагональную форму наружной кромки и соединенных между собой в последовательную и параллельную
- 6 017920 электрическую цепь.
Согласно следующему аспекту изобретения заявляется батарея, содержащая 1 > 1, где 1 - целое число тонких проходных преобразователей, выполненных по любому из ранее описанных вариантов, расположенных в стопе и соединенных между собой в последовательно-параллельную электрическую цепь, причем размещенных в стопе в такой последовательности, что верхний слой или каскад преобразует коротковолновую часть спектра падающего излучения, а каждый последующий нижний каскад или слой в стопе преобразует более длинноволновую.
В целях однозначного понимания описания изобретения принято следующее толкование типов проводимости полупроводников: под проводимостью первого типа понимается р-проводимость или ппроводимость, а под проводимостью второго типа, соответственно, противоположная первой - ппроводимость или р-проводимость.
Методологически поставленная в изобретении задача решается в изобретении использованием принципиально новых физических явлений, закономерностей и свойств, открытых и обнаруженных авторами изобретения, новейшими конструктивными решениями, а также использованием в этих конструкциях апробированных технических приемов.
В частности, в основу изобретения положены управление рекомбинационными процессами и градиентом концентрации НрНЗ, естественные свойства материалов, связанные с их природной дискретногетерогенной структурой и явлениями, основанными на целенаправленном применении этих свойств и явлений: эффект пучка, или токового узла, эффекта γ-образной траектории движения зарядов в дискретных преобразователях и других явлений и свойств.
Экономическая эффективность достигается не только за счет технической эффективности и увеличения КПД, но и тем, что в изобретении используется оптимальная минимизированная конструкция, использующая минимальное количество материала подложки, и за счет использования оптимальной конфигурации элементов и их размещения в батарее.
Рассмотрим приемы повышения эффективности преобразователей электромагнитного излучения, использованные в изобретении.
В предлагаемом изобретении эффективность ФЭП повышается как расширением диапазона преобразуемого спектра ЭМИ, так и существенным улучшением техники преобразования за счет снижения рекомбинационных потерь, а также снижения потерь от прохождения излучения без поглощения, снижения потерь от теплового рассеяния и снижения потерь от внутреннего сопротивления преобразователя.
Приемы снижения отражения падающего излучения за счет антирефлекторных покрытий в мировой практике хорошо изучены. Однако предельное снижение отражения до 1% и меньше дает прибавку КПД всего лишь на 3-4%. В стандартных кремниевых преобразователях со сплошным р-п-переходом не удается получить КПД свыше 25%. Основной причиной здесь являются рекомбинационные потери и потери на внутреннем сопротивлении, результатом которого является насыщение ФЭП по току и напряжению. Как показали измерения авторов изобретения стандартных СЭ из уровня техники, в силу высокого внутреннего сопротивления, их вольт-амперные характеристики выпрямляются как при больших интенсивностях падающего излучения и температурах, так и при низких уровнях освещенности.
Современная однопереходная сплошная структура СЭ не справляется с большим потоком энергии, попавшей вовнутрь преобразователя. Поэтому коэффициент внутреннего преобразования (отношение выходной мощности к мощности, попавшей вовнутрь преобразователя) в таких ФЭП мал и он совпадает с коэффициентом полезного действия (отношение выходной мощности к падающей мощности). Как показали измерения авторов настоящего изобретения коэффициент внутреннего преобразования (КВП) современных высокоэффективных кремниевых преобразователей составляет не более 25%. Отсюда и следует вывод: КПД сплошных однопереходных солнечных элементов не может быть больше 25%. Все усилия авторов изобретения поэтому направлены на увеличение, прежде всего, коэффициента внутреннего преобразования. Для этого необходимо, прежде всего, устранить рекомбинацию ННЗ и снизить внутреннее сопротивление ФЭП.
Повышение эффективности за счет расширения спектрального диапазона в сторону коротковолновой УФ области ЭМИ
Этот прием основан на разрыве сплошного слоя однопереходного СЭ и к решающему переходу от сплошных (непрерывных) однопереходных преобразователей к дискретным многопереходным согласно изобретения.
Как показано выше, основной причиной отсекания УФ-части спектра ЭМИ является высокое содержание электронов в п+ слое, расположенном на всей лицевой поверхности сплошного однопереходного солнечного элемента (Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Москва, изд. Мир, 1984. 470 с). Поэтому для того, чтобы УФ-кванты вошли вовнутрь полупроводника и поглотились, необходимо открыть им окна для прохождения вовнутрь СЭ, т.е. необходимо разорвать сплошной п слой или сделать конструкцию лицевой части преобразователя с окнами без п+ слоя. Такому условию соответствует предлагаемая нами конструкция преобразователя с локальными дискретными р-п-переходами и разорванным собирающим слоем, в разрывах сплошности которых расположены оптические окна. Локаль
- 7 017920 ные дискретные переходы одновременно и существенно снижают внутреннее сопротивление преобразователя. Это связано как с проявлением в дискретных преобразователях, названных пучковыми, статистических эффектов, так и снижением траектории движения НрНЗ. В современных сплошных преобразователях большие внутренние сопротивления обусловлены как объемом полупроводника, так и большим слоевым сопротивлением, связанные с большой длиной Т-образной траектории движения НрНЗ (см. фиг. 117). В дискретных же преобразователях объемное сопротивление мало, но и слоевое сопротивление также мало - за счет γ-образной траектории движения зарядов (см. фиг 118). Поэтому в дискретных преобразователях суммарное внутреннее сопротивление гораздо меньше, чем у сплошных.
Однако вышеупомянутый способ расширения диапазона поглощения холодной части спектра ЭМИ, не позволяет расшириться в сторону длинноволновой части. Для расширения как в сторону коротковолновой, так и в сторону длинноволновой области ЭМИ авторами предлагается локальное внедрение в полупроводник дискретных многопереходных (гетеропереходных) структур.
Повышение эффективности за счет расширения спектрального диапазона в сторону коротковолновой УФ и длинноволновой ИК области ЭМИ
Многопереходная дискретная структура в полупроводнике образуется при локальном внедрении в него примесных центров (или кластеров, или зон, или наночастиц, или абсолютно черных тел, или любых других неоднородностей) поглощения и инжекции фотонов различной длины - от коротковолновых УФ до длинноволновых ИК. Этот прием при локальном внедрении одновременно создает и области градиента концентрации зарядов, необходимые для диффузии и движения генерированных зарядов до токособирающих элементов и дальше во внешнюю цепь преобразователя.
При поглощении ЭМИ в полупроводнике образуются неравновесные неосновные носители зарядов (НрНЗ) или ЭДП - дырки в η-полупроводнике и электроны в р-полупроводнике. При наличии градиента концентрации они диффундируют к р-п-переходу, подхватываются его полем и выбрасываются в полупроводник противоположного типа проводимости, в котором они становятся основными носителями. При этом электроны будут локализоваться в полупроводнике η-типа, а дырки - в полупроводнике р-типа. В результате полупроводник р-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник птипа - отрицательный. Между η и р областями преобразователя возникает разность потенциалов - фото ЭДС или напряжение в режиме холостого хода.
Поскольку процессы возникновения и разделения неравновесных не основных носителей зарядов (НрНЗ), или электронно-дырочных пар (ЭДП), в преобразователях является конкурирующими с процессами их рекомбинации на поверхности и в объеме полупроводника и причем поверхностная рекомбинация превосходит объемную, для ее снижения, в уровне техники, во всех без исключения преобразователях, конструкция лицевой стороны представляет собой сплошную (целостную без участков разрывов) легированную или диффузионную одноименную область или участок.
Для поглощения ЭМИ полупроводником и генерации ЭДП требуется соблюдение условий: величина энергии падающей волны, по крайней мере, в случае собственного поглощения Е = Ιιν (где й - постоянная Планка, а ν - частота падающей волны) должна соответствовать или быть больше ширины запрещенной зоны (ШЗЗ) ДЕ полупроводника, т.е. йу > Δ.
В качестве примесных гетерогенных зон поглощения-инжекции могут быть локально (не гомогенно!) внедрены, к примеру, частицы карбида кремния, арсенида галлия, соединения индия с медью, германий, или кислород, образующий с кремнием связь типа (-δί-0-δί-) и целый ряд других соединений. Эти соединения дают спектральный максимум поглощения для определенных длин ЭМИ. Широкозонные материалы дают максимум поглощения в коротковолновой, а узкозонные - в длинноволновой области спектра ЭМИ. В обычном монокристаллическом кремнии, к примеру, как показывают экспериментальные измерения, проявляются два спектральных максимума поглощения: один в области 0,5 мкм, а другой - в области 0,7 мкм. Первый из них относится к примесным, а второй - к собственному максимуму поглощения кремния. Наличие в кремнии кислорода дает максимум спектрального поглощения при длине ЭМИ в 5-6 мкм и т.д. Обычно при очистке кремния кислород удаляется, однако, согласно нашему изобретению он необходим для поглощения длинноволновой ИК-области ЭМИ.
Локальное легирование подложки ФЭП дискретными добавками, имеющими различную ШЗЗ, приводит к появлению спектральных максимумов поглощения в различных областях длин ЭМИ. С другой стороны, локальное внедрение различных добавок создает в объеме подложки центры продольнопоперечных градиентов концентрации зарядов, которые необходимы для диффузии зарядов и дальнейшего продвижения их во внешнюю цепь ФЭП.
Таким образом, при разрыве сплошного однопереходного слоя СЭ и локальном физическом внедрении той или иной зонной дискретной добавки в подложку полупроводника увеличивается его спектральная чувствительность, расширяется диапазон преобразуемого спектра ЭМИ и образуется градиент концентрации НрНЗ. При этом для создания центров поглощения-инжекции ЭМИ возможно применение абсолютно черных тел, являющихся хорошими не только источниками поглощения и инжекции ЭМИ, но и областями градиента концентрации НрНЗ.
Для различных материалов, используемых в полупроводниковой технике, ШЗЗ составляет: карбид
- 8 017920 кремния (81С) - ΔΕ = 2,5 эВ-3,5 эВ; теллурид кадмия (СбТе) - ΔΕ = 1,44 эВ; арсенид галлия (СаАк) - ΔΕ = 1,43 эВ; диселенид меди и индия (Си1и8еОВ2) - ΔΕ = 1 эВ; кремний - ΔΕ = 1,1 эВ; германий (Се) - ΔΕ = 0,66 эВ; 1пСаА§8Ь - ΔΕ = 0,5-0,6 эВ; 1пА§Р8Ь - ΔΕ = 0,36-0,6 В и т.д.
Для создания широкополосного ФЭП предлагается, как вариант, использовать в качестве базового материала кремний (можно использовать любой другой полупроводник). Для изготовления широкополосного ФЭП в подложке кремния р проводимости (как вариант η проводимости) создают достаточно большое количество локальных дискретных р-п-переходов (предпочтительно, чтобы их число было N>1 и Ν^·ο>) и открытых дискретных р областей проводимости для проникновения коротковолновых квантов, затем внедряют любым известным способом частицы материала различной ШЗЗ и размеров, вплоть до наночастиц. В частности, можно внедрить арсенид галлия, германий или кислород, или карбид кремния. При этом материалы с большим ШЗЗ внедряются в верхние слои подложки, а с меньшей шириной запрещенной зоны в нижних слоях.
Дискретные частицы арсенида галлия, имеющие ШЗЗ больше, чем у кремния внедряются в верхнем поверхностном слое на лицевой стороне подложки на глубину проникновения УФ-квантов - 3-5 мкм, а германий или кислород внедряются в нижних слоях подложки.
Арсенид галлия или другой широкозонный полупроводник нужен для получения фотоотклика на коротковолновую, но высокоэнергетичную УФ-часть спектра ЭМИ.
Приповерхностный слой кремния, начиненный добавками арсенида галлия на глубину 3-5 мкм, или другого материала с большей, чем арсенид галлия ШЗЗ, является своеобразной ловушкой для поглощения УФ-квантов. Примесная локальная дискретная начинка подложки ФЭП узкозонными материалами (например, германием, кислородом, или сплавом КРТ - кадмий-ртуть-теллур - и т.д.) являются ловушкой для длинноволнового ИК-излучения.
При падении ЭМИ на поверхность такого многоперехоного кремниевого пирога с открытыми окнами для проникновения коротковолновых квантов и гетерогенной зонной начинкой будет поглощаться широкий спектр ЭМИ от дальнего ИК до УФ и выше. Глубина проникновения ЭМИ в таком пироге в зависимости от длины падающего излучения различна. При падении ЭМИ на фотоприемную часть ФЭП вперед будут поглощаться УФ-фотоны. Затем поглощаются фотоны, имеющие меньшую энергию, но проникающие на большую глубину - ими являются фиолетовые фотоны. Вслед за фиолетовыми фотонами идут синие, желтые, оранжевые, красные, и т. д., а для ИК-части спектра ЭМИ базовый кремний уже будет прозрачным, но он поглотится узкозонным германием, или соединением кремния с кислородом, или другим узкозонным материалом, который легирован ниже слоя арсенида галлия. Внедрение сплавов КРТ со сверхузким ШЗЗ еще более расширяет диапазон преобразования ЭМИ вплоть до среднего и дальнего ИК-излучения. Предлагаемая полупроводниковая подложка, начиненная дополнительными центрами поглощения, будет поглощать ЭМИ и генерировать электронно-дырочные пары (ЭДП) в широком диапазоне падающего излучения - от ИК до УФ и выше.
На фиг. 119 приведена экспериментальная спектральная характеристика СЭ из чистого кремния и выполненного из грязного технического кремния с примесью кислорода. Как видно, у чистого кремния довольно узкий диапазон преобразования по сравнению с грязным кремнием. Это позволяет только на использовании грязного кремния снизить стоимость материала подложки ФЭП на один порядок.
Таким образом, согласно изобретению расширение диапазона преобразуемых волн ЭМИ решается принципиально новым способом физической модификации структуры полупроводников - созданием дискретных локальных переходов за счет внедрения добавок, создающих в базовом полупроводнике многопереходную структуру и градиент концентрации НрНЗ, необходимый для диффузного продвижения НрНЗ и образования тока в преобразователе.
Дальнейшее улучшение эффективности ФЭП в рамках настоящего изобретения решается внедрением в структуру поверхности и объема подложки встроенных электрических полей, оптимизацией расстояний между токосборными шинами.
Во всех частных случаях осуществления изобретения принципиально новым и отличным от известных в уровне техники решений является применение в конструкции преобразователя разрывов сплошности лицевой стороны - вывод на лицевую сторону подложки, подвергаемую воздействию ЭМИ, наравне с легированным собирающим слоем (легированными собирающими областями) первого типа проводимости (р-типа или η-типа) участков второго, противоположного типа проводимости (соответственно, п-типа или р-типа - конструкция разорванный слой, 1йе Ьгокеп-οίΤ 1ауег). В наиболее простом случае участками второго типа проводимости могут являться участки подложки, расположенные между легированными собирающими лицевыми областями первого типа проводимости; возможно также чередование легированных областей первого и второго типа проводимости на лицевой стороне.
Принципиально новым является достижение в преобразователе по изобретению эффекта скачкообразного снижения сопротивления р-п-переходов практически до нуля за счет γ-образной траектории движения зарядов (см. фиг 118) и выполнения малых по геометрическим размерам N>1 дискретных локальных областей с первым типом проводимости с образованием достаточно большого количества N дискретных р-п-переходов и объединением указанных N отдельных областей в пучок (в параллельную цепь)
- 9 017920 или в первый токовый узел посредством первого токосборного проводящего электрода и второго токового узла путем параллельного соединения проводником локальных контактов и высоколегированных точечных углублений второго типа проводимости на обратной стороне ФЭП, создающих р+р изотипные переходы.
В уровне техники в кремниевых СЭ применяется изотипный п+п р+р тыльный барьер, который уменьшает скорость поверхностной рекомбинации неосновных НрНЗ на омическом контакте. Этот барьер создается, как правило, посредством кратковременной диффузии дополнительного количества легирующей примеси со стороны тыльной поверхности. В отличие от уровня техники в преобразователе согласно изобретению изотипные переходы создаются не в противоположной, а на стороне, или в плоскости расположения дискретных локальных р-п-переходов.
Изотипный п+п р+р барьер может быть сформирован различными способами: диффузией, ионным легированием и комбинацией этих способов. Кроме этого, приповерхностный слой повышенной концентрации может быть индуцирован зарядом, встроенным в пассивирующий диэлектрик и(или) антирефлекторное покрытие и(или) полем полевого электрода, как в настоящем изобретении. В связи с этим в разрывах сплошности между чередующимися дискретными областями первого типа проводимости сформированы высоколегированные слои второго типа проводимости, образующие с областями второго типа проводимости изотипные р+р-переходы. Эти изотипные переходы создают неосновным носителям заряда отталкивающие изотипные барьеры.
На фиг. 120 для наглядности показан вариант дискретного пучкового преобразователя согласно изобретению с двумя противоположными токовыми узлами: N дискретные р-п-переходы образуют линиям тока неосновных неравновесных носителей заряда первый токовый узел, а области высоколегированных дискретных углублений проводимостью второго типа вместе с изотопными переходами и дискретными локальными контактами тыльной стороны образуют линиям тока основных неравновесных носителей заряда второй токовый узел. Скачкообразное падение сопротивления происходит как за счет статистического разброса (о чем будет сказано в дальнейшем по тексту описания) и эффекта токового узла (или эффекта пучка), так и снижения траектории движения зарядов при γ-образной траектории движения НрНЗ (фиг. 118 и 120).
В изобретении как вариант предлагаются не только два противоположных токовых узла, но и конструкции с четырьмя противоположными токовыми узлами: два токовых узла на лицевой стороне и два на тыльной стороне, образованных параллельным соединением токособирающих и отклоняющих областей (элементов). Примеры выполнения конструкций таких преобразователей приведены далее по тексту.
Как вариант предлагаются конструкции солнечных элементов с противоположными токовыми узлами за счет размещения собирающих областей с первым типом проводимости и N дискретных переходов, не только на лицевой стороне, но и с тыльной стороны базовой области второго типа проводимости.
Существенно важным в изобретении является снижение геометрических размеров р-п-переходов. Линейные размеры переходов должны быть малыми (ά δ, где δ - бесконечно малая величина БМВ), а их число до N>>1 (в идеале N ж, где ж - бесконечно большая величина ББВ) и необходимо выполнять их отдельными (не связанными друг с другом) и однотипными, т.е., по существу, одинаковыми по размерам, конфигурации и др. технологическим условиям изготовления.
В различных случаях осуществления изобретения преобразователь характеризуется также следующими новыми и отличными от уровня развития техники аспектами:
1) Создание в дискретном преобразователе разорванный слой, в разрывах сплошности между чередующимися дискретными локальными областями первого типа проводимости, высоколегированных областей проводимости второго типа проводимости, образующие с базовой областью второго типа проводимости изотопные р+р-переходы, которые являются оптическими окнами, для доступа ЭМИ вовнутрь преобразователя, и одновременно изотипными отклоняющими областями.
2) Локализация процесса преобразования ЭМИ и создание системы локальных поверхностнообъемных неоднородностей (СИПОН), представляющих собой локальные дискретно чередующиеся на поверхности и в объеме ФЭП гетерогенности, включая противоположные п+ и р+ области, сдвигающих чувствительность преобразователя в сторону ИК-области и в противоположную - в сторону УФ- и рентгеновского излучения;
3) СИПОН образуется путем локального введения любых неоднородностей, включая добавки различной ШЗЗ в виде центров поглощения и инжекции ЭМИ, влияющих на градиент концентрации ННЗ. В простейшем случае к повышению образования градиента НрНЗ приводят локальные микролинзы, концентрирующие (в пучок) ЭМИ в локальных областях поверхности и объема полупроводника, и тем самым существенно увеличивая интенсивность падающего излучения, создают в поглощающей области перепад .(градиент) концентраций ННЗ, обусловливающий интенсификацию основополагающей в работе ФЭП, диффузионной (άπ/άχ) составляющей тока. Использование системы микролинз или микропризм на порядок и более увеличивают интенсивность падающего потока ЭМИ, существенно увеличивая мощность и эффективность работы преобразователя. СИПОН выполняется любыми чередующимися локальными дискретными поверхностно-объемными неоднородностями, включая противоположные п+ и р+
- 10 017920 области в структуре поверхности и объема базового полупроводникового материала (в рассматриваемом случае ρ-8ί) и распространяется на любые (полупроводниковые или др.) материалы, использующие диффузионно-дрейфовые механизмы разделения неравновесных НрНЗ.
4) Применение в конструкции преобразователя, наряду с диффузионными полями (поперечных и продольных составляющих), источников дрейфовых отклоняющих полей, представляющих собой области в виде поясов первого типа проводимости (как вариант второго типа проводимости) или разнотипные (первого и второго типа проводимости) вокруг числа N областей с проводимостью первого типа на лицевой и обратной стороне преобразователя, ускоряющих движение НрНЗ и увеличивающих собираемость зарядов на токосборниках; применение в конструкции преобразователя, наряду с диффузионными полями, дополнительных дрейфовых отклоняющих (и собирающего на электродах НрНЗ) полей преобразователя путем внедрения (легирования) вокруг N областей с первым типом проводимости поясов из локальных N слоев со вторым типом проводимости на лицевой и обратной стороне преобразователя практически устраняющих рекомбинацию зарядов как в объеме, так и на поверхности (с лицевой и обратной стороны);
5) Применение в конструкции преобразователя разорванный слой управляющих полевых электродов на лицевой и обратной стороне подложки;
6) Применение в конструкции преобразователя разорванный слой способа повышения контактной разности потенциалов за счет внедрения под областью с первым типом проводимости поддиффузионного к ней слоя со вторым типом проводимости т.к. после локализации размеров р-п-переходов поддиффузионные слои уже не препятствуют проникновению излучения в активный объем полупроводника; еще больший эффект повышения потенциала наблюдается, если к N поддиффузионным областям с проводимостью второго типа размещается стопка из С > 1 последовательно чередующихся слоев с двумя (первого и второго) типами проводимости таким образом, что под каждым слоем п+ прилегает р+ слой, а под ним снова слой п+ и т.д., причем поддиффузионные области со стопкой чередующихся р-п-переходов последовательно или параллельно могут быть скоммутированы. При последовательной коммутации в структуре преобразователя образуются N умножителей потенциала, а при параллельной коммутации - N умножителей тока;
7) Применение в конструкции преобразователя разорванный слой глубоких диффузионных п+р+переходов с травлением поверхности с последующей диффузией (мезапланарные конструкции ФЭП), существенно снижающие сопротивление р-п-перехода, увеличивающие поверхность поглощения и степень поглощения преобразователя и концентрацию ННЗ в объеме;
8) Применение в конструкции преобразователя разорванный слой глубоких квантовых ловушек, обеспечивающих существенное снижение сопротивления р-п-переходов, а также существенное поглощение и преобразование высокоэнергетичной коротковолновой части ЭМИ и длинноволновой части ЭМИ;
9) Применение в конструкции преобразователя разорванный слой для снижения внутреннего объемного сопротивления р-п-переходов, как вариант, тонких полупроводниковых подложек толщиной менее диффузионной длины НрНЗ, усиливающих эффект снижения объемного сопротивления р-ппереходов (по сравнению со стандартными пластинами толщиной 300 мкм и более) и позволяющего в 56 раз сократить расход материала и увеличить экономический и технический эффект; применение в конструкции лицевой и обратной стороны преобразователя (для дополнительного снижения сопротивления) электродов полосково-сеточной конструкции, создающих эффект токового узла (или пучка);
10) Двустороннее (на ЛС и ОС) размещение чередующихся п+р+ областей в конструкции преобразователя на полупроводниковой подложке, позволяющее в полной мере использовать диффузионную и дрейфовую составляющих токов и полностью устранить рекомбинацию ННЗ как на поверхности, так и в объеме преобразователя;
11) Применение в конструкции преобразователя разорванный слой дополнительных встроенных и постоянных (работающих в любое время суток) источников ЭМИ - слабых радиоактивных излучающих веществ, например, стронция - 90 и др. химических соединений и элементов;
12) Применение оптимальной гексагональной и псевдогексагональной конфигурации преобразователей при размещении и компоновке в солнечных системах - батареях, позволяющей сэкономить материал подложки; применение каскадной компоновки батарей в стопу проходных СЭ на сверхтонких пленках с различной глубиной диффузионного слоя с параллельной или последовательной их коммутацией.
Изобретение применимо к любому из известных в настоящем уровне развития техники типов преобразователей, или фотовольтаических ячеек, включая гетеропереходные на любом материале, способных преобразовывать ЭМИ в ЭДС и ко всем способам формирования преобразователей. Следует отметить, что для простоты дальнейшее изложение сущности изобретения и конкретных примеров его осуществления будет проводиться для случая кремниевой подложки с р-проводимостью и лицевых собирающих N легированных областей с п-проводимостью (п+-проводимостью), хотя специалисту будет очевидно, что с равным успехом для реализации настоящего изобретения может использоваться подложка с п-проводимостью и лицевые собирающие области с р-проводимостью (р+ - проводимостью).
В предлагаемом изобретении авторами используются приемы, направленные на локализацию про
- 11 017920 цесса преобразования ЭДП и создание СИПОН, которая повышает эффективность диффузионной составляющей тока ФЭП. В то же время в изобретении кроме диффузионной составляющей тока преобразователя применяется дополнительное встроенное поле в виде дрейфового, в результате которого КПД преобразователя существенно повышается.
Во всех случаях осуществление изобретения достигается разрывом сплошности собирающего п+ слоя, в т.ч. включая создание локальных дискретных областей произвольной формы и конфигурации, омически связанных или не связанных между собой и с собирающим электродом.
Собирающий п+ слой может быть выполнен в виде сетки дискретных с числом N>1 (как вариант N » 1) минимизированных по размеру ячеек произвольной формы и конфигурации (описанной выше в техническом приеме локализации процесса преобразования ЭМИ), или поверхностно распределенной гребенчатой структуры, или любых дискретных элементов. В целом, любой дискретный элемент или ячейка представляют собой локализованную область с произвольной конфигурацией, объединенных электродами в один токовый узел.
Создание на лицевой стороне преобразователя затененных зон, с одной стороны, снижает светочувствительную площадь поглощения (снижая эффективность преобразователя), но с другой стороны, усиливает градиент концентрации НрНЗ, повышая тем самым величину и эффективность диффузионной составляющей тока. Предпочтительно затененные участки сделать минимального размера (например, размер б токопроводящей цепи, или контактов, по ширине должен стремиться к достаточно малому значению δ - к размеру п+ области). В случае малых линейных размеров в силу краевой дифракции ЭМИ затенение практически будет отсутствовать.
Затененными зонами могут быть п+ области в силу увеличения ими коэффициента отражения, зависящего от концентрации свободных носителей в отражающем слое, а также отклоняющие р+ слои, металлические шины и электроды собирающей п+ области, а также любые области лицевой поверхности преобразователя.
Поскольку затенение осуществляется над п+ областью или р+ слоями (обладающими большой отражательной способностью), вклад затенения в снижение эффективности снижается. Поэтому превалирующим в повышении эффективности преобразователя является создание за счет затененных участков гетерогенностей, создающего в конечном счете, градиент концентрации носителей зарядов (ГКНЗ) необходимого для процесса диффузии зарядов и протекания фототока преобразователя. Области затенения могут иметь любую произвольную конфигурацию. Зоны неоднородностей должны быть предпочтительно однотипными, отдельными и минимальными, объединенными с помощью проводника в один токовый узел, а конфигурация - произвольной формы, а их число предпочтительно N»1.
Локализация процесса преобразования ЭДП и связанного с ним снижения внутреннего сопротивления р-п-переходов в изобретении, как уже отмечалось, решается за счет снижения пути движения зарядов по γ-образной траектории движения НрНЗ и объединения множества N областей с проводимостью первого типа (при N > 1) в первый токовый узел посредством первого электрода, который прилегает к каждой из указанных N областей и второй токовый узел за счет объединения в параллельную цепь проводящим вторым электродом обратной стороны высоколегированных углубленных областей второго типа проводимости. Второй токовый узел с обратной стороны может быть образован в двусторонних дискретных преобразователях объединением в параллельную цепь переходов, размешенных на тыльной стороне. В результате такого параллельного соединения и объединения р-п-переходов с прилегающими к ним диффузионными п областями (как вариант р областями) с проводимостью первого типа в один первый токовый узел или пучок и второй токовый узел с тыльной стороны, общее сопротивление р-ппереходов в цепи снижается практически до нулевого значения. При этом для того, чтобы эффект γобразной траектории движения НрНЗ был большим, необходимо с одной стороны снижать расстояние между дискретными переходами, а с другой - необходимо снижать толщину базовой подложки преобразователя. Оптимальным будет, если расстояния и толщина будут соизмеримы или будут меньше диффузионной длины НрНЗ.
Снижение внутреннего сопротивления до значения, близкого к нулевому, усиливает ток в цепи, снижает объемную и поверхностную рекомбинацию зарядов и тепловые потери в объеме преобразователя, что в итоге увеличивает его мощность и КПД. При этом каждая из областей с проводимостью первого типа под первым электродом и сами электроды могут иметь любую форму и конфигурацию, в частности, выполняются прямоугольными, квадратными, шестиугольными (с различным соотношением размеров сторон), восьмиугольными (с различным соотношением размеров сторон) и т.д.
Для дальнейшего снижения величины полного внутреннего сопротивления преобразователя целесообразно увеличивать число N областей с проводимостью первого типа до N»1, а именно: (а) не менее 10, (б) не менее 50, (в) не менее 80, (г) не менее 100, (д) не менее 1000, (е) не менее 10000, (ж) не менее 100000, (з) не менее 10000000 и т.д. При этом размер перехода должен стремиться к бесконечно малому значению, в частном случае, он должен быть точечным.
Снижение внутреннего сопротивления преобразователя основано, таким образом, на применении новых физических способов модификации материалов, приводящих к снижению величины внутреннего
- 12 017920 сопротивления Вр и увеличению чувствительности поверхности преобразователя к ЭМИ. Этот простой, но принципиально новый физический способ модифицирования основан на использовании эффекта пучка, или токового узла. Эффект пучка или токового узла реализуется при достаточно большом числе N > 1 (где N - целое число, идеальный случай когда N да) элементов в пучке и чтобы эти элементы были отдельными и однотипными. Кроме того, для реализации эффекта усиления или ослабления в пучке элементы (в данном случае р-п-переходы с прилегающими диффузионными областями) предпочтительно выполнять достаточно малыми по размеру б, т.е. должно соблюдаться условие стремления Геометрического размера р-п-перехода к бесконечно малому значению б да. И еще, кроме того, для снижения полного внутреннего сопротивления р-п-переходов согласно изобретению предлагается в качестве одного из вариантов снизить толщину полупроводникового материала, в частности стандартную толщину кремниевых пластин предпочтительно снизить с 300-400 мкм до толщины, соизмеримой с диффузионной длиной НрНЗ, например, до 70 мкм и менее.
Как показывают проведенные авторами эксперименты, при толщине менее 70 мкм полупроводниковый материал переходит в особое физическое состояние - в состояние с высокими значениями физических характеристик. Это проявление общего природного феномена - масштабного эффекта физических характеристик.
В тонких пластинах-подложках, особенно при толщинах менее 70 мкм, резко улучшаются физические характеристики подложки: механические, электрические, тепловые и т.д.
Таким образом, толщину кремниевой пластины, как один из вариантов, необходимо снижать для достижения технического и экономического эффекта. Расход полупроводникового кремния в целом можно снизить с 16 г/А - для стандартного веса 100 миллиметровой обычной пластины СЭ до 3-5 г/А. В этом случае стоимость одного ватта энергии только за счет экономии стоимости материала может снизиться с 6$/А до 3-4 $/А.
Кроме того, расходы кремния дополнительно снижаются при использовании в изобретении гексагональной конфигурации размещения и компоновки СЭ (см. ниже описание компоновки преобразователя согласно изобретению в солнечную батарею).
Согласно полученным авторами изобретения экспериментальным статистическим данным разброс значений внутреннего сопротивления р-п-переходов будет тем больше, чем меньше их геометрический размер и прилегающих к ним диффузионных областей. И чем больше будет разброс и число N р-ппереходов, тем больше вероятность того, что в такой статистической выборке (или в таком статистическом пучке) будут присутствовать р-п-переходы с нулевыми или близкими к нулю значениями внутреннего сопротивления р-п-переходов. В такой статистической выборке, если элементы, которыми являются сопротивления р-п-переходов с прилегающими диффузионными областями, соединить в параллельную электрическую цепь и объединить их в один токовый узел или пучок с помощью шины или токовых электродов, общее сопротивление будет по закону шунта ниже наименьшего значения сопротивления отдельного элемента цепи (т.е. выявленного наименьшего значения сопротивления, которым будет характеризоваться один - или несколько - из р-п-переходов в цепи). Кроме того, в таких статистических выборках дисперсия значений сопротивления снижается обратно пропорционально числу р-п-переходов, т.е. чем больше будет число N р-п-переходов в этих выборках, тем меньше будет дисперсия значений сопротивлений и тем стабильнее будут электрические параметры такого полупроводникового прибора.
Поэтому согласно настоящему изобретению в полупроводниковых структурах при их изготовлении целесообразно использовать достаточно большое число р-п-переходов с достаточно малыми геометрическими размерами. Кроме того, для реализации наибольшего эффекта снижения сопротивления и величины его разброса, р-п-переходы должны быть отдельными и однотипными, а размер р-п-переходов в диаметре должен быть минимальным, т.е. точечным.
Таким образом, для увеличения эффекта снижения объемного сопротивления во внутренней цепи полупроводниковой диодной структуры предпочтительно, чтобы р-п-переходы были дискретными и расстояния были соизмеримыми или были менее диффузионной длины НрНЗ, чтобы их число стремилось к бесконечно большому числу, т.е. да, и чтобы эти переходы были однотипными, чтобы они были отдельными, а линейные размеры (например, диаметр, при круговой конфигурации диффузионных и областей, т.е. р-п-переходов) каждого из N р-п-переходов были бы достаточно малыми и в идеале стремились к бесконечно малой величине δ - б δ.
К существенному снижению сопротивления преобразователя ведет также использование вместо сплошных тыльных электродов дискретных точечных контактов, или контактов в виде тонких полосок с поперечной шиной, образующих второй токовый узел, или сеточной конфигурации, или полосковосеточной, или иной другой конфигурации, создающих второй токовый узел с обратной стороны преобразователя.
При соблюдении указанных условий в преобразователе согласно изобретению, имеющем диодную структуру, как будет ниже показано, полное внутреннее сопротивление р-п-переходов будет стремиться к минимальному (нулевому) значению. Это является следствием снижения активной В (В 0), емкостной С (С 0) и индуктивной (Ь ^да) составляющих полного внутреннего сопротивления ВР р-п
- 13 017920 переходов. Величина добротности 0 в таком преобразователе с увеличением числа N (Ν х>) р-ппереходов стремится к достаточно большой величине. В результате граничная рабочая частота, а также температурная стойкость электрических параметров преобразователя вместе с уменьшением величин К, С, Ь будут существенно увеличиваться. Температурная стойкость будет увеличиваться вплоть до температуры, близкой к температуре формирования р-п-перехода в полупроводнике. При этом поскольку полное сопротивление снижается, то коэффициент внутреннего преобразования и выходная мощность преобразователя будут увеличиваться. В экспериментах авторам удавалось получить коэффициент внутреннего преобразования свыше 70-80%. Таким образом, увеличивая число N и снижая геометрические размеры отдельных р-п-переходов, можно выполнить преобразователь с достаточно высокой эффективностью.
В условиях локализации процесса образования ЭДП и снижения внутреннего сопротивления преобразователя дрейф возникших НрНЗ ускорится и остается лишь направить на этот дрейф небольшую разность потенциалов от поля тех же р-п-переходов, которые в итоге приведут к резкому усилению тока, мощности и КПД преобразователя согласно изобретению.
Для увеличения дрейфовой составляющей тока преобразователя прежде всего необходимо эффективно разделять образовавшиеся носители заряда. При поглощении кванта излучения ННЗ в той или иной мере образуются во всем объеме р-81, диффузионно мешая друг другу достичь собирающего п+перехода: если бы они образовывались в какой-то локальной области, как в случае монохромного облучения, тогда бы за счет разности концентраций создался бы направленный диффузионный поток; спектр излучения Солнца широк, т.е. ННЗ образуются во всем активном объеме полупроводника и дрейф напоминает скорей не дрейф, а Броуновское движение. Следовательно, напрашивается целенаправленное упорядочивание этого движения путем подачи потенциала на управляющий электрод, что и сделано в целом ряде частных случаев (конструкций) настоящего изобретения. Таким образом, в конструкции преобразователя появляются третий и четвертый электроды, являющиеся управляющими полевыми электродами.
Таким образом, снижение рекомбинации ЭДП согласно изобретению предлагается производить за счет создания в структуре преобразователя дополнительных отклоняющих полей и дополнительных ускоряющих дрейфовых электрических полей, отклоняющих заряды и тем самым препятствующих рекомбинации электронно-дырочных пар на поверхности и в объеме преобразователя. В обычных сплошных однопереходных преобразователях ННЗ, образовавшиеся при поглощении кванта излучения, разделяются посредством диффузии, создавая диффузионную составляющую тока. Преобразователи согласно изобретению могут быть выполнены из системы токосборных (токовых) приемных и отклоняющих (и направляющих) полевых электродов, которые, используя собственный потенциал (0,3-0,5 В) р-п-перехода, создают ускоряющее поле для ННЗ, т.е. к диффузионной добавляется дрейфовая составляющая тока, что повышает собираемость ННЗ на токовых электродах. Конструктивно в преобразователях согласно изобретению вокруг п+ области (как вариант р+) может выполняться пояс с высоколегированным р+ слоем (или как вариант п+ слоем), являющийся отклоняющей и направляющей системой для ННЗ. Сверху высоколегированного пояса может быть выполнена контактно-электродная система из прозрачного или иного токопроводящего материала, на который подается потенциал не только величиной 0,3-0,5 В от самого преобразователя, но и выше путем последовательной схемы соединения нескольких отдельных элементарных преобразователей. Таким образом, отклоняющая система, или элемент, если на него подать разность потенциалов, в сущности, является управляющим полевым электродом (подобно управляющим электродам в МОП конденсаторах или транзисторах), которым можно регулировать величину дрейфового и общего тока на выходе преобразователя, т.е. предлагаемый согласно изобретению преобразователь в дополнение ко всему может быть усилителем фототока.
В качестве промежуточного варианта для снижения рекомбинации согласно изобретению создается, вокруг п+ отклоняющий пояс из р+ слоя (или комбинации р+п+ слоев). В предлагаемых конструкциях преобразователей для снижения оптических потерь на затенении с лицевой стороны предлагается в качестве варианта контактно-электродная система из нелегированного прозрачного токопроводящего материала, например поликремния 8ί*, или из состава ТСО или ΙΤΟ (Унтила Г.Г., Кост Т.Н., Закс М.Б. и др. /Новый тип высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов с внешними шинами и проволочной контактной сеткой. //Физика и техника полупроводников. 2005, т. 39, вып. 11, с. 1393-1398), соединенного с собирающим металлическим электродом.
В качестве другого не менее эффективного способа устранения рекомбинации НрНЗ, как отмечено выше, предлагается оптимизировать расстояния между токосборными областями и элементами, а также толщину базового полупроводника. Для этого предлагается эти расстояния и толщину подложки выполнять с размерами, соизмеримыми диффузионной длине НрНЗ. При таких условиях заряды не будут рекомбинироваться и достигнут своих токосборников. Другим способом устранения рекомбинации является создание изотипных переходов как с тыльной, так и лицевой стороны преобразователя, которые фактически являются отклоняюще-собирающими элементами преобразователя.
Кроме того, в настоящем изобретении расширение преобразуемых частот в сторону высокоэнергетичных коротковолновых частот ЭМИ, а также снижение поверхностной и объемной рекомбинации
- 14 017920
НрНЗ может быть осуществлено не только за счет указанных выше способов и эффектов, но и за счет создания глубоких квантовых ловушек, обеспечивающих захват и поглощение коротковолновых частот не только по поверхности, но и объему ФЭП.
Квантовые ловушки представляют из себя пирамидальные (усеченные у вершины пирамиды) углубления, расположенные вершиной вниз. Возможны углубления любой другой геометрической конфигурации. На боковой внутренней поверхности пирамид легирован собирающий слой первого типа проводимости. К областям первого типа проводимости примыкают токосборные электроды, расположенные по глубине ловушки, обеспечивающие тем самым сбор зарядов с глубины подложки преобразователя и устраняющие поверхностную и объемную рекомбинацию. Между пирамидальными углублениями с областями первого типа проводимости на расстоянии шага Р расположены пирамидальные углубления с областями второго типа проводимости. Углубления на ЛС подложки с проводимостью второго типа проводимости расположены с чередованием областей первого типа проводимости и второго типа проводимости с периодом или шагом между ними предпочтительно равным Р < 2£ (где £ - диффузионная длина ННЗ). Благодаря такой конструкции увеличивается глубина и площадь проникновения высокоэнергетичной коротковолновой части спектра ЭМИ в полупроводниковую подложку. При этом, чем больше глубина квантовых ловушек, тем эффективнее захват коротковолновых квантов по объему преобразователя. Следовательно, чем глубже квантовая ловушка, тем больше коротковолновых высокоэнергетичных квантов захватываются объемом преобразователя и тем больше будет количество образовавшихся НрНЗ и эффективность ФЭП.
Практически преобразователи, изготовленные согласно изобретению из традиционных полупроводников типа кремний и начиненные зонными добавками, при локализации процесса преобразования ЭДП, путем снижения размеров (до б БМВ) диффузионных η областей и увеличения их числа (до N
ББВ) будут работать в широком диапазоне частот ЭМИ - от ИК до УФ-диапазона, рентгена и выше.
Далее, в связи с этим в преобразователях согласно изобретению в одном из вариантов встраивается дополнительный источник ЭМИ - слой с радиоактивным химическим элементом с достаточно большим периодом полураспада, используемый в настоящее время для биологических целей. С этой целью на ЛС преобразователя (или как вариант на ОС), к примеру, под токопроводящими цепями, шинами или электродом наносится тонкий слой, например, из радиоактивного стронция-90, излучающего β-излучение с периодом полураспада 27,7 лет. Возможно применение других изотопов химических элементов периодической системы, например изотопа цезия - цезия-137. Дополнительный встроенный источник технически интересен тем, что преобразователь на нем будет практически функционировать вечно.
Термины, условные обозначения и определения, используемые в настоящем описании
ЭМИ - электромагнитное излучение, способное образовать неравновесные носители зарядов в преобразователе.
Подложка (база) - пластина из любого полупроводникового материала, в которой формируются элементы преобразователя. В описании взята для примера подложка р типа проводимости.
Лицевая сторона ЛС, фронтальная сторона, лицевая поверхность - сторона подложки, которая подвергается воздействию или облучению ЭМИ.
Обратная сторона ОС (или теневая сторона, или тыльная сторона) - сторона подложки, противоположная воздействию ЭМИ.
Фотоэлектрический преобразователь ФЭП, преобразователь - полупроводниковое устройство, преобразующее ЭМИ в электрический ток и фото ЭДС.
Элемент преобразователя - составная часть преобразователя, участок (область) преобразователя, обладающие общими функциональными свойствами.
Собирающие элементы - легированные участки (или области) преобразователя, образующие с подложкой р-п-переходы, обеспечивающие токосбор НрНЗ и имеющие контакт с внешними электрическими цепями.
Отклоняющие элементы - легированные участки (или области) преобразователя, образующие и не образующие с подложкой р-п-переходы, обеспечивающие отклонение НрНЗ.
Изотипные переходы - переходы, созданные одинаковыми (однотипными) областями или слоями проводимости, но разной концентрации легирования примеси.
Полевые электроды - электроды, к которым подается потенциал электрического смещения.
Диффузионный преобразователь - преобразователь, основанный на диффузионном токе.
Диффузионно-дрейфовый преобразователь - преобразователь, основанный на диффузионном и дрейфовом токе.
Используемые синонимы:
Фотовольтаическая ячейка;
Солнечный элемент - СЭ;
Фотоэлемент;
Фотогальванический элемент;
Фотоэлектрический преобразователь - ФЭП;
- 15 017920
Преобразователь электромагнитного излучения.
В полупроводниковых устройствах традиционно рассматривается два основных вида проводимости - η проводимость и р проводимость. Поэтому в настоящем изобретении под областями первого типа проводимости следует условно понимать η проводимость, а областями второго типа - р проводимость. Соответственно следует однозначно понимать области в преобразователе, каждая из которых характеризуется рпроводимостью (соответственно, р-область) или, как вариант, η-проводимостью (соответственно, п-область).
Согласно уровню техники (Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002, 736 с. Τδοί В., Кайакйоу Е.М. апб 811сус1су У.У. ТНЕ §ТЛТ1§Т1СЛЬ ΝΆΤυΚΕ ΆΝΏ Ь1ЕЕТ1МЕ ΙΝ РОЬУМЕРБ ΆΝΏ Е1ВЕРК ШгееЫ-БозЮп. БгШ Лсабешю РиЫЦйегк/УЗР, 2004, 522 р.; Цой Б., Лаврентьев В.В. /Диэлектрический материал для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне. //Патент Κυ 2273969) Цой Б., Лаврентьев В.В. Карташов, Э.М., Шевелев В.В. Электроизоляционный материал. //Патент Κυ 2284593, приоритет от 26.10.2004 г.), в рамках настоящего изобретения, под статистическим пучком (или стопой, или тросом) или просто пучком следует понимать многоэлементную статистическую структуру, образованную из числа N > 1 (где N - целое число) отдельных однотипных индивидуальных составляющих элементов-сопротивлений (в данном случае сопротивлений р-п-переходов с прилегающими к ним р и η областями), собранных в параллельную электрическую цепь и объединенных с помощью проводника (общего электрода) в один токовый узел - пучок. Соответственно преобразователь, содержащий большое число переходов, объединенных в токовый узел или пучок назван пучковым преобразователем.
Далее, под однотипными понимаются р-п-переходы, выполненные одинаковым способом (в одинаковых условиях) из одних и тех же материалов (с использованием одних и тех же примесей в одинаковых концентрациях), имеющие, по существу, одинаковые геометрические размеры, конфигурацию и форму, а также одинаковые структурно-чувствительные физические (механические, электрические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства. Однотипность р-п-переходов является необходимым условием (т.е. эквивалентом) однотипности областей с одноименной проводимостью (р или η областей). Аналогично, под однотипными элементами участков первого электрода понимаются элементы этого электрода, выполненные одинаковым способом из одного и того же материала (из которого выполнен, собственно, сам первый электрод) и имеющие, по существу, одинаковые размеры и форму, а также, по существу, одинаковые структурно-чувствительные физические (механические, электрические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства. Использование термина однотипные обусловлено тем, что в силу наличия в любом технологическом процессе допусков на отдельные параметры получаемого на выходе продукта случай, когда все р-а-переходы или все упомянутые элементы первого электрода получаются абсолютно идентичными, на практике трудно достижим, хотя и является предпочтительным.
Далее, признак отдельный означает несвязанность переходов друг с другом. Кроме того, под отдельностью р-а-переходов понимается отсутствие у них пересекающихся или перекрывающих друг друга участков, т.е. каждый из р-в-переходов располагается обособленно (отдельно) от остальных р-ηпереходов в преобразователе. Это фактически эквивалентно обособленности (отдельности) указанных областей с одноименной проводимостью. Аналогично, под отдельностью упомянутых выше элементов первого электрода понимается отсутствие у них пересекающихся или перекрывающих друг друга участков, что достигается расположением между этими элементами оксидного зазора (в частности, оксидированного участка первого электрода) либо сквозного отверстия (изъятия части первого электрода между упомянутыми элементами).
При дальнейшем описании изобретения будут приводиться ссылки на прилагаемые чертежи, на которых приведены фрагменты различных вариантов преобразователей по изобретению в планарном и мезапланарном исполнении. Преобразователи по изобретению - это дискретные пучковые преобразователи с разорванным сплошным слоем = в зависимости от типа генерируемого ими тока условно разделены на несколько примеров - пучковые диффузионные преобразователи, пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи, пучковые микролинзовые диффузионно-дрейфовые преобразователи, двусторонние пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи, пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи со встроенными источниками излучения, пучковые преобразователи на поперечных и продольных составляющих диффузионного тока. В свою очередь их можно подразделить в зависимости от конструктивного решения на различные группы или подгруппы.
Общим во всех конструктивных вариантах дискретных пучковых преобразователей является то, что дискретные локальные р-η-переходы с прилегающими собирающими областями (элементами) объединены через параллельную цепь в один пучок или токовый узел и по этому признаку они названы пучковыми преобразователями, а также то, что все конструкции с лицевой стороны представляют разорванную сплошность с системой СИПОН. Для выполнения СЭ по изобретению используются стандартные полупроводниковые материалы и технология, в частности обычный монокристаллический кремний и диффузия с фотолитографией. Можно использовать любой полупроводник. Кроме того, при выполнении преобразователей можно использовать обычные массивные кремниевые пластины стандартной толщины в 300 мкм (или меньше) или как вариант толщиной менее 70 мкм диаметром 100, 150 или 300 мм или
- 16 017920 псевдоквадраты.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1а - лицевая сторона, фрагмент планарного пучкового дискретного диффузионного преобразователя с N>1 ρ-η-переходов; вид сверху; вариант гребенчатой шины.
Фиг. 1 - лицевая сторона, фрагмент планарного пучкового дискретного диффузионного преобразователя с N>1 ρ-η-переходов; вид сверху; вариант крестообразной шины.
Примечание: в дальнейшем на фрагментах фиг. 7-100Ь, для простоты, токопроводящие шины и цепи 5ас не показаны.
Фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.
Фиг. 3 - лицевая сторона, фрагмент крестообразной конфигурации собирательных элементов, вид сверху.
Фиг. 4 - лицевая сторона, фрагмент дискретной конфигурации собирательных элементов, вид сверху.
Фиг. 5 - лицевая сторона, фрагмент дискретно-полосковой конфигурации собирательных элементов, вид сверху.
Фиг. 6 - лицевая сторона, фрагмент дискретно-сетчатой конфигурации собирательных элементов, вид сверху.
Фиг. 7 - лицевая сторона, фрагмент планарного дискретного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 8 - сечение А-А фиг. 7.
Фиг. 9 - лицевая сторона, фрагмент, соединительный элемент 2с планарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 10 - сечение А-А фиг. 9.
Фиг 11 - лицевая сторона, фрагмент; соединительный элемент 2с мезапланарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 12 - сечение А-А фиг. 11.
Фиг 13 - лицевая сторона, фрагмент; полосковый соединительный элемент 2с диффузионного преобразователя.
Фиг. 14 - лицевая сторона, фрагмент; сетчатый соединительный элемент 2с диффузионного преобразователя.
Фиг. 15 - лицевая сторона, фрагмент мезапланарного дискретного диффузионного преобразователя, вид сверху. Собирающие области 2 и р-η-переходы 2а выведены наружу на фронтальную поверхность ЛС и боковую поверхность ЛС в зону прямого попадания ЭМИ.
Фиг. 16 - сечение А-А фиг. 15.
Фиг. 17 - лицевая сторона, фрагмент комбинированнного дискретного диффузионного преобразователя, вид сверху. Собирающие области 2 и р-и-переходы 2а выведены выведены наружу на фронтальную поверхность ЛС.
Фиг 18 - сечение А-А фиг. 17.
Фиг. 19 - лицевая сторона, фрагмент. Сеточный планарный однослойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 20 - сечение А-А фиг. 19.
Фиг. 21 - лицевая сторона, фрагмент; полосковый (гребенчатый) планарный однослойный преобразователь, вид сверху.
Фиг. 22 - лицевая сторона, фрагмент; комбинированный планарный однослойный преобразователь, вид сверху.
Фиг. 23 - лицевая сторона, фрагмент; сеточный планарный двухслойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 24 - сечение А-А фиг. 24.
Фиг. 25 - Лицевая сторона, фрагмент; сеточный мезапланарный однослойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 26 - сечение А-А фиг. 25.
Фиг. 27 - лицевая сторона, фрагмент; сеточный мезапланарный двухслойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 28 - сечение А-А фиг. 27.
Фиг. 29 - лицевая сторона, фрагмент; сеточный комбинированный двухслойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 30 - сечение А-А фиг. 29.
Фиг. 31 - лицевая сторона; фрагмент планарного двухслойного (слой 2 и слой 6) диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 32 - сечение А-А фиг. 31.
Фиг. 33 - лицевая сторона, фрагмент мезапланарного двухслойного диффузионного преобразовате
- 17 017920 ля, вид сверху.
Фиг. 34 - фиг. 18; сечение А-А фиг. 33.
Фиг. 35 - лицевая сторона, фрагмент мезапланарного многослойного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 36 - сечение А-А фиг. 35.
Фиг. 37 - лицевая сторона, фрагмент планарного многослойного диффузионного преобразователя с коммутацией подслойных переходов, вид сверху.
Фиг. 38 - сечение А-А фиг. 37.
Фиг. 39 - лицевая сторона, фрагмент однослойного дискретного планарного преобразователя с первого типа проводимостью отклоняющих элементов, вид сверху.
Фиг. 40 - сечение А-А фиг. 39.
Фиг. 41 - лицевая сторона, преобразователь с проводимостью второго типа отклоняющих элементов, вид сверху.
Фиг. 42 - сечение А-А фиг. 41
Фиг. 43 - лицевая сторона, фрагмент однослойного дискретного планарного преобразователя с протяженными отклоняющими областями второго типа проводимости, вид сверху.
Фиг. 44 - сечение А-А фиг. 43.
Фиг 45 - лицевая сторона; фрагмент второго типа проводимости отклоняющих областей дискретного планарного преобразователя, образующих замкнутый контур; вид сверху.
Фиг. 46 - сечение А-А фиг. 45.
Фиг. 47 - лицевая сторона; фрагмент с комбинированными (с первым и вторым типом проводимости) отклоняющими областями планарного дискретного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 48 - сечение А-А фиг. 47.
Фиг. 49 - лицевая сторона; фрагмент комбинированного преобразователя с двойным травлением, вид сверху.
Фиг. 50 - сечение А-А фиг 49.
Фиг. 51 - лицевая сторона; фрагмент комбинированного преобразователя с двойным травлением и отклоняющими областями второго типа проводимости р+ (13), вид сверху.
Фиг. 52 - сечение А-А фиг. 51.
Фиг. 53 - лицевая сторона; фрагмент комбинированного преобразователя с травлением собирательного электрода, вид сверху.
Фиг. 54 - сечение А-А фиг. 53.
Фиг. 55 - лицевая сторона; фрагмент комбинированного преобразователя с травлением собирательного электрода и отклоняющими областями второго типа р+, вид сверху.
Фиг. 56 - сечение А-А фиг. 55.
Фиг. 57 - лицевая сторона; фрагмент комбинированного преобразователя с двойным травлением.
Фиг. 58 - сечение А-А фиг. 57.
Фиг. 59 - лицевая сторона; фрагмент комбинированного преобразователя с травлением собирательного электрода, вид сверху.
Фиг. 60 - сечение А-А фиг. 59.
Фиг. 61 - лицевая сторона, фрагмент. Дополнительный третий (или второй фронтальный) собирательный электрод однослойного дискретного планарного преобразователя со второго типа проводимостью и протяженными отклоняющими областями в виде замкнутого контура; вид сверху.
Фиг. 62 - сечение А-А фиг. 61.
Фиг. 63 - лицевая сторона, фрагмент; полевой непрозрачный расширенный собирающеотклоняющий электрод 10 планарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 64 - сечение А-А фиг. 63.
Фиг. 65 - лицевая сторона, фрагмент; полевой расширенный отклоняющий электрод 11 из оптически прозрачного токопроводящего материала планарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 66 - сечение А-А фиг. 65.
Фиг. 67 - лицевая сторона, фрагмент; сплошной полевой прозрачный отклоняющий электрод 11 планарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 68 - сечение А-А фиг. 67.
Фиг. 69 - лицевая сторона, фрагмент; полевой прозрачный отклоняющий электрод 11 над отклоняющими областями 12 и 13 первого и второго типа проводимости, вид сверху.
Фиг. 70 - сечение А-А фиг. 69.
Фиг. 71 - лицевая сторона, фрагмент; полевой отклоняющий электрод 5а по периметру собирающих областей планарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 72 - сечение А-А фиг. 71.
Фиг. 73 - лицевая сторона, фрагмент; полевой отклоняющий электрод 5а по периметру собирающих областей планарного диффузионного преобразователя с протяженными отклоняющими областями первого и второго типа проводимости в виде замкнутого контура; вид сверху.
- 18 017920
Фиг. 74 - сечение А-А фиг. 73.
Фиг. 75 - лицевая сторона, фрагмент; открытый сплошной собирательный элемент, вид сверху.
Фиг. 76 - сечение А-А фиг. 75.
Фиг. 77 - лицевая сторона, фрагмент; полосковый собирательный элемент, вид сверху.
Фиг. 78 - лицевая сторона, фрагмент; сетчатый собирательный элемент, вид сверху.
Фиг. 79 - лицевая сторона, фрагмент; диффузионно-дрейфовый преобразователь с расширенным собирающе-отклоняющим электродом 11 и третьим электродом 11а (или первым полевым дрейфовым электродом на ЛС), вид сверху.
Фиг. 80 - сечение А-А фиг. 79.
Фиг. 81 - лицевая сторона, фрагмент; диффузионно-дрейфовый преобразователь с полевым отклоняющим электродом 11 и полевым дрейфовым электродом 11а, проходящим над отклоняющими областями первого типа проводимости 12, вид сверху.
Фиг. 82 - сечение А-А фиг. 81.
Фиг. 83 - лицевая сторона, фрагмент; диффузионно-дрейфовый преобразователь с полевым отклоняющим электродом 11 и дрейфовым электродом 11а, проходящим над отклоняющими областями первого типа проводимости 12 и второго типа проводимости 7, вид сверху.
Фиг. 84 - сечение А-А фиг. 83.
Фиг. 85 - лицевая сторона, фрагмент, диффузионно-дрейфовый преобразователь с полевым отклоняющим электродом 11 и двумя дрейфовыми электродами 11а и 11Ь, проходящим над отклоняющими областями 7 и 12, вид сверху.
Фиг. 86 - сечение А-А фиг. 85.
Фиг. 87 - лицевая сторона, фрагмент; диффузионно-дрейфовый преобразователь с полевым отклоняющим электродом 11 и двумя дрейфовыми электродами 11а и 9, проходящим над отклоняющими областями 7 и 12, в котором применен третий собирающий электрод 9; вид сверху.
Фиг. 88 - сечение А-А фиг. 87.
Фиг. 89 - лицевая сторона, фрагмент; фокусирующая микролинза дискретного диффузионного преобразователя, сечение.
Фиг. 90 - лицевая сторона, фрагмент; рассеивающая микролинза дискретного диффузионного преобразователя, сечение.
Фиг. 91 - обратная (тыльная) сторона, фрагмент преобразователя; дискретные отклоняющесобирающие области 3, объединенные в токовый узел сплошным электродом 5Ь, вид снизу.
Фиг. 92 - сечение А-А фиг. 91.
Фиг. 93 - обратная сторона, фрагмент преобразователя; второй электрод 17 и четвертый электрод 20, вид снизу.
Фиг. 94 - сечение А-А фиг. 93.
Фиг. 95 - обратная (тыльная) сторона, фрагмент преобразователя; расширенный второй электрод 17а и расширенный четвертый электрод 20а с соединительными областями 3 а и 18а, вид снизу.
Фиг. 96 - сечение А-А фиг. 95.
Фиг. 97 - обратная (тыльная) сторона, фрагмент преобразователя; отклоняющие п+ области первого типа проводимости и расширенный второй электрод 17а с расширенным четвертым электродом 20а, вид снизу.
Фиг. 98 - сечение А-А фиг. 97.
Фиг. 99 - обратная (тыльная) сторона, фрагмент преобразователя; отклоняющие области второго типа проводимости р+ (3, 22р) и первого типа проводимости п+ (22) и расширенные электроды обратной стороны 17а и 20а.
Фиг. 100 - сечение А-А фиг. 99.
Фиг. 100а - лицевая сторона, фрагмент; пучковый преобразователь с поперечной и продольной составляющей диффузионногог тока.
Фиг. 100Ь - сечение фиг. 100а.
Фиг. 101 - квадрат
Фиг. 102 - псевдоквадрат.
Фиг. 103 - гекс
Фиг. 104 - псевдогекс
Фиг. 105 - компоновка СБ кругами
Фиг. 106 - компоновка СБ псевдоквадратами
Фиг. 107 - компоновка СБ гексами
Фиг. 108 - компоновка СБ псевдогексами
Фиг. 109 - зависимость геометрических потерь от площади солнечных элементов; потери площади пластины при вырезке: δί кв - псевдоквадрата, δί гкс - псевдогекса; потери площади солнечной батареи при компоновке: СБ кв - псевдоквадаратами, СБгкс - псевдогексами.
109а - схема многокаскадной батареи при последовательном соединении электрической цепи проходных преобразователей.
- 19 017920
109Ь - схема многокаскадной батреи при смешанном соединении электрической цепи проходных преобразователей.
Фиг. 110 - статистические кривые распределения сопротивлений р-п-переходов диодных структур.
Фиг. 111 - типичная вольт-амперная характеристика для контрольного и согласно изобретению преобразователя в красном свете.
Фиг. 112 - спектр солнечного излучения АМО 0 (кривая 29) и и приведенные спектральные характеристики изготовленных преобразователей: 30 - для контрольного ФЭП со сплошной ЛС; 31 - для пучковых диффузионных согласно изобретения; 32 пучковых диффузионно-дрейфовых согласно изобретения
Фиг. 113 - зависимости тока короткого замыкания 1кз контрольного (кривая 33) и опытных (кривые 34-36) образцов: 33 - вариант стандартного контрольного образца со сплошным р-п-переходом с шириной токосборной шины 200 мкм и расстоянием между токосборными шинами 2000 мкм, со степенью затемнения металлизацией 8,4%; 34 - образец со сплошным токосборным слоем по варианту фиг. 100а и 100Ь с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень затемнения металлизацией 8,2%; 35 - образец с крестообразными токосборными слоями 2 по варианту фиг. 3, полностью закрытых металлизацией, как показано на фиг. 4, с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень затемнения металлизацией 18,0%; 36 вариант фиг. 3 с частично открытыми дискретными крестообразными элементами. Степень затемнения 8,2%
Фиг. 114 - зависимости коэффициентов внутреннего преобразования от мощности падающего излучения для дискретного пучкового преобразователя.
Фиг. 115 - вольт-амперные характеристики в белом свете, падающая мощность 3000 Вт/м2 температура измерений 70-80°С.
Фиг. 116 - кривые мощности в белом свете; падающая мощность 3000 Вт/м2, температура измерений 70-80°С.
Фиг. 117 - схема Т-образной траектории движения НрНЗ в сплошных однопереходных ФЭП.
Фиг. 118 - схема γ-образной траектории движения НрНЗ в пучковых дискретных ФЭП.
Фиг. 119 - спектральная чувствительность кремниевых солнечных элементов на чистом кремнии и грязном техническом кремнии с примесью кислорода и других добавок.
Фиг. 120 - пример дискретного пучкового преобразователя с двумя противоположными токовыми узлами: N дискретные р-п-переходы образуют линиям тока неосновных неравновесных носителей заряда первый токовый узел; области дискретных высоколегированных углублений проводимостью второго типа вместе с изотопными р+-р-переходами и дискретными локальными контактами с тыльной стороны образуют линиям тока основных неравновесных носителей заряда второй токовый узел
Таблица 1. Оптимальные размеры СЭ, вырезанных из стандартной пластины диаметром 100 мм.
Таблица 2. Значения сопротивлений К, емкости С, индуктивности Ь и добротности О пучковых диодных структур.
Таблица 3. Характеристики СЭ, выполненных согласно изобретению.
На чертежах соответствующими позициями обозначены следующие элементы.
- подложка, пластина из любого полупроводникового материала;
1а - лицевая сторона ЛС (или фронтальная сторона);
1Ь - обратная (или теневая) сторона ОС;
- собирающие элементы п+;
2а - р-п-переход планарный, выведен на планарную поверхность ЛС;
2Ь - р-п-переход мезапланарный, переход выведен на боковую поверхность лицевой стороны, образованную травлением подложки 8ί через маску;
2с - соединительный элемент п+ ЛС к участкам 2, легированный участок, объединяющий элементы 2, не образующий с ними рп-переход;
3-1 - отклоняющая высоколегированная область той же проводимости, что и подложка;
р+р - изотопный с базовой областью переход;
- отклоняюще-собирающий элемент р+ теневой стороны, область той же проводимости, что и подложка, с более высокой степенью легирования, обеспечивающая токобор неравновесных основных носителей заряда на обратной стороне подложки;
а - локальная отклоняющая область р+, область той же проводимости, что и подложка выполнена в виде дискретных элеменов;
- диэлектрик; прозрачный для ЭМИ диэлектрический слой;
4а - контакт к собирающему элементу 2 п+, окно в диэлектрике 4, обеспечивающее электрический контакт элементов 2 и 5а;
5а - первый (первый лицевой или с лицевой стороны) электрод, Ме (металл) к слою 2 п+ ЛС; металлический электрод к элементу 2, обеспечивающий контакт с внешними электрическими цепями;
5ас - токопроводящий элемент, токопроводящая цепь или шина;
- 20 017920
5Ь - второй (первый теневой или с теневой стороны) электрод, Ме (металл) к области 3 р+ ОС; металлический электрод к элементу 3, обеспечивающий контакт с внешними электрическими цепями; теневой электрод может выполнен сплошным или сетчатым, или полосковым, или полосково-сетчатым;
5аЬ - элемент коммутации (или соединения) переходов в многослойном преобразователе;
- области подлегирования η+ р+, дополнительный р+ слой для увеличения контактной разности потенциала р-п-перехода; дополнительно легированные области с повышенной по отношению к подложке концентрацией примеси;
- лицевые отклоняющие участки (р+ слои); второй отклоняющий элемент; участки преобразователя с высокой по отношению к подложке концентрацией примеси, не образующие с подложкой рппереходы и не обеспечивающие токосбор неравновесных носителей заряда;
- соединительный элемент р+ ЛС, к участкам 7, образующий с ними область однотипной с подложкой проводимости; легированный участок, объединяющий элементы 7 (13), не образующий с ними рппереход;
- третий электрод Ме; металлический электрод к элементу 7, обеспечивающий токосбор с лицевой стороны и контакт с внешними электрическими цепями;
- расширенный 1-й электрод Ме, к 2 п+ ЛС создает отклоняющее поле в области 2а рп-перехода;
- отклоняющий полевой электрод над собирающим элементом; расширенный 1-й электрод из поликремния 81* над п+ собирающим элементом, имеет электрический контакт с 5а электродом создает отклоняющее поле в области 2а р-п-перехода и может быть выполнен сплошным; токопроводящие участки, выходящие за пределы собирающего элемента 2 и рп-перехода 2а, электрически скоммутированные с первым электродом 5а;
11а - полевой электрод к п+, может иметь внешнее смещение;
11Ь - полевой электрод к р+, может иметь внешнее смещение;
- отклоняющие участки п+ в виде дискретных неоднородностей;
- отклоняющие участки р+ в виде дискретных неоднородностей;
- контакт к лицевым отклоняющим участкам 7 р+, третий электрод;
- диэлектрик над 81*;
- изолирующий диэлектрик;
16Ь - контакт к 3 р+, в диэлектрике 16 в виде локальных областей; точечный контакт к 3 р+, в диэлектрике 16 для снижения рекомбинационных потерь;
- второй электрод Ме к 3 р+ ОС в виде локальных областей; второй электрод Ме к 3+ может быть выполнен в виде полос;
17а - расширенный второй электрод, создающий отклоняющее поле,
- собирающие участки п+, противоположной к подложке проводимости, образующие с ней р-ппереход;
18а - соединительный элемент п+ ОС к участкам 18, образующий с ними область противоположной к подложке проводимости;
- контакт к 18 п+ в диэлектрике 16;
- четвертый электрод Ме к 18, обеспечивающий токосбор с ОС;
20а - расширенный четвертый электрод, создающий отклоняющее поле;
- микролинза, ЛС, СОПН;
- отклоняющие элеменыт п+ ОС в виде дискретных неоднородностей;
22р - отклоняющие элементы р+ ОС в виде дискретных неоднородностей;
- кремниевые преобразователи с одним рп-переходом N=1, площадь каждого из которых 8 составляет 300 кв.мкм;
- кремниевые преобразователи со ста рп-переходами N=100, площадь каждого из которых 8 составляет 300 кв.мкм;
- кремниевые преобразователи с одним рп-переходом N=1, площадь каждого из которых составляет 30 кв.мкм;
- кремниевые преобразователи со ста рп-переходами N=100, площадь каждого из которых составляет 30 кв.мкм.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Способ изготовления
Для изготовления преобразователей может использоваться стандартная полупроводниковая технология со стандартными полупроводниковыми материалами подложки в соответствии с конструктивными решениями, представленными на фиг. 1-100Ь. К примеру, на фиг. 1а, 1, приведена схема конструктивного исполнения преобразователя по одному из предлагаемых вариантов осуществления изобретения. На лицевой стороне 1а, воспринимающей поток ЭМИ плоской подложки 1 (в частности, из монокристаллического кремния стандарного диаметра 100 мм и толщиной 270-460 мкм), имеющей за счет внедрения примесей р-проводимость (что обеспечивается, в частности, внедрением примесей 3-х валентного бора, или другого 3-х валентного диффузанта) или п-проводимость (за счет внедрения, в частности, 5-и валентного фосфора, мышьяка, сурьмы или другого 5-валентного диффузанта), путем трафаретной печати
- 21 017920 либо другими методами, в т. ч. традиционными для полупроводниковой техники методами фотолитографии (с использованием фотошаблонов) вскрываются окна в маскирующем диэлектрике, например δίθ2, в которые вводится примесь, образующая противоположную подложке проводимость (первый тип проводимости), в результате чего образуются N однотипных по составу, размерам и иным характеристикам собирающих областей 2 с проводимостью первого типа. Эти N отдельных однотипных собирающих областей 2 с проводимостью первого типа образуют N р-п-переходов 2а. В зависимости от конструктивного решения конфигурация областей 2 выполняется различной: может быть квадратной, круговой, сотовой, или любой другой. На фиг. 1а и 1 применена дискретная квадратная конфигурация областей 2 с исчезающе малыми размерами. Области 2 отделяются друг от друга оксидным или другим диэлектрическим изолирующим слоем 4, в качестве которого могут использоваться традиционные просветляющие покрытия.
Далее, например, методом фотолитографии, на лицевой стороне подложки над областями 2 вскрываются контакты 4а и формируются первые электроды 5а с токопроводящими шинами 5ас, обеспечивающими контакт с внешними электрическими цепями. Таким образом, первый электрод 5а с шиной 5ас объединяет в один токовый узел N р-п-переходов 2а с прилегающими к ним N областями первого типа проводимости п.
На обратной стороне подложки аналогичным образом выполняют отклоняюще-собирающий элемент 3 второго типа проводимости р+, т.е. это область той же проводимости, что и подложка, но с более высокой степенью легирования, обеспечивающая токосбор неравновесных основных носителей заряда на обратной стороне подложки; к собирающему элементу 3 примыкает второй электрод 5Ь, который выполняется методами напыления, химического осаждения либо шелкографии и может быть сплошным, полосковым, сеточным или полосково-сеточным.
Диффузионно-дрейфовые преобразователи представляют собой полупроводниковые устройства, преобразующие ЭМИ в ЭДС, принципиально отличающиеся от уровня техники тем, что конструктивно они имеют на лицевой стороне разорванный слой, и кроме того их лицевая сторона, объем и обратная сторона представляют собой систему поверхностно-объемных неоднородностей (СИПОН), собранных в токовые узлы. В уровне техники все существующие ФЭП основаны, как было отмечено выше, на эффектах диффузионной составляющей тока, а согласно изобретению основаны на двух составляющих - диффузионной и дрейфовой, что существенно увеличивает эффективность энергоконверсии СЭ.
Как уже отмечалось ранее, все приводимые рассуждения справедливы для любого полупроводника (Се, δί, СаА§ и т.п.) р или п типа проводимости, однако в силу различий в подвижности дырок 1' и электронов е- в описываемых моделях рассматривается ФЭП на кремнии р типа проводимости. Рассмотренные ниже конструкции пучковых преобразователей согласно изобретению разделены на диффузионные и диффузионно-дрейфовые, которые в свою очередь делятся на подгруппы с различными конструкциями и конфигурациями элементов на лицевой и обратной стороне преобразователя.
Пример 1. Пучковые диффузионные преобразователи, лицевая сторона
1.1. Дискретные диффузионные преобразователи
Преобразователь электромагнитного излучения (фиг. 1а и 1) содержит на освещаемой (лицевой, фронтальной) стороне 1а полупроводниковой р подложки 1 (базы) второго типа проводимости локальные (дискретные малые по линейным размерам) собирающие п' области 2 первого типа проводимости, отделенные друг от друга диэлектрическим слоем и образующие с подложкой р-п-переходы 2а, т. н. зоны преобразования, в которых происходит разделение зарядов с образованием контактной разности потенциала. К собирающим областям первого типа проводимости соединен и прилегает первый собирающий проводящий электрод 5а. Первый (фронтальный) токосборный проводящий электрод 5а объединяет собирающие области 2 первого типа проводимости в параллельную электрическую цепь и в пучок - т.е. в единый токовый узел (по такому признаку все конструкции предлагаемых преобразователей являются пучковыми). Проводящие шины электрода 5а изолируются от подложки слоем диэлектрика 4.
С обратной (тыльной) стороны создается р' легированная отклоняющая область 3, к которой прилегает второй (тыльный) токосборный проводящий контакт - электрод 5б (фиг. 2), который для большего снижения сопротивления может быть изготовлен в виде гребенки или сетки с единым токовым узлом.
В таком преобразователе собирающий п' слой первого типа проводимости, таким образом, выполнен не сплошным, а в виде разрывов сплошности - чередующихся п' и р' дискретных малых размеров областей, при этом на лицевой стороне 1а остаются открытые оптические окна - области второго типа (базовой) р'(на чертеже обозначено как 3-1) проводимости, образующие зоны пропускания ЭМИ и обеспечивающие доступ падающего излучения, включая коротковолновую часть, в объем преобразователя. Образование зон затенения под п' областями 2 и первым электродом 5а, незначительно - поскольку из-за незначительности размеров затенений происходит краевая дифракция ЭМВ, а с другой стороны небольшие зоны затенения приводят к увеличению и направленности градиента концентрации к собирающим областям 2, что активизирует разделение зарядов, т. е. диффузионную составляющую тока.
Каждый собирательный элемент 2 первого типа проводимости путем дифференциации может быть преобразован в отдельный токовый узел. Производные узлов также могут быть дифференцированы вплоть до пределов разрешения современных уровней литографии. Чем выше степень дифференциации,
- 22 017920 тем выше эффективность ФЭП.
Конфигурация собирательных элементов 2 и их комбинация в токовые узлы также могут быть различными. На фиг. 3 представлен крестообразный собирательный элемент 2, в котором часть п+ области выступает за пределы металлизации 5а и не создает зон затемнения, особенно для средне- и длинноволнового излучения.
На фиг. 4 представлена дискретная конфигурация собирающих элементов 2, объединенных в токовые узлы посредством металлизации 5а. Образование незначительных зон затемнения компенсируется как дифракцией ЭМИ при малых размерах металлической шины, так и высоким градиентом концентрации ННЗ и снижением внутреннего сопротивления за счет малых дискретных значений р-п-переходов, объединенных в единый токовый узел с прилегающими к ним областями первого типа проводимости, стандартизации их размеров и конфигурации, а также увеличения числа N ^ж собирающих областей.
Конфигурация токособирающих областей и соединенных к ними электродов может быть различной. На фиг. 5 представлено дискретно-полосковое исполнение собирательного элемента. На фиг. 6 представлено дискретно-сеточное исполнение собирательного элемента, когда локальными становятся и р-области лицевой стороны полупроводниковой подложки.
Объединение таких элементов может выполняться не только посредством металлизации, но и любыми известными способами, включая прозрачные токопроводящие материалы, например поликремний или ТСО, или ΙΤΟ.
Пучковые дискретные преобразователи в общем случае представляют собой систему поверхностнообъемных неоднородностей (СИПОН) с теми или иными элементами различного назначения.
В дальнейшем для простоты представлены только фрагменты элементов ФЭП с двумя элементарными р-п-переходами. В целом же на полупроводниковой подложке может содержаться достаточно большое число этих переходов: N>1 (предпочтительно, чтобы N>>1 и N^ ж), объединенных с прилегающими токосборными областями с помощью соединительных шин или элементов 5ас в токовый узел. Для простоты объединение их в токовые узлы посредством соединительных шин 5ас или плоскостей лицевых электродов 5а на фиг. 7-100Б не показаны.
Кроме того, в дальнейшем в конструкциях согласно изобретению имеется в виду, что расстояния между токосборными элементами соизмеримы с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
Преобразователи могут формироваться как на тонких пластинах толщиной менее 70 мкм с гладкой или шероховатой поверхностью, так и на массивных гладких или текстурированных пластинах толщиной более 70 мкм, например стандартных 300-450 мкм. Для простоты рисунков текстура поверхностей на них не показана. Толщина пластины зависит от выбора конструкции преобразователя.
Для диффузионно-дрейфовых двусторонних преобразователей можно использовать массивные пластины толщиной более 70 мкм.
1.1.1. Дискретные диффузионные однослойные преобразователи
1.1.1.1. Поверхностные (планарные) ФЭП.
Преобразователи этого типа имеют собирательный элемент в виде одного слоя, сформированного в полупроводниковой подложке. Преобразователи этого типа просты для изготовления и дают высокую эффективность по сравнению с существующими стандартными с большой сплошной лицевой стороной.
Элементы планарного дискретного диффузионного преобразователя представлены на фиг. 7, вид сверху и фиг. 8 - сечение А-А. На лицевой стороне 1а полупроводниковой пластины путем легирования через маску создаются области первого типа проводимости 2 с выводом р-п-перехода 2а на фронтальную сторону полупроводниковой подложки второго типа проводимости.
Здесь и далее собирательные элементы для простоты показаны схематически и могут иметь различную форму и конфигурацию.
1.1.1.2. Соединительные элементы в ФЭП
При высокой плотности упаковки собирательных элементов возрастает степень затененности поверхности преобразователя, что может привести к снижению его эффективности. Воспрепятствовать этому предлагается совокупностью областей, исполняющих роль собирающих, но в то же время не препятствующих проникновению излучения в объем преобразователя.
На фиг. 9-10 (планарный вариант) и 11-12 (мезапланарный вариант) собирательные элементы 2 соединены между собой сплошной, мелкой, слаболегированной областью той же проводимости 2с, представляющей собой соединительный элемент, не покрытой металлизацией, т.е. прозрачной для внешнего излучения.
Такая область создает незначительную степень затенения, тем самым с одной стороны увеличивается световой поток через ФЭП, а с другой стороны внутреннее сопротивление, определяемое глубиной и степенью легирования элемента 2, остается низким. Конфигурация соединительных элементов может быть произвольной, например полосковой или сетчатой, или сотовой, или др. В последнем случае глубина и степень легирования его не принципиальны, т. к. не влияют на поглощающее-преобразующую способность преобразователя.
- 23 017920
Соединительные элементы могут иметь различные конфигурации и протяженность. На фиг. 13-14 представлены полосковые и сетчатые варианты соединительных элементов. В последних случаях, как и в примерах дискретных собирательных элементов глубина и степень легирования их не имеют значения.
Эти элементы могут быть дополнены отклоняющими элементами.
Конструктивно преобразователи такого типа не ограничиваются планарным исполнением - они могут быть воплощены в виде мезапланарных и комбинированных преобразователей.
1.1.1.3. Объемные (мезапланарные) ФЭП
На фиг. 15-16 представлены объемные (мезапланарные) преобразователи в котором р-п-переходы 2а с прилегающими токосборными областями выведены наружу с объема полупроводниковой подложки в зону прямого попадания ЭМИ на фронтальную и боковую поверхность лицевой стороны преобразователя. Для достижения этой цели после сплошного или локального легирования фронтальной стороны 1а создается маска, через которую проводится травление полупроводника с лицевой стороны так, что р-ппереходы образуют некоторый угол с боковой поверхностью лицевой стороны. В результате существенно увеличивается площадь попадания ЭМИ. В объемных мезапланарных вариантах ФЭП, таким образом, существенно увеличивается рабочая чувствительная к ЭМИ поверхность, за счет которого увеличивается суммарное поглощение квантов и эффективность преобразования ЭМИ. Переход от планарных к объемным преобразователям позволяет не только увеличить поверхность поглощения путем создания регулярной структуры, но и оптимизировать толщины областей и диффузионные длины ННЗ, направляя и улучшая их собираемость.
1.1.1.4. Комбинированные ФЭП
На фиг. 17-18 представлен комбинированный преобразователь, в котором р-п-переходы 2а выведены из объема полупроводниковой подложки наружу на фронтальную поверхность лицевой стороны: после локального легирования фронтальной поверхности 1а создается маска, через которую проводится травление поверхности полупроводника вне легированных областей. В таких преобразователях полезная, чувствительная к квантам ЭМИ поверхность (как и в предыдущем варианте ФЭП) увеличивается за счет вертикальных углублений. Эти углубления могут иметь любую конфигурацию, например пирамидальную.
1.1.1.4.5. ФЭП с полосково-сетчатыми собирающими элементами
В предыдущих случаях собирательные элементы 2 первого типа проводимости выполнялись в виде малых дискретных значений легированных областей, объединяемых в токовые узлы посредством внешних элементов в виде металлизации или внутренних элементов в виде соединительных областей. Эти варианты сложны технологически и применимы для сверхэффективных преобразователей специального назначения
Ниже приведены конструкции технологически более простых преобразователей. В них внешние элементы выполнены в различных конфигурациях, что обеспечивает их высокую эффективность за счет токового узла и расширения диапазона поглощаемого ЭМИ как в сторону красного смещения, так и в сторону фиолетовой и рентгеновской области.
На фиг. 19-30 представлен планарный преобразователь с сетчатым собирательным элементом.
На фиг. 19-20 - планарный сеточный преобразователь.
На фиг. 21 - планарный полосковый преобразователь.
На фиг. 22 - комбинированный планарный полосково-сетчатый преобразователь.
Полосково-сетчатые преобразователи могут иметь не только однослойную, но и многослойную структуру (см ниже в разделе многослойные преобразователи).
На фиг. 23, 24 приведен вариант планарного сеточного двухслойного преобразователя.
На фиг. 25, 26 - вариант мезапланарного сеточного однослойного преобразователя.
На фиг. 27, 28 - вариант мезапланарного сеточного двухслойного преобразователя.
На фиг. 29, 30 - вариант комбинированного сеточного двухслойного преобразователя с собирательным элементом в виде углублений.
Для повышения эффективности полосково-сетчатые преобразователи могут быть дополнены отклоняющими элементами (см. ниже раздел преобразователей с отклоняющими элементами) первого и второго типа проводимости (или в их комбинации), а также с полевыми электродами по типу рассмотренных выше по тексту преобразователей.
1.1.2. Дискретные диффузионные многослойные преобразователи.
Напряжение холостого хода преобразователя может быть достигнуто путем повышения контактной разности потенциалов за счет создания сильнолегированных п+р+-переходов собирательных элементов. При этом в силу их дискретности, дополнительный легированный слой не создает оптического барьера для коротковолновой области спектра.
Пример преобразователя с п+р+-переходами приведен на фиг. 31, 32 - в планарном и фиг. 33, 34 мезапланарном исполнениях, где сформирован дополнительный подлегированный слой 6. На фиг. 33, 34 представлен двухслойный диффузионный преобразователь; на фиг 35, 36 - многослойный диффузионный преобразователь.
Путем последовательного легирования формируется последовательность слоев, каждая пара из ко
- 24 017920 торых при последовательной их коммутации (в структуре ФЭП образуется умножитель потенциала) повышает напряжение холостого хода примерно на контактную разность потенциалов, а при параллельной коммутации происходит умножение тока примерно на число слоев в стопе. Пример многослойного планарного преобразователя с коммутацией (с соединением) 5аЬ подслойных переходов приведен на фиг. 37, 38.
Многослойные преобразователи с коммутацией переходов, либо без нее реализуются в конструкции ранее описанных мезапланарных и комбинированных преобразователей.
1.1.3. Дискретные диффузионные преобразователи с отклоняющими электрическими полями
Одним из способов повышения эффективности энергоконверсии преобразователей является создание направленного движения ННЗ путем создания дополнительных встроенных полей. Для этого могут применяться легированные области разнотипной (п+ или р+) проводимости, электрически не связанные с собирающими элементами, образующие дополнительные встроенные внутренние поля.
1.1.3.1. Преобразователи с отклоняющими элементами первого типа проводимости
При формировании в подложке, например, р типа проводимости локальных областей 12 однотипных с собирающим элементом 2 с первым типом проводимости (п-проводимостью - фиг. 39, 40), образуются локальные р-п-переходы. Образовавшиеся при воздействии ЭМИ ННЗ будут отклоняться под действием ОПЗ р-п-переходов в направлении собирательного элемента.
Однотипные отклоняющие элементы также могут быть включены в СОПН мезапланарных и комбинированных однослойных и многослойных преобразователей. Форма и конфигурация этих элементов могут быть различными.
1.1.3.2. Преобразователи с отклоняющими элементами второго типа проводимости
При формировании в подложке, например, второго р типа проводимости локальных областей 13 с собирающим элементом 2 первым п типом проводимости (фиг. 41-44) образуются локальные легированные области, которые действуют аналогично отталкивающим областям 3 обратной стороны.
Отклоняющие элементы со вторым типом проводимости также могут быть включены в СОПН мезапланарных и комбинированных однослойных и многослойных преобразователей. Форма и конфигурация этих элементов могут быть различными. Они также могут объединяться в контур посредством соединительных элементов 8 (фиг. 45, 46).
1.1.3.3. Преобразователи с комбинированными отклоняющими элементами.
На фиг. 47, 48 представлен вариант локальных комбинированных отклоняющих элементов, состоящих из элементов первого и второго типа проводимостей. Подобная комбинация образует комбинацию встроенных полей, образующих СОПН и способствующих эффективному разделению и сбору ННЗ в преобразователе.
Комбинированные отклоняющие элементы также могут быть включены в СОПН мезапланарных и комбинированных однослойных и многослойных преобразователей.
Форма и конфигурация этих элементов могут быть различными. Они также могут объединяться в замкнутый контур.
1.1.4. Дискретные диффузионные преобразователи с квантовыми ловушками.
На фиг. 49-56 представлены комбинированные преобразователи, с глубокими пирамидальными (возможно применение любой конфигурации, см. например, прямоугольной формы на фиг. 57-60) углублениями (вершиной усеченной пирамиды направленной вниз), в котором р-п-переходы 2а с областями первого типа проводимости выведены на внутреннюю боковую поверхность пирамидальных текстур. Токосборные электроды 5а примыкают к поверхности этих областей первого типа проводимости, расположенных по всей глубине ловушки, обеспечивая тем самым токосбор с глубины подложки преобразователя и устранение поверхностной и объемной рекомбинации. Токосборные электроды могут быть выполнены из оптически прозрачного или непрозрачного токопроводящего материала.
Между пирамидальными углублениями с областями первого типа проводимости на расстоянии Р расположены пирамидальные углубления с областями второго типа прводимости. Углубления на лицевой стороне преобразователя, таким образом, являются своеобразными квантовыми ловушками, которые захватывают и преобразуют энергию квантов в ЭДС.
Углубления на ЛС расположены с чередованием областей первого типа проводимости и второго типа проводимости с периодом или шагом между ними, равным Р. Благодаря такой конструкции увеличивается глубина и площадь проникновения высокоэнергетичной коротковолновой части спектра ЭМИ. При этом глубина квантовых ловушек обеспечивает захват коротковолновых квантов по объему преобразователя. Чем глубже квантовая ловушка, тем больше коротковолновых высокоэнергетичных квантов захватываются объемом преобразователя и тем больше будет количество образовавшихся ННЗ и эффективность ФЭП.
1.1.5. Преобразователи с отклоняющими областями второго типа проводимости и третьим токосборным электродом
Отклоняющий элемент со вторым типом проводимости помимо создания встроенных отталкивающих полей может исполнять роль фронтального (лицевого) токосборного электрода, как показано на фиг. 61-62. При этом конфигурация и сплошность р+ области может быть произвольной.
- 25 017920
В данном случае третий (или второй лицевой) токосборный электрод способствует эффективности собирания неравновесных носителей, образованных коротковолновой частью спектра в приповерхностной области преобразователя. При определенном сочетании полей взаимосвязанных отклоняющих элементов возникает потенциал противоположного знака, достигающий до 10 В и выше, который посредством коммутации может быть выведен на второй фронтальный электрод. Тем самым увеличивается напряжение холостого хода преобразователя и максимальная мощность преобразователя.
В данном случае второй токосборный электрод с фронтальной (лицевой) стороны способствует эффективному собиранию ННЗ, образованных коротковолновой частью спектра в приповерхностной области преобразователя.
1.1.6. Дискретные диффузионные преобразователи с полевыми элементами
Полевые электроды преобразователей служат для отклонения ННЗ от поверхности полупроводника, где они могут активно рекомбинировать, к собирательным элементам.
На фиг. 63, 64 представлен полевой электрод, выполненный в виде выступающей за пределы р-пперехода части 10 металлического электрода 5а к собирательному элементу. Имея тот же потенциал, что и элемент 2, такой электрод отклоняет ННЗ от поверхности, препятствуя их рекомбинации.
На фиг. 65, 66 представлен аналогичный полевой электрод 11, имеющий контакт с электродом 5 а, выполненный из прозрачного для ЭМИ материала, например поликремния, или ΙΤΟ, чем снижается область затенения преобразователя.
На фиг. 67, 68 полевой электрод 11 выполнен в виде сплошной прозрачной области, имеющей омический контакт с собирательными областями и токосборным электродом 5а. В этом случае электрод сочетает также функции токосборного электрода.
Полевой электрод может перекрывать как первый, так второй тип проводимости, так и кобинированные отклоняющие элементы (фиг. 69, 70).
1.1.7. Дискретные диффузионные преобразователи с полевыми элементами по периметру собирающих областей
В рассмотренных выше примерах преобразователей первый электрод контактирует с собирательным элементом в центральной его части.
На фиг. 71, 72 первый электрод расположен по периферии (по периметру) собирательного элемента 2 первого типа проводимости, образуя отклоняющий полевой электрод.
Сама собирательная область 2 первого типа проводимости может выполняться не сплошной, как показано на фиг. 73, 74 и дополняться однотипными и(или) разнотипными отклоняющими элементами. Кроме того, такой преобразователь также может быть выполнен в виде многослойной структуры.
Конфигурация собирательных элементов 2 может быть различной.
На фиг. 75, 76 приведен вариант открытых собирательных элементов 2, когда центральные части их свободны от п+ слоя и представляют окно для коротковолнового излучения.
На фиг. 77, 78 приведены варианты полосковых и сетчатых собирательных элементов 2.
Пример 2. Пучковые дискретные диффузионно-дрейфовые преобразователи. Лицевая сторона.
В рассмотренных выше преобразователях используется только одна - диффузионная составляющая тока. Дискретные преобразователи путем создания внешнего поля дополнительным электродом позволяют реализовать более эффективную - дрейфовую составляющую тока, в отличие от преобразователей со сплошным собирательным слоем, где действие поля дрейфового электрода экранируется сильно легированным слоем.
На фиг. 79-80 приведен пример диффузионно-дрейфового преобразователя. Дрейфовый электрод 11а выполнен в виде оптически прозрачного проводящего слоя, изолированного от фронтальной поверхности преобразователя 1а слоем диэлектрика 4, а от токосборных проводящих шин первого электрода слоем диэлектрика 15. При подаче соответствующего смещения на электрод 11а электрическое поле не только отклоняет ННЗ от поверхности, но и сообщает им дополнительную, дрейфовую составляющую тока.
В диффузионно-дрейфовых преобразователях могут применятся однотипные (фиг. 81, 82), разнотипные и комбинированные (фиг. 83, 84) отклоняющие элементы, создающие внутренние встроенные поля.
Дрейфовый электрод может быть разделен на электрически не связанные между собой участки 11а и 11Ь так, что каждый из них проходит над отклоняющими элементами определенного типа проводимости (фиг. 85, 86).
Путем создания контактов к отклоняющим элементам 7 второй дрейфовый электрод 11Ь может исполнять роль второго фронтального токосборного электрода (фиг. 87, 88).
Конфигурация и число дрейфовых электродов могут быть различны, причем к каждому из них подается отдельный потенциал, создающий ускоряющее поле по направлению к собирательному элементу. Дрейфовые электроды могут быть включены во все ранее рассмотренные варианты преобразователей.
Пример 3. Пучковые микролинзовые диффузионно-дрейфовые преобразователи. Лицевая сторона.
В рассмотренных ранее преобразователях система объемно-поверхностных неоднородностей формировалась путем локализации собирающих элементов, введением отклоняющих элементов в виде ло
- 26 017920 кальных легированных участков, формированием полевых отклоняющих и дрейфовых электродов.
Изменение градиента концентрации ННЗ в преобразователе можно добиться, создавая оптические неоднородности на фронтальной стороне созданием зон затемнения вблизи собирающих элементов, текстурированием поверхности, или локальным ее травлением, как в случае рассмотренных ранее мезапланарных объемных (существенно увеличивающих облучающую поверхность преобразователя) и комбинированных конструкций преобразователей.
В данном варианте изобретения предлагается создание оптических неоднородностей путем применения микролинз или других оптических устройств, например микропризм, концентрирующих или изменяющих направление лучей ЭМИ. Микролинзы (микропризмы) могут применятся в комбинации не только с любыми из рассмотренных ранее элементов преобразователя, но и в традиционных преобразователях: изменяя оптический ход лучей, они способствуют увеличению концентрации ЭМИ в полупроводнике и локализации генерационного процесса даже под однородным сплошным собирательным слоем, превращая однопереходной преобразователь в пучковый.
На фиг. 89 представлен пример диффузионного преобразователя с фокусирующей линзой 21, выполненной над расширенной частью первого лицевого электрода 5а. В данном случае максимум концентрации ННЗ приходится в область фокусирования излучения. В зоне фокусировки интенсивность всего спектра ЭМИ резко увеличивается, особенно усиливается область среднего и дальнего ИК-излучения. Участки микролинзы, перекрывающие металлизацию 5а, направляют концентрированные лучи высокой энергии (т.е. пучок лучей, или пучок ЭМВ) в зону поглощения (схематически указанной на фиг. 89, 90 стрелками), тем самым снижая зону затемнения до нуля, образованную металлизацией.
На фиг. 90 представлен пример диффузионного преобразователя с рассеивающей линзой 21, изменяющей ход лучей таким образом, что генерация ННЗ будет происходить в непосредственной близости от собирающего электрода 2, тем самым сокращается диффузионный путь, а, следовательно, и рекомбинационные потери.
Микролинзы (микропризмы) могут применятся в комбинации с любыми из рассмотренных ранее элементов преобразователя
В рассмотренных выше конструкциях преобразователей второй теневой электрод неявно предполагался быть выполнен в классическом сплошном варианте. С целью дополнительного снижения объемного сопротивления в данном изобретении теневой электрод выполняется как вариант не сплошным, а в виде мелких сеток или тонких полосок (гребенок), или мелких полосково-сетчатых фигур, имеющим также как переходы на лицевой стороне единый токовый узел. Пример токовых узлов показан на фиг. 1а1б. Пример конфигурации полосково-сетчатых фигур был приведен на фиг. 77, 78. Фигуры вырезов на теневом электроде могут быть любыми, например не только полосковыми, но и в виде кругов, многоугольников или др.
Пример 4. Двусторонние пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи. Тыльная сторона.
В отличие от конструкций, описанных выше, в нижеследующих вариантах описываются преобразователи с элементами на лицевой и обратной стороне. При этом в любом нижеследующем варианте исполнения возможно применение технических приемов, примененных во всех предыдущих вариантах на лицевой стороне. Использование обеих сторон (лицевой и теневой) полупроводниковой подложки позволяет в полной мере использовать диффузионную и дрейфовую составляющих токов и полностью устранить рекомбинацию ННЗ как на лицевой поверхности, так и в объеме и на обратной стороне преобразователя, что непредсказуемо существенно увеличит эффективность энергоконверсии ФЭП. В основе двусторонних преобразователей можно использовать любую конструкцию и элементы лицевой стороны, представленные на фиг. 1-90. На фиг. 91-92 и далее использована конструкция лицевой стороны, взятой с фиг. 87-88. Особенностью двусторонних преобразователей является то, что в них за счет параллельного соединения собирающих и отклоняющих элементов образуются в зависимости от конструкции до четырех токовых противоположных узлов. Для дальнейшей модернизации и диверсификации ФЭП возможно использование любых элементов или лицевой части конструкции, или их комбинаций из фиг. 1-90 и их перенос на обратную сторону.
Приведенный на фиг. 91, 92 преобразователь представляет собой модификацию с лицевой стороны преобразователя с фиг. 88, но с тем отличием, что на обратной стороне вместо сплошного высоколегированного отклоняющего р слоя 3 размещены отклоняющие дискретные р участки 3, связанные электрически с помощью точеного контакта 16Ь с электродом 5Ь. Между сплошным вторым электродом тыльной сторон и отклоняющим р+ участками расположена диэлектрическая прослойка 16 с изъятиями в местах контактов с этими отклоняющими областями. Такая конструкция преобразователя позволяет снизить объемную и поверхностную рекомбинацию зарядов на обратной (теневой) стороне. Сплошная металлизация теневой стороны 5Ь способствует отражению излучения обратно в объем преобразователя, чем повышается чувствительность в длинноволновой части спектра, особенно в случае объемных преобразователей, когда за счет полного внутреннего отражения от фронтальной поверхности излучение вновь возвращается в объем полупроводника.
Сочетание этих эффектов позволяет перейти к сверхтонким подложкам.
На фиг. 93, 94 представлен диффузионно-дрейфовый преобразователь с локальной (не сплошной)
- 27 017920 полосчатой металлизацией тыльной стороны 17, что позволяет использовать его в качестве двухстороннего. Не сплошная металлизация также может применяться и в преобразователях со сплошным отклоняющим электродом. В этом варианте на фиг. 85, 86 (разрез и вид на тыльную сторону) сплошной электрод 5Ь заменен на полосковый электрод 17, выполненный в виде узких протяженных полосок 17. Металлизация 17 не обязательно должна повторять конфигурацию электрода 3 и может иметь любую конфигурацию в т.ч. полосчатую сетчатую или гребенчатую. Между полосковыми электродами 17 и отклоняющими участками размещена диэлектрическая прослойка 16 с частичными изъятиями (вскрытиями) в местах контакта электродов с отклоняющими участками 3. В такой конструкции обеспечивается высокая эффективность в снижении рекомбинации зарядов в объемном и приповерхностном слое теневой стороны.
Для эффективного собирания НрНЗ в области тыльной стороны может применяться тыльный токосборный элемент 18, с которым через окно 19 в диэлектрике 16 контактирует четвертый (или второй теневой) токосборный электрод 20. Пример такого преобразователя приведен на фиг. 95, 96. Токосборные элементы 18 и отклоняющие области 3 могут иметь соединительные области 18а и 3 а. Металлизация может быть выполнена в виде расширенных отклоняющих электродов 20а и 17а.
В варианте, приведенном на фиг. 97, 98, на обратной стороне ОС преобразователя добавлены собирающие п+ участки 18, к которому прилегают через контакт 19 четвертые (или вторые теневые) электроды 20, обеспечивающие токосбор с ОС, что еще более усиливает эффективность энергоконверсии преобразователя.
В варианте, приведенном на фиг. 89, 90, введены также расширенные вторые электроды 17а и расширенные четвертые (или вторые теневые) электроды 20а. Расширенный электрод дополнительно устраняет рекомбинацию зарядов вблизи зон п+ р+. Кроме того в этом варианте на тыльной стороне введены дополнительно п+ участки 22. Эффективность такого преобразователя увеличивается еще на больший порядок.
Вариант на фиг. 91, 92 представляет комбинированную конструкцию, в котором на тыльной стороне добавлены р+ отклоняющие элементы 22р.
В варианте фиг. 99, 100 дискретные отклоняющие р+ участки 3 соединены в протяженные полоски через соединительный элемент 3 а той же проводимости, что и сами отклоняющие участки 3. В такой конструкции преобразователя по изобретению еще больше усиливается процесс снижения рекомбинации зарядов в объеме и приповерхностном слое обратной стороны преобразователя.
Возможны другие комбинации с отклоняющими дискретными или непрерывными р+ или п+ участками лицевой и тыльной стороны, которые также обеспечивают высокую эффективность энергоконверсии и также входят в объем притязаний авторов.
Пример 5. Пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи со встроенными источниками излучения. Теневая сторона и лицевая сторона.
Для преобразователей со встроенными источниками используются вышеизложенные примеры конструкций преобразователей, представленных на фиг. 1-100, с тем отличием, что в них встроен любым известным способом слой или участки с источниками дополнительного излучения, в частности, можно использовать радиоактивное излучение (ИРИ).
ИРИ может быть, к примеру, нанесен на собирающий токосборный слой или на диэлектрик 15, 16 преобразователя, например, с фиг. 100. Источником излучения являются слабые радиоактивные препараты используемые в настоящее время в медико-биологических целях. Преобразователи со встроенными источниками радиоактивного излучения будут функционировать длительное время и срок работы таких преобразователей зависит от количества встроенного преобразователя. Например, использование препаратов на основе стронция-90 с периодом полураспада 27,7 лет свободно позволит эксплуатировать преобразователь в течение 100 лет.
Пример 6. Пучковые преобразователи с поперечной и продольной составляющей диффузионного тока.
Существующие в настоящее время преобразователи имеют токосборные шины 5ас размером по ширине до 150-250 мкм, расположенные друг от друга с периодом или шагом в 2-3 мм. При этом послойный градиент концентрации вдоль оси X практически постоянен, так что диффузионная составляющая тока, обусловлена изменением концентрации вдоль оси Υ и полем области 2 (т.е. обусловлена поперечной составляющей диффузионного тока) и направлена вдоль оси Υ (фиг. 100а и 100Ь). Поперечная составляющая диффузионного тока пропорциональна площади освещаемой поверхности и величина поперечного тока ограничена этой поверхностью. Между тем искусственное создание и инициирование продольной составляющей, которая по величине может быть значительно больше поперечной составляющей, даст дополнительный существенный вклад в увеличение общего тока преобразователя.
С этой целью в предлагаемом варианте, представленном на фиг 100а и 100Ь, применена токосборная система в виде часто распределенных узких контактов 4а в диэлектрике 4 и узких токосборных металлизированных шин 5ас, объединяющих N электродов 5а лицевой стороны в один токовый узел и расположенных с периодом или шагом друг от друга на расстоянии Е<2£ (где £ - диффузионная длина НрНЗ).
- 28 017920
Под шинами, образующими области затенения, генерация ННЗ не происходит или, если учесть небольшую краевую дифракцию, то генерация происходит незначительно. В силу этого на границах затемнения объема преобразователя 1 непрозрачным (металлическим) электродом 5ас искусственно создается сильный продольный градиент концентрации зарядов, в результате которого возникает продольная составляющая диффузионного тока.
Таким образом, к поперечной составляющей диффузионного тока вдоль оси Υ добавляется продольная составляющая вдоль оси X. В результате общий диффузионный ток суммируется, что приводит к существенному увеличению мощности и эффективности ФЭП согласно предлагаемому варианту.
Система областей затемнения не только создает продольную составляющую тока, но и положительно сказывается на внутреннем сопротивлении преобразователя, практически не влияя на общую площадь затенения.
Практически, чтобы не увеличивая площадь затемнения и оставляя эту величину на уровне техники получить существенное увеличение эффективности ФЭП, поступают следующим образом. Например, 200-микронные шины стандартного преобразователя, расположенные с шагом Р, делят по ширине на т узких шин, расположенных с шагом Р/т, сравнимым с диффузионой длиной ННЗ.
В случае сплошных преобразователей, как это показано на фиг. 100а и 100Ь, этот простой прием оптимизации ФЭП снимает ограничения по толщине и степени легирования мертвого слоя 2, и следовательно - он может быть бесконечно тонким т.к. носители зарядов собираются преимущественно в области контакта под металлизацией и тем самым латеральная составляющая тока, протекающего по слою 2, уменьшается в 1/т раз.
Описанный прием применяется не только в случае преобразователя, проиллюстрированном на фиг. 100а-100Ь, но практически во всех примерах ФЭП на фиг 1-100, особенно в конфигурациях, когда расстояние между собирающими электродами 2 и металлизацией сравнимо с диффузионной длиной НрНЗ.
Пример 7. Плоские батареи и модули на основе пучковых преобразователей.
Гексагональная конфигурация элементов и размещение ФЭП в батарее
В уровне развития техники элементарные ячейки преобразователей размещают на кремниевых пластинах в виде полных элементов круговой конфигурации или так называемых псевдоквадратах, а затем полные элементы компонуют в плоскую батарею или модуль, или панель для последующего направления к потребителю.
При формировании полного СЭ на полупроводниковой пластине в зависимости от того, на какой конфигурации они размещаются, зависят его потери при резке и их последующей компоновке и размещении в батарее. В связи с этим СЭ в изобретении предлагается размещать в оптимальной экономически и технически целесообразной конфигурации по сравнению с уровнем техники - в гексагональной и псевдогексагональной форме.
Проанализируем уровень развития техники и предлагаемые авторами изобретения конфигурации и компоновки СЭ.
Степень заполнения солнечными элементами (СЭ) солнечной батареи (СБ) зависит прежде всего от конфигурации СЭ. Максимальная степень заполнения СБ (~100%) обеспечивают СЭ квадратной (или прямоугольной) формы. Однако такие элементы формируются на плавленом или ленточном мультикристаллическом кремнии с низким 9-12% КПД. СБ на монокристаллическом кремнии с высоким КПД формируются из СЭ, изготовленных на круглой пластине; при этом возможны следующие конфигурации, имеющие свои положительные (+) и отрицательные (-) стороны (см. фиг. 101-109 и табл. 1):
1) круг: минимальные потери кремния (+); низкая степень заполнения элементами площади СБ (-);
2) квадрат: максимальные потери кремния при вырезке (-); максимальное заполнение батареи элементами (+);
3) псевдоквадрат: максимальное заполнение батареи элементами (+); потери на вырезку СЭ с пластины (-); остаются промежутки с СБ, не заполненные СЭ (-);
Сочетания минимума потерь кремния с максимальным заполнением обеспечивает гексагональная форма СЭ:
4) гекс: минимальные потери кремния (+); максимальное заполнение батареи СЭ (+);
5) псевдогекс: минимальные потери кремния (+); максимальное заполнение батареи СЭ (+); промежутки в СБ, не заполненные СЭ меньше, чем в псевдоквадрате.
На фигурах и в табл. 3 приведены:
Фиг. 101-109 - компоновка солнечных элементов СЭ в солнечную батарею СБ; табл. 1 - расчетные потери площади солнечного элемента (СЭ) и батареи (СБ) при компоновке ее различными структурами для одинаковых площадей СЭ, вырезанных из пластины диаметром 100 мм.
Фиг. 101 - квадрат;
Фиг. 94 - псевдоквадрат;
Фиг. 95 - гекс;
Фиг. 96 - псевдогекс;
Фиг. 97 - компоновка СБ кругами;
- 29 017920
Фиг. 98 - компоновка СБ псевдоквадратами;
Фиг. 99 - компоновка СБ гексами;
Фиг. 100 - компоновка СБ псевдогексами.
Степень заполнения солнечными преобразователями (СЭ) солнечной батареи (СБ) зависит от конфигурации СЭ. Потери площади пластины при вырезке показаны в табл. 1 и фиг. 109, на которой представлена зависимость геометрических потерь от площади солнечных элементов различной конфигурации. На фиг. 109 показаны потери площади пластины при вырезке: 81 кв - псевдоквадрата, 81 гкс - псевдогекса; потери солнечной батареи при компоновке: СБ кв - псевдоквадратами - СБ гкс - псевдогексами. Как видно из этой фигуры, оптимум потерь для псевдофигур наступает в точках пересечения кривых 8ΐ СБ.
Пример 8. Многокаскадные батареи или модули на основе проходных преобразователей
Использование сверхтонких пластин позволяет существенно снизить потери от объемной рекомбинации. Однако при этом поглощается не вся падающая энергия, особенно в области энергий, близких к ширине запрещенной зоны полупроводника, что снижает чувствительность преобразователя в этой области. Избежать этого позволяет многокаскадная компоновка так называемых проходных преобразователей.
Проходной преобразователь - это любой из типов рассмотренных ранее преобразователей согласно изобретению, выполненный на тонких пластинах полупроводникового материала, выполненных для определенного пика поглощения.
Многокаскадный преобразователь устроен таким образом, что в начале поглощается и преобразуется коротковолновая часть спектра ниже ширины запрещенной зоны полупроводника, а в каждом из последующих каскадов - более длинноволновая.
В такой системе каждый из предыдущих элементов помимо выполнения преобразующих свойств является оптическим фильтром для последующего элемента.
В стандартных многокаскадных преобразователях используется последовательное соединение элементов с различной шириной запрещенной зоны, которые нагружены на общее сопротивление. При такой компоновке для модуляции проводимости каждого из элементов, входящих в каскад, требуется полный спектр излучения, на который рассчитан каскад, иначе высокое внутреннее сопротивление любого из непромодулированных элементов увеличит внутреннее сопротивление всего каскада, что ограничит его ток.
В батарее согласно изобретению такой недостаток устранен. Предлагаемая батарея выполняется, в отличие от стандартных каскадных преобразователей простой механической укладкой в плоскопараллельную стопу проходных преобразователей. При этом предлагаемая батарея или модуль и его сборка при последовательном соединении элементов предусматривает работу каждого из элементов на свое сопротивление нагрузки Кн (см. фиг. 109а). Если, например, длинноволновая часть спектра отсутствует, и элемент Ед 3 не работает, то потенциал на сопротивлении Кн 3 становится близким к нулю и ток во внешней цепи определяется сопротивлениями Кн 2 и Кн 1. Кроме этого такой подход позволяет сбалансировать сопротивления нагрузки для каждого из каскадов.
При последовательном соединении η одинаковых источников с ЭДС Е1 и внутренним сопротивлением г1 ЭДС батареи Е и ее внутреннее сопротивление г в η раз больше, чем у одного источника:
Е = η· Ει, г = п· г 1.
При параллельном соединении т одинаковых источников с ЭДС Е1 и внутренним сопротивлением г1 ЭДС батареи Е равна ЭДС одного источника, ток батареи I в η раз больше тока одного источника 11 и ее внутреннее сопротивление г в η раз меньше, чем у одного источника:
Е = Ει, г = г ι/ш.
Поэтому с точки зрения уменьшения внутреннего сопротивления батареи предпочтительно параллельное объединение элементов каскада. Однако даже в случае полноценной модуляции каждого из элементов ЭДС в такой схеме будет определяться ЭДС элемента с наименьшей шириной запрещенной зоны, т.е. Ед 3. Поэтому элементы в такой схеме должны быть выровнены по напряжению путем их последовательного соединения в звенья.
Площади элементов и их количество подбираются таким образом, чтобы напряжения на каждом из звеньев, обусловленные не только шириной запрещенной зоны применяемого полупроводника, но и уровнем падающего излучения, были выровнены.
При смешанном соединении одинаковых источников тока в батарею (см. фиг. 109Ь), состоящую из т параллельных звеньев, в каждом из которых η источников соединены последовательно, ЭДС батареи Е и ее внутреннее сопротивление определяются формулами:
Е = η· Ει, г = г г п/т.
Кроме этого, если в спектре будет отсутствовать какая-либо из составляющих, то это звено зашунтирует весь каскад. Поэтому звенья включаются в общую цепь через прямосмещенные диоды.
Предлагаемая батарея при таком соединении элементов становится не чувствительной к составу падающего спектра, а смешанное соединение источников тока позволяет получить в данной цепи источ
- 30 017920 ник с требуемыми ЭДС и внутренним сопротивлением.
Кроме технического эффекта многокаскадная батарея и использование тонких пластин полупроводникового материала позволяет получить существенный экономический эффект за счет экономии материала подожки до одного порядка.
Экспериментальные доказательства достижения технического результата по изобретению представлены на фиг. 119, 110-113, 114-116 и табл. 2-3.
Из фиг. 119 видно, что ФЭП согласно изобретению работают в широком диапазоне падающего ЭМИ - от ИК до УФ и выше. Стандартные из уровня техники работают лишь в узком диапазоне от 0,4 до 1,2 мкм.
Составляющие полного сопротивления р-п-перехода Кр: активное сопротивление К, емкость С и индуктивность Ь являются структурно-чувствительными характеристиками материалов, поэтому их проявление носит стохастический (или вероятностный) характер. Поскольку К, С, Ь - стохастические величины, то их изменения в материалах могут обнаруживаться только статистическими методами. Поэтому для доказательства достижения технического результата авторами были использованы статистические подходы. В предлагаемом изобретении каждый преобразователь состоит, фактически, из статистической выборки из Ν элементов, являющихся р-п-переходами.
На фиг. 110 приведены экспериментальные статистические данные по измерению внутренних сопротивлений р-п-переходов К преобразователей с кремниевыми диодными структурами при рабочей частоте измерения £ = 1 кГц. Для надежности, достоверности и воспроизводимости результатов эксперимента измерялись статистические выборки из р-п-переходов, состоящие из не менее 100 образцов преобразователей по методике, предложенной одним из авторов изобретения ранее в (Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с. Тео1 В., Кайаейоу Е.М. апб 3Не\е1е\ ν.ν. ТНЕ 3ТАТ13Т1САЬ ΝΑΊΗ^Ε ΑΝΌ Ь1РЕТ1МЕ ΙΝ РОЬУМЕК3 ΑΝΏ Р1ВЕК3. ШгесЫ-Войоп. Βη11 Асабепис РиЬ115Йег5Т3Р. 2004. 522 р). Из данных по измерению сопротивлений К строились по методике, подробно описанной в этих же работах, статистические кривые распределения в виде интегральных функций распределений (или одно и то же - в виде вариационных диаграмм) этих величин по номерам последовательности т.
На фиг. 110 приняты следующие обозначения: 23 - распределение значений сопротивлений р-ппереходов по номерам последовательности т, построенных по результатам измерений статистической выборки из 100 одинаковых образцов кремниевых преобразователей с одним р-п-переходом Ν=1, площадь каждого из которых 3 составляет 300 кв. мкм; 24 - распределение значений сопротивления р-ппереходов по номерам последовательности т, построенных по результатам измерений серии из 100 одинаковых образцов кремниевых преобразователей со 100 р-п-переходами (Ν=100), площадь каждого из которых 3 составляет 300 кв. мкм; 25 - распределение значений сопротивления р-п-переходов по номерам последовательности т, построенных по результатам испытаний серии из 100 одинаковых образцов преобразователей с одним р-п-переходом Ν=1, площадь каждого из которых составляет 30 кв.мкм; 26 распределение значений сопротивления К р-п-переходов по номерам последовательности т, построенных по результатам испытаний серии из 100 одинаковых образцов преобразователей со ста р-ппереходами Ν=100, площадь каждого из которых составляет 30 кв. мкм.
Из фиг. 110 видно, что в зависимости от размера 3 площади р-п-переходов их внутреннее сопротивление К имеет различный по величине разброс экспериментальных значений. В статистической выборке из массивных по размеру (3=300 кв.мкм) р-п-переходов разброс значений сопротивлений К существенно меньший (кривая 23), чем в выборке с малыми значениями (3=30 кв.мкм) р-п-переходов (кривая 25). Маленькие по размерам р-п-переходы дают громадный разброс и дисперсию значений сопротивлений. В статистической выборке с большими (массивными) р-п-переходами малые значения сопротивлений, например, близких к нулевому вовсе не встречаются - их просто в данной статистической выборке нет. В выборке с малыми размерами р-п-переходов встречается большое количество переходов с малыми значениями, близкими к нулевым значениям. В количественном отношении разброс значений сопротивления для маленьких переходов составляет от 0 до 0,2 Ом, а в выборке с большими р-п-переходами разброс составляет от 0,05 до 0,15 Ом.
Если взять статистическую выборку из 100 образцов с Ν=1 р-п-переходами в каждом, соответствующей кривой 23 (для массивных переходов с 3=300 кв.мкм), и объединить их путем параллельного соединения в один токовый узел - пучок (в таком объединенном пучковом преобразователе уже будет Ν=100 р-ппереходов, соединенных с помощью общего электрода в один токовый узел), то общее сопротивление такого пучка по закону шунта будет иметь значение меньше наименьшего значения (наименьшее значение в данной статистической выборке составляет 0,05 Ом). При построении интегральной кривой распределения из 100 таких одинаковых пучков (преобразователей), состоящих из Ν=100 р-п-переходов все точки располагаются на одной прямой (кривая 24) - разброс практически в этом случае отсутствует.
А теперь, если статистическую выборку из 100 образцов с Ν=1 р-п-переходами в каждом, соответствующей кривой 25 (для переходов с меньшими значениями, т.е. с 3=30 кв.мкм) объединить путем параллельного соединения в один токовый узел - пучок (в таком объединенном пучковом преобразователе также как в предыдущем случае будет Ν=100 р-п-переходов, соединенных с помощью общего электрода в один токовый
- 31 017920 узел), то общее сопротивление такого пучка по закону шунта будет иметь также значение меньше наименьшего (наименьшее значение в этой статистической выборке составляет 0,0 Ом). То есть при малых значениях размеров р-п-переходов и большом их количестве (для надежности не менее N=100) полное внутреннее сопротивление преобразователя будет равным нулю. При построении интегральной кривой распределения из 100 таких одинаковых преобразователей, состоящих из N = 100 р-п-переходов, все точки располагаются на одной прямой - нулевой точке (кривая 26). Экспериментальный разброс в этом случае отсутствует, и таким образом, в таком исполнении получается преобразователь со сверхточными электрическими параметрами.
В обоих случаях при объединении в пучок (в параллельную цепь с единым токовым узлом) экспериментальный разброс полностью устраняется, общее сопротивление катастрофически снижается, становится стабильным и сохраняет свою величину постоянной во всем диапазоне измеренных значений (см. кривые 25 и 26). При этом, как видно из кривых 23-26, общее сопротивление становится меньше наименьшего значения. Однако в статистической выборке с малыми размерами р-п-переходов общее сопротивление существенно меньше, чем в выборке с большими размерами р-п-переходов и достигает в нем нулевого значения. В целом, чем меньше размер р-п-перехода и больше число N тем больше будет снижение общего сопротивления р-п-переходов и тем больше будет по величине генерируемый ток и мощность преобразователя.
Таким образом, из данных фигуры 110 следует, что при изготовлении полупроводникового преобразователя по изобретению предпочтительно размер р-п-переходов выполнять существенно малыми, однотипными и одинаковыми, а число N должно быть достаточно большим (в идеале оно должно стремиться к бесконечно большому числу). При этом для лучшей реализации эффекта снижения сопротивления в преобразователях предпочтительно использовать полупроводниковые подложки толщиной менее 70 мкм.
В целом полученные экспериментальные статистические данные по измерению пучковых преобразователей (преобразователей с большим числом переходов, сопротивления которых объединены в один токовый узел) убедительно доказывают осуществимость технического результата согласно предлагаемому изобретению. Кроме того, авторами были проведены (в различных рабочих частотных диапазонах) аналогичные экспериментальные статистические исследования для емкости С, индуктивности Ь и добротности О однопереходных и пучковых преобразователей.
Полученные экспериментальные данные подтверждают получение технического эффекта по изобретению и осуществимость выполнения преобразователей согласно изобретению. Некоторые из этих данных представлены в табл. 2.
В табл. 2 представлены значения параметров В, С, Ь, О для преобразователей с числом N=4, 10 и 1000 отдельных однотипных р-п-переходов при частотах ί=1 кГц и 1 МГц.
В целом, результаты экспериментальных исследований показали, что в статистических выборках из N р-п-переходов (т.е. пучковых преобразователях) полностью устраняется экспериментальный разброс, а электрические параметры становятся стабильными и сверхточными. При этом снижаются по величине не только значения сопротивления В, но и значения индуктивностей Ь и емкостей С (см. фиг. 110 и табл. 2) преобразователей. Снижение емкости связано с тем, что в результате снижения сопротивления паразитный заряд на контактах переходов не скапливается, а уходит во внешнюю цепь. Механизм снижения индуктивности, аналогичный механизму снижения сопротивления в параллельной цепи. При этом снижение величин В, С, Ь приводит также к существенному увеличению добротности О преобразователя.
Кроме того, при одновременном увеличении числа N и рабочей частоты £, величины внутреннего сопротивления В, емкости перехода С, индуктивности Ь становятся стабильными, эффект снижения усиливается. Необходимо также отметить, что стабильность значений электрических параметров соблюдается и при изменении температуры (как при снижении до низких значений, так и при увеличении до высоких температур). Измерения проводились в диапазоне от 173 до 573 К.
Аналогичные результаты получены при измерении ФЭП согласно изобретению, изготовленных в промышленных условиях по обычной стандартной полупроводниковой технологии.
Были изготовлены несколько примеров преобразователей. При изготовлении преобразователя согласно варианту с фиг. 71-72 размер р-п-переходов был локализован до 500 мк х 500 мк, которые были размещены в элементарную ячейку размером 8000 мк х 8000 мк в количестве N = 256 р-п-переходов. Первый электрод в таком преобразователе размещен по периметру р-п-переходов, которые объединяются в один токовый узел посредством редких токопроводящих собирающих шин. Второй электрод выполнен сплошным.
В преобразователях, изготовленных по конструкции из фиг. 6, р-п-переходы были еще более локализованными. При этом были использованы крестообразно расположенные дискретные р-п-переходы размером 10 мк х 10 мк. Элементарная ячейка преобразователя составляла 24х22 мм, в котором было размещено до N = 100000 р-п-переходов. Первый электрод в этом преобразователе выполнен в виде крестов, под которыми расположены дискретные р-п-переходы, объединенные первым электродом и токосборной шиной в пучок, т. е. в один токовый узел. Второй электрод выполнен сплошным. ФЭП, выполненные согласно изобретению, сравнивались с контрольными ФЭП со сплошным р-п-переходом, со
- 32 017920 сплошной лицевой стороной (без разрыва сплошности) и стандартными просветляющими покрытиями из окиси тантала. Измерению подвергались ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, из которого рассчитывались максимальные значения мощностей преобразователей. Типичная вольт-амперная характеристика для контрольного согласно изобретению преобразователя в красном свете представлена на фиг. 111. Верхняя кривая 28 соответствует данным для ФЭП согласно изобретению, а нижняя кривая 27 контрольному образцу ФЭП.
Как видно из табл. 3 и фиг. 111, у ФЭП согласно изобретению во всем испытанном диапазоне ЭМИ ток короткого замыкания и потенциал холостого хода существенно выше, чем у контрольных. При этом у преобразователей согласно изобретению существенно расширился диапазон преобразуемых частот ЭМИ. К примеру, контрольные ФЭП с одним сплошным р-п-переходом в области ЭМИ ниже 220 нм (ультрафиолетовый диапазон) и выше 1000 нм (инфракрасный диапазон) не генерируют ЭДС в отличие от преобразователей согласно изобретению.
Пучковые дискретные диффузионные преобразователи согласно изобретению работают таким образом как в обычном видимом диапазоне ЭМИ, так и выше и ниже.
В целом, как видно из табл. 3, в различных частотных диапазонах ЭМИ, особенно в фиолетовой части, в результате локализации процесса преобразования ЭМИ путем снижения размеров р-п-переходов до 500-500 мкм (в конструкции из фиг. 71-72) и увеличения числа N и концентрации р-п-переходов электрические параметры - напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и мощность увеличиваются на порядок и выше по сравнению со стандартными ФЭП со сплошными р-п-переходами. Преобразователи такой конструкции, в которой электроды размещены по периметру р-п-переходов, генерируют фототок как в видимом диапазоне (от 1000 до 220 нм), так и в невидимом, выше фиолетовой части спектра ЭМИ - в рентгеновской области и ИК-области излучения. Контрольные преобразователи, как видно с табл. 2, имеют технические характеристики существенно ниже во всех испытанных диапазонах частот ЭМИ. На фиг. 112 представлен спектр солнечного излучения АМО 0 (кривая 29) и приведенные спектральные характеристики изготовленных преобразователей: 30 - для контрольного ФЭП со сплошной ЛС; 31 - для пучковых диффузионных согласно изобретению; 32 пучковых диффузионно-дрейфовых согласно изобретению. Видно, что ФЭП согласно изобретению чувствительны как в области видимого света, так и невидимого - в области УФ- и ИК-излучения солнца. При этом диффузионно-дрейфовые преобразователи согласно изобретению имеют еще большую спектральную чувствительность, чем диффузионные.
Кроме того, как видно с табл. 3, преобразователи согласно изобретению функционируют при изменении температуры вплоть до 573 К и выше. При измерении токов короткого замыкания и напряжения холостого хода в условиях облучения ЭМИ при повышенных температурах вплоть до 573 К и выше у преобразователя согласно изобретению сохраняется величина и стабильность значений токов и напряжений. У контрольных образцов со сплошными собирающими областями, с одним большим сплошным переходом при этих температурах значения токов и напряжений падают до нуля. Необходимо отметить, как показывают данные проведенных экспериментов, преобразователи по изобретению генерируют фототок не только в частотах ниже среднего ИК, но и в рентгеновском диапазоне - вплоть до гаммаизлучения.
В доказательство осуществления заявленных технических результатов были также изготовлены образцы пучковых преобразователей с поперечной и продольной диффузиионной составляющей тока. Были изготовлены образцы ФЭП согласно конструкциям с фиг. 3-4 (пример 1) и фиг. 100а-100Ь (пример 6), а также стандартные контрольные ФЭП со сплошным р-п-переходом.
Данные измерений этих ФЭП представлены на фиг. 113, на которой показаны зависимости тока короткого замыкания 1кз контрольного (кривая 33) и опытных (кривые 34-36) образцов: 33 - вариант стандартного контрольного образца со сплошным р-п-переходом с шириной токосборной шины 200 мкм и расстоянием между токосборными шинами 2000 мкм, со степенью затемнения металлизацией 8,4%; 34 образец со сплошным токосборным слоем по варианту фиг. 100а и 100Ь с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень затемнения металлизацией 8,2%; 35 образец с крестообразными токосборными слоями 2 по варианту фиг. 3, полностью закрытых металлизацией, как показано на фиг. 4, с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень затемнения металлизацией 18,0%; 36 - вариант фиг. 3 с частично открытыми дискретными крестообразными элементами. Степень затемнения 8,2%.
Соотношение площадей собирающих слоев вариантов кривых 33-34 с вариантами кривых 35-36 составляет 1/10.
Кривая 33 на фиг. 113 демонстрирует насыщение тока короткого замыкания на уровне 60 мА для сплошного образца за счет высокого внутреннего сопротивления мертвого слоя 2: неосновные носители, образовавшиеся в объеме преобразователя ниже мертвого слоя движутся по направлению к этому слою, собираются им и далее вдоль этого слоя - к электроду 5ас.
Плотность поперечной составляющей диффузионного тока γ при наличии градиента концентрации йп/йу
- 33 017920 ίν=ςθ(άπ/άν).
где с.| - заряд электрона,
Ό - коэффициент диффузии.
При появлении продольной составляющей градиента концентрации άπ/άχ, обусловленной зонами затемнения, появляется продольная составляющая тока )х=дП(бпМх), а в силу резкого перепада концентраций, т.е. при (йп/йх)>(йп/йу), плотность продольной составляющей тока больше плотности поперечной: )х>),,. Полная плотность тока )=)х+)у.
Об этом свидетельствует кривая зависимости тока короткого замыкания от интенсивности светового потока (кривая 33), которая расположена по токовой оси значительно ниже кривых 34-36.
Это объясняется еще и тем, что значительная доля образовавшихся НрНЗ рекомбинирует в объеме, не доходя до токосборного слоя 2. При расстояниях между электродами, сопоставимыми с диффузионными длинами НрНЗ, носители, соответствующие поперечной диффузионной составляющей тока, свободно доходят до токосборных электродов и в результате кривые 34-36 ложатся на токовой оси существенно выше.
Кривые 34-36 наглядно иллюстрируют эффект продольной составляющей диффузионного тока, который в отличие от поперечной составляющей диффузионного тока короткого замыкания не пропорционален площади р-п-перехода. Как видно из фиг. 113, кривые 34-36, характеризующие эффект продольной составляющей диффузионного тока, расположены существенно выше по токовой оси.
Таким образом уменьшается вредное действие тока насыщения 18, пропорционального площади перехода и направленного противоположно фототоку и уменьшающий полный ток Ι=Ιψ-Ι3. Этот эффект продольного тока также положительно сказывается и на температурных зависимостях преобразователей 35 с малыми, по отношению к 33-34 площадями р-п-переходов: падение напряжения холостого тока при их нагревании существенно меньше, чем для преобразователей со сплошными переходами.
Таким образом экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что для получения максимального эффекта собирания тока необходимо искусственно создавать систему объемно-поверхностных неоднородностей - СОПН, представляющих собой в общем случае не только чередование п+ и р+ областей, но и систему затененных участков на ЛС ФЭП, повышающих градиент концентрации носителей зарядов. В общем случае, анализ ФЭП, выполненных в соответствии с фиг. 3-4, а также 100а-100Ь, свидетельствует о том, что под действием кванта излучения образование НрНЗ происходит в любом месте подложки: хоть в п слое, хоть в р слое. Поэтому необходимо создавать градиент концентрации зарядов, производить их разделение полем (встроенных) дискретных N р-п-переходов и эффективно собирать соответствующей полосково-сеточной конструкцией электродов, обеспечивающих создание токового узла с сопротивлениями р-п-переходов.
Обозначения и подписи на фиг. 114-116:
Кривая 37 - дискретный пучковый преобразователь с оптимизированным размером переходов до 4х4 мкм; коэффициент отражения 45%;
Кривая 38 - высокоэффективный преобразователь со сплошным переходом производства фирмы 8ип Ро\тег; коэффициент отражения 1-2%;
Кривая 39 - высокоэффективный преобразователь со сплошным переходом космического назначения; коэффициент отражения 8%.
На фиг. 114-116 приведены результаты оптимизации р-п-переходов и областей первого типа проводимости до размеров в сечении 4 мкм х 4 мкм. Образцы были изготовлены из монокристаллического электронного кремния в серийных промышленных условиях. Для сравнения были измерены высокоэффективные солнечные элементы фирмы 8ип Ро\тег и стандартные элементы космического назначения. При этом коэффициент поглощения падающего излучения у элементов составлял: 8Р-топо - 98%, 8расе - 92%, пучковых согласно изобретению - 55%. Измерялся коэффициент внутреннего преобразования элементов в зависимости от мощности падающего излучения.
Как видно, коэффициент внутреннего преобразования у всех элементов с увеличением падающей мощности снижается. Наибольшее снижение наблюдается у высокоэффективных сплошных преобразователей - с 15- 20% (при нормальных условиях) до 3-5%. У пучковых дискретных элементов это снижение не столь катастрофично - он снижается с 40 до 23%. Высокий коэффициент внутреннего преобразования пучковых элементов согласно изобретению свидетельствет об их высокой эффективности по сравнению с преобразователями уровня техники.
Как видно из фиг. 115-116, пучковые дискретные преобразователи показывают высокую эффективность и при одновременном действии температуры и интенсивности светового потока. При падающей мощности 3000 Вт/м2 и температуре измерения 70-80°С дискретный солнечный элемент вырабатывает более 800 (кривая 37), а высокоэффективные фирмы 8ип Ро\тег и элементы космического назначения соответственно в четыре и два раза меньше (см. кривые 38 и 39 фиг. 116). И эти результаты получены без антирефлекторного покрытия. Прогноз показывает, что устранение в дискретных элементах отражения улучшит эти результаты вдвое.
- 34 017920
При создании СИПОН путем дальнейшей локализации р-п-переходов и увеличении числа N и концентрации переходов, а также чередования п+ и р+ областей на лицевой стороне преобразователя проявляется неожиданный феномен - скачкообразное увеличению потенциала. Данные приведены в табл. 3, из которых видно, что образцы СИПОН преобразователей с локализованными N=100000 дискретными р-ппереходами генерируют в 7 В. Это на порядок выше значения для кремния, теоретически обоснованного и на практике получаемого в уровне техники. При этом они генерируют потенциал в невидимом диапазоне - в среднем ИК-излучении (5000 нм) и видимом и невидимом УФ-свете (220-300 нм). Для стандартного сплошного преобразователя с одним переходом N=1 потенциал в этих условиях и частотах ИК- и УФ-излучения равен нулю. Эти результаты подтверждают справедливость выводов, сделанных выше, и реальность осуществления технического эффекта в настоящем изобретении.
В заключение следует отметить, что вышеприведенные примеры представлены лишь для лучшего понимания сущности изобретения, а также его преимуществ и ни в коей мере не охватывают все возможные частные случаи его осуществления. С учетом вышеописанного специалисту полупроводниковой техники будет ясно, что возможны и другие конкретные варианты его воплощения, в частности характеризуемые, например, материалами подложки, токопроводящих путей, и пр., отличными от прямо упомянутых в описании, но хорошо известными и применяемыми в данной области техники для аналогичных целей, а также характеризуемые числом р-п-переходов, прямо не упомянутым в описании, но однозначно следующим из существа изобретения. Или например, возможно применение подходов, использованных в настоящем описании для изготовления других полупроводниковых приборов с диодной структурой диодов, фотодиодов, светодиодов, транзисторов, фототранзисторов, тиристоров, полупроводниковых лазеров и др. В рамках настоящего изобретения могут быть использованы, в дополнение к приведенным вариантам исполнения такие способы увеличения эффективности, упомянутые в тексте описания изобретения, как создание на чувствительной поверхности различных текстур и ряд других отличных от приведенных и упомянутых известных методов изготовления, как всего преобразователя, так и его отдельных элементов. Возможно также предусмотреть и другие конкретные случаи осуществления изобретения, которые однако не будут выходить за рамки испрашиваемой правовой охраны, определяемой прилагаемой формулой изобретения.
Промышленная применимость
Для изготовления преобразователей по изобретению может использоваться стандартная полупроводниковая технология со стандартными полупроводниковыми материалами подложки, а сборка преобразователей в батареи (модули) может быть осуществлена специалистом на основе сведений, приведенных в описании. Преобразователи и батареи по изобретению могут успешно применяться в энергетике, других областях промышленности, в частности в качестве источника электродвижущей силы.
Claims (59)
- ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ1. Преобразователь электромагнитного излучения, содержащий полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой сформировано N>1, где N - целое число, дискретных локальных областей первого типа проводимости, подложка имеет второй тип проводимости, так что указанные области первого типа проводимости образуют с подложкой N>1 р-п-переходов, объединенных в токовый узел посредством первого токосборного электрода, отличающийся тем, что вне областей первого типа проводимости на лицевой стороне подложки сформированы изотипные переходы, создающие неосновным носителям заряда отталкивающие изотипные барьеры.
- 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере часть лицевой стороны подложки текстурирована.
- 3. Преобразователь по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки нанесен антирефлекторный слой.
- 4. Преобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в подложку внедрены локальные центры поглощения электромагнитного излучения и инжекции неравновесных носителей заряда, создающие градиенты концентрации неравновесных носителей зарядов.
- 5. Преобразователь по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки вне областей первого типа проводимости сформированы легированные углубленные изотипные отклоняющие области, создающие градиент концентрации неравновесных носителей заряда по отношению к области или областям второго типа проводимости.
- 6. Преобразователь по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что области первого типа проводимости расположены друг от друга на расстояниях, соизмеримых с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
- 7. Преобразователь по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что тыльная сторона подложки содержит легированные углубленные дискретные собирающие области второго типа проводимости, образующие с материалом подложки локальные изотипные переходы, объединенные посредством локальных контактов и тыльного проводящего электрода в тыльный противоположный токовый узел.
- 8. Преобразователь по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что подложка с тыльной стороны со- 35 017920 держит Р>1, где Р - целое число, дискретных локальных собирающих областей первого типа проводимости и Р дискретных р-п-переходов, объединенных вторым токосборным электродом во второй тыльный токовый узел.
- 9. Преобразователь по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки расположен слой диэлектрика, имеющий окна, по меньшей мере, в зонах расположения дискретных локальных N областей с проводимостью первого типа, обеспечивающие контакт первого электрода с указанными областями.
- 10. Преобразователь по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что N>1, причем указанные N областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки выполнены отдельными и однотипными, с образованием N отдельных и однотипных р-п-переходов.
- 11. Преобразователь по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что N=1.
- 12. Преобразователь по п.11, отличающийся тем, что выполненная на лицевой стороне подложки область с проводимостью первого типа содержит К>1, где К - целое число, участков первого типа проводимости, соединенных между собой посредством М>1, где М - целое число, соединительных элементов с проводимостью первого типа.
- 13. Преобразователь по п.12, отличающийся тем, что М=1, т. е. указанная область с проводимостью первого типа содержит один легированный соединительный элемент первого типа проводимости в виде одной сплошной прямоугольной полоски.
- 14. Преобразователь по п.12, отличающийся тем, что указанная область с проводимостью первого типа содержит М>1 легированных соединительных участков первого типа проводимости в виде отдельных однотипных тонких полосок прямоугольной формы.
- 15. Преобразователь по п.12, отличающийся тем, что указанная область с проводимостью первого типа содержит М>1 легированных соединительных участков первого типа проводимости, расположенных с образованием сетки.
- 16. Преобразователь по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что р-п-переходы с прилегающими к ним собирающими областями выведены на боковую и фронтальную поверхности лицевой стороны.
- 17. Преобразователь по любому из пп.1-16, отличающийся тем, что под каждой из N областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположен легированный слой с проводимостью второго типа.
- 18. Преобразователь по любому из пп.1-17, отличающийся тем, что под каждой из указанных областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположена стопа из С>1. где С - целое число, последовательно чередующихся слоев с проводимостью второго типа и проводимостью первого типа.
- 19. Преобразователь по п.18, отличающийся тем, что слои в каждой из указанных стоп последовательно или параллельно соединены.
- 20. Преобразователь по п.19, отличающийся тем, что собирающие области с проводимостью одного типа соединены посредством легированных соединительных элементов того же типа проводимости.
- 21. Преобразователь по п.20, отличающийся тем, что по крайней мере часть указанных соединительных элементов образуют замкнутые контуры.
- 22. Преобразователь по любому из пп.20-21, отличающийся тем, что все указанные соединительные элементы образуют замкнутые контуры.
- 23. Преобразователь по любому из пп.1-22, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки расположено Х>1, где Х - целое число, дополнительных легированных отклоняющих областей, обособленных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа.
- 24. Преобразователь по п.23, отличающийся тем, что каждая из указанных X легированных отклоняющих областей имеет проводимость второго типа.
- 25. Преобразователь по п.23, отличающийся тем, что X отклоняющих областей включают в себя области как с первым, так и со вторым типом проводимости.
- 26. Преобразователь по п.23, отличающийся тем, что каждая из указанных X легированных отклоняющих областей имеет проводимость первого типа.
- 27. Преобразователь по любому из пп.23-26, отличающийся тем, что указанные легированные отклоняющие области выполнены дискретными.
- 28. Преобразователь по любому из пп.23-27, отличающийся тем, что по крайней мере часть легированных отклоняющих областей с одинаковым типом проводимости объединены соединительными участками того же типа проводимости в контуры.
- 29. Преобразователь по любому из пп.23-27, отличающийся тем, что указанные X легированных отклоняющих областей выполнены в виде непрерывного замкнутого контура, в частности кольца или пояса.
- 30. Преобразователь по п.28, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из N собирающих областей с проводимостью первого типа, выполненная на лицевой стороне подложки, расположена в образованном отклоняющими областями контуре.- 36 017920
- 31. Преобразователь по п.29, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из N собирающих областей расположена внутри указанного непрерывного замкнутого контура.
- 32. Преобразователь по любому из пп.23-31, отличающийся тем, что N собирающих легированных областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки и легированные отклоняющие области расположены в чередующихся дискретных квантовых ловушках-углублениях с периодом Р< 2£, где £ - диффузионная длина неравновесных носителей зарядов, а указанные ловушки выполнены на лицевой стороне подложки, причем собирающие области первого типа расположены в одних углублениях, а отклоняющие области - в других углублениях вдоль расположения углублений с проводимостью первого типа на расстоянии периода Р от ближайшего углубления.
- 33. Преобразователь по п.32, отличающийся тем, что он содержит третий токосборный электрод, соединенный с каждой из указанных X легированных отклоняющих областей с проводимостью второго типа.
- 34. Преобразователь по п.32, отличающийся тем, что он содержит третий токосборный электрод, соединенный по меньшей мере с одной из указанных X легированных отклоняющих областей с проводимостью второго типа.
- 35. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что поверх слоя диэлектрика расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод.
- 36. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки расположено Х>1 дополнительных легированных отклоняющих областей, обособленных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа.
- 37. Преобразователь по п.36, отличающийся тем, что поверх слоя диэлектрика в зоне расположения по крайней мере одной из указанных X легированных отклоняющих областей расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод.
- 38. Преобразователь по п.35 или 37, отличающийся тем, что первый токосборный электрод, соединенный с каждой из N областей первого типа проводимости, выполнен расширенным и перекрывающим в плане каждую отдельно взятую указанную область, причем первый токосборный электрод соединен с отклоняющим полевым электродом с образованием единого расширенного собирающе-отклоняющего электрода.
- 39. Преобразователь по п.38, отличающийся тем, что указанный расширенный собирающеотклоняющий электрод выполнен из оптически прозрачного или полупрозрачного токопроводящего материала, в частности 81*, ТСО, ΙΤΟ.
- 40. Преобразователь по п.38, отличающийся тем, что указанный расширенный собирающеотклоняющий полевой электрод выполнен сплошным на всю лицевую сторону из оптически прозрачного токопроводящего материала, в частности 81*, ТСО, ΙΤΟ.
- 41. Преобразователь по п.38, отличающийся тем, что первый токосборный электрод размещен по периметру каждой из N токосборных областей на лицевой стороне.
- 42. Преобразователь по п.41, отличающийся тем, что отклоняющие области расположены по периметру первого токосборного электрода.
- 43. Преобразователь по любому из пп.39-40, отличающийся тем, что вне и вдоль периметра собирающе-отклоняющего электрода сформирован первый полевой дрейфовый электрод на лицевой стороне, образующий при подаче потенциала смещения дрейфовое поле.
- 44. Преобразователь по п.43, отличающийся тем, что под первым полевым дрейфовым электродом расположены отклоняющие области первого типа проводимости.
- 45. Преобразователь по п.43, отличающийся тем, что между первыми токосборным и полевым дрейфовым электродами сформирован второй полевой дрейфовый электрод на лицевой стороне, расположенный над отклоняющими областями второго типа проводимости.
- 46. Преобразователь по п.45, отличающийся тем, что второй полевой дрейфовый электрод на лицевой стороне электрически соединен с подложкой.
- 47. Преобразователь по п.12, отличающийся тем, что М соединительных элементов с проводимостью первого типа объединены тонкими электродами в количестве Υ>1, где Υ - целое число, в токовый узел, причем шаг между К участками первого типа соизмерим с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
- 48. Преобразователь по любому из пп.1-47, отличающийся тем, что области с проводимостью первого типа на лицевой стороне и области второго типа проводимости на лицевой стороне покрыты микролинзами или микропризмами.
- 49. Преобразователь по любому из пп.1-48, отличающийся тем, что тыльная сторона подложки с проводимостью второго типа содержит А>1, где А - целое число, обособленных отклоняющесобирающих легированных областей с проводимостью второго типа, объединенных в токовый узел посредством сплошного второго токосборного электрода.
- 50. Преобразователь по п.49, отличающийся тем, что указанные отдельные А>1 легированные отклоняюще-собирающие области выполнены однотипными.- 37 017920
- 51. Преобразователь по п.49, отличающийся тем, что тыльная сторона содержит У>1, где V - целое число, легированных отклоняюще-собирающих областей первого типа проводимости, каждая из которых соединена четвертым токосборным электродом в токовый узел.
- 52. Преобразователь по п.51, отличающийся тем, что тыльная сторона содержит дополнительные дискретные отклоняющие области первого типа проводимости, расположенные по периферии отклоняюще-собирающих областей с проводимостью второго типа и первого типа.
- 53. Преобразователь по п.51, отличающийся тем, что тыльная сторона содержит дополнительные дискретные отклоняющие области второго типа проводимости, расположенные между указанными дискретными отклоняющими областями первого типа проводимости.
- 54. Преобразователь по любому из пп.1-53, отличающийся тем, что он выполнен на полупроводниковой подложке толщиной, соизмеримой или меньше диффузионной длины неравновесных носителей зарядов.
- 55. Преобразователь по любому из пп.1-54, отличающийся тем, что на лицевой или обратной стороне полупроводниковой подложки размещены Ζ, где Ζ - целое число, областей с источником дополнительного электромагнитного излучения, в частности стронция-90.
- 56. Батарея, содержащая 1>1, где I - целое число, преобразователей, выполненных по любому из пп.1-55, имеющих многоугольную форму наружной кромки и соединенных между собой в последовательную или параллельную электрическую цепь.
- 57. Батарея по п.56, отличающаяся тем, что наружная кромка преобразователей имеет гексагональную конфигурацию.
- 58. Батарея, содержащая 1>1, где I - целое число, преобразователей, выполненных по любому из пп.1-55, имеющих псевдогексагональную форму наружной кромки и соединенных между собой в последовательную или параллельную электрическую цепь.
- 59. Батарея, содержащая 1>1, где I - целое число, тонких проходных преобразователей, выполненных по любому из пп.1-55, расположенных в стопе и соединенных между собой в последовательнопараллельную электрическую цепь, причем размещенных в стопе в такой последовательности, что верхний слой или каскад преобразует коротковолновую часть спектра падающего излучения, а каждый последующий нижний каскад или слой в стопе преобразует более длинноволновую.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2008/000314 WO2009142529A1 (ru) | 2008-05-20 | 2008-05-20 | Преобразователь электромагнитного излучения и батарея |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201001707A1 EA201001707A1 (ru) | 2011-04-29 |
| EA017920B1 true EA017920B1 (ru) | 2013-04-30 |
Family
ID=41340319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201001707A EA017920B1 (ru) | 2008-05-20 | 2008-05-20 | Преобразователь электромагнитного излучения и батарея |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110248370A1 (ru) |
| EP (1) | EP2323170A4 (ru) |
| KR (1) | KR101111215B1 (ru) |
| CN (1) | CN102187469B (ru) |
| EA (1) | EA017920B1 (ru) |
| WO (1) | WO2009142529A1 (ru) |
| ZA (1) | ZA201009081B (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU188356U1 (ru) * | 2019-01-10 | 2019-04-09 | Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ" | Тестовый элемент для контроля качества планаризации |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8288646B2 (en) | 2009-05-06 | 2012-10-16 | UltraSolar Technology, Inc. | Pyroelectric solar technology apparatus and method |
| DE102009054067A1 (de) * | 2009-11-20 | 2011-05-26 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Licht emittierende Vorrichtung |
| DE102011003454A1 (de) * | 2011-02-01 | 2012-08-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Strahlungsdirektkonverter, Strahlungsdetektor, medizintechnisches Gerät und Verfahren zum Erzeugen eines Strahlungsdirektkonverters |
| RU2507613C2 (ru) * | 2012-01-30 | 2014-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Каскадное светоизлучающее термоэлектрическое устройство |
| CN102969805B (zh) * | 2012-12-07 | 2015-02-18 | 四川大学 | 微波能量转换装置 |
| TWI499059B (zh) * | 2013-03-06 | 2015-09-01 | Neo Solar Power Corp | 區塊型摻雜太陽能電池 |
| US9404795B2 (en) | 2013-10-03 | 2016-08-02 | Infineon Technologies Ag | Opitical detector with adjustable spectral response |
| TWI589180B (zh) * | 2013-12-20 | 2017-06-21 | 致茂電子股份有限公司 | 發光模組的驅動方法 |
| US20180040751A1 (en) * | 2015-02-26 | 2018-02-08 | Dynamic Solar Systems Ag | Obtaining a pv film structure by means of a room temperature method and room temperature method for producing a pv film structure |
| DE112016000930A5 (de) | 2015-02-26 | 2017-11-02 | Dynamic Solar Systems Ag | Raumtemperatur-Verfahren zur Herstellung elektrotechnischer Dünnschichten und elektrotechnische Dünnschicht |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU288163A1 (ru) * | Д. С. Стребков , В. С. Косарев | Полупроводниковый фотоэлектрический генератор | ||
| US4089705A (en) * | 1976-07-28 | 1978-05-16 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Hexagon solar power panel |
| JPS6053531A (ja) * | 1983-09-05 | 1985-03-27 | Toray Ind Inc | 改質ポリエ−テルエステルブロツク共重合体 |
| RU2087053C1 (ru) * | 1993-06-04 | 1997-08-10 | Государственное научно-производственное предприятие "Квант" | Полупроводниковый фотопреобразователь и модуль солнечной батареи |
| RU2127009C1 (ru) * | 1996-03-28 | 1999-02-27 | Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя |
| RU2003121615A (ru) * | 2003-07-16 | 2005-01-10 | Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (RU) | Солнечный элемент |
| RU2005106097A (ru) * | 2005-03-05 | 2006-08-10 | Брон Цой (RU) | Пучковые опто- и фотоэлектронные элементы и приборы и способ их изготовления |
| RU2006120073A (ru) * | 2006-06-08 | 2007-12-27 | Брон Цой (RU) | Преобразователь |
Family Cites Families (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3948682A (en) * | 1974-10-31 | 1976-04-06 | Ninel Mineevna Bordina | Semiconductor photoelectric generator |
| US4365262A (en) * | 1980-11-26 | 1982-12-21 | Handotai Kenkyu Shinkokai | Semiconductor image sensor |
| US4367368A (en) * | 1981-05-15 | 1983-01-04 | University Patents Inc. | Solar cell |
| US4667060A (en) * | 1985-05-28 | 1987-05-19 | Spire Corporation | Back junction photovoltaic solar cell |
| US4665277A (en) * | 1986-03-11 | 1987-05-12 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Floating emitter solar cell |
| US5189297A (en) * | 1988-08-29 | 1993-02-23 | Santa Barbara Research Center | Planar double-layer heterojunction HgCdTe photodiodes and methods for fabricating same |
| JP3115950B2 (ja) * | 1992-07-29 | 2000-12-11 | シャープ株式会社 | 光電変換装置およびその製造方法 |
| JP3206350B2 (ja) | 1995-01-26 | 2001-09-10 | トヨタ自動車株式会社 | 太陽電池 |
| EP1048084A4 (en) * | 1998-08-19 | 2001-05-09 | Univ Princeton | ORGANIC OPTOELECTRONIC LIGHT SENSITIVE DEVICE |
| RU2139601C1 (ru) | 1998-12-04 | 1999-10-10 | ООО Научно-производственная фирма "Кварк" | Способ изготовления солнечного элемента с n+-p-p+ структурой |
| JP2001189483A (ja) | 1999-10-18 | 2001-07-10 | Sharp Corp | バイパス機能付太陽電池セルおよびバイパス機能付き多接合積層型太陽電池セルおよびそれらの製造方法 |
| JP3764843B2 (ja) | 2000-06-06 | 2006-04-12 | シャープ株式会社 | 太陽電池セル |
| US6800876B2 (en) * | 2001-01-16 | 2004-10-05 | Cree, Inc. | Group III nitride LED with undoped cladding layer (5000.137) |
| JP2004193337A (ja) | 2002-12-11 | 2004-07-08 | Sharp Corp | 太陽電池の電極形成方法およびその方法により製造される太陽電池 |
| JP2004221149A (ja) * | 2003-01-10 | 2004-08-05 | Hitachi Ltd | 太陽電池の製造方法 |
| US6998288B1 (en) | 2003-10-03 | 2006-02-14 | Sunpower Corporation | Use of doped silicon dioxide in the fabrication of solar cells |
| RU2273969C1 (ru) | 2004-10-26 | 2006-04-10 | Броня Цой | Диэлектрический материал для изделий, работающих в свч-диапазоне |
| RU2284593C2 (ru) | 2004-10-26 | 2006-09-27 | Броня Цой | Электроизоляционный материал |
| CN1812068A (zh) * | 2005-01-27 | 2006-08-02 | 中国科学院半导体研究所 | 半导体芯片结深的电解水阳极氧化显结方法 |
| DE102005019225B4 (de) * | 2005-04-20 | 2009-12-31 | Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh | Heterokontaktsolarzelle mit invertierter Schichtstrukturgeometrie |
| JP4481869B2 (ja) * | 2005-04-26 | 2010-06-16 | 信越半導体株式会社 | 太陽電池の製造方法及び太陽電池並びに半導体装置の製造方法 |
| EP1953826A4 (de) * | 2005-11-07 | 2009-07-08 | Tsoy Bronya | Halbleiterbauelement |
| US7718888B2 (en) * | 2005-12-30 | 2010-05-18 | Sunpower Corporation | Solar cell having polymer heterojunction contacts |
| JP2008112840A (ja) * | 2006-10-30 | 2008-05-15 | Shin Etsu Chem Co Ltd | 単結晶シリコン太陽電池の製造方法及び単結晶シリコン太陽電池 |
| JP2010251667A (ja) * | 2009-04-20 | 2010-11-04 | Sanyo Electric Co Ltd | 太陽電池 |
-
2008
- 2008-05-20 EA EA201001707A patent/EA017920B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2008-05-20 US US12/993,359 patent/US20110248370A1/en not_active Abandoned
- 2008-05-20 KR KR1020107028663A patent/KR101111215B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2008-05-20 EP EP08874414.9A patent/EP2323170A4/en not_active Withdrawn
- 2008-05-20 WO PCT/RU2008/000314 patent/WO2009142529A1/ru active Application Filing
- 2008-05-20 CN CN200880130438.4A patent/CN102187469B/zh not_active Expired - Fee Related
-
2010
- 2010-12-17 ZA ZA2010/09081A patent/ZA201009081B/en unknown
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU288163A1 (ru) * | Д. С. Стребков , В. С. Косарев | Полупроводниковый фотоэлектрический генератор | ||
| US4089705A (en) * | 1976-07-28 | 1978-05-16 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Hexagon solar power panel |
| JPS6053531A (ja) * | 1983-09-05 | 1985-03-27 | Toray Ind Inc | 改質ポリエ−テルエステルブロツク共重合体 |
| RU2087053C1 (ru) * | 1993-06-04 | 1997-08-10 | Государственное научно-производственное предприятие "Квант" | Полупроводниковый фотопреобразователь и модуль солнечной батареи |
| RU2127009C1 (ru) * | 1996-03-28 | 1999-02-27 | Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя |
| RU2003121615A (ru) * | 2003-07-16 | 2005-01-10 | Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (RU) | Солнечный элемент |
| RU2005106097A (ru) * | 2005-03-05 | 2006-08-10 | Брон Цой (RU) | Пучковые опто- и фотоэлектронные элементы и приборы и способ их изготовления |
| RU2006120073A (ru) * | 2006-06-08 | 2007-12-27 | Брон Цой (RU) | Преобразователь |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU188356U1 (ru) * | 2019-01-10 | 2019-04-09 | Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ" | Тестовый элемент для контроля качества планаризации |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20110010646A (ko) | 2011-02-01 |
| CN102187469A (zh) | 2011-09-14 |
| EP2323170A1 (en) | 2011-05-18 |
| CN102187469B (zh) | 2015-03-25 |
| ZA201009081B (en) | 2012-02-29 |
| EP2323170A4 (en) | 2017-11-22 |
| EA201001707A1 (ru) | 2011-04-29 |
| WO2009142529A1 (ru) | 2009-11-26 |
| KR101111215B1 (ko) | 2012-03-13 |
| US20110248370A1 (en) | 2011-10-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EA017920B1 (ru) | Преобразователь электромагнитного излучения и батарея | |
| WO2009022945A1 (fr) | Convertisseur d'émission électromagnétique | |
| US10290755B1 (en) | High efficiency photovoltaic cells and manufacturing thereof | |
| US8507785B2 (en) | Photo induced enhanced field electron emission collector | |
| US20080072958A1 (en) | High efficiency photovoltaic cells with self concentrating effect | |
| RU2013107130A (ru) | Многопереходные фотогальванические элементы | |
| WO2012166993A1 (en) | Charge-coupled photovoltaic devices | |
| RU2355066C2 (ru) | Преобразователь электромагнитного излучения | |
| JP2011510486A (ja) | 波長選択的吸収層の堆積を含む多重接合光電子デバイス、製造方法、及び、集積回路、 | |
| TW201324812A (zh) | 太陽能電池組 | |
| Mykytyuk et al. | Limitations on thickness of absorber layer in CdS/CdTe solar cells | |
| Phisitkul | A Review of Electromagnetic Radiation Impacts on Heterojunction Intrinsic Thin Layer Solar Cells | |
| RU2529826C2 (ru) | Солнечный элемент с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности | |
| KR101685475B1 (ko) | 전자기 방사 변환기의 광-변환부(상이한 실시예들), 및 전자기 방사 변환기 | |
| CN104303318B (zh) | 具有带阻滤光器的光伏器件及其操作方法 | |
| RU84625U1 (ru) | Фотоэлектрический преобразователь | |
| Starkov et al. | Charge pumping in solar cell structure | |
| US20110297226A1 (en) | Photovoltaic cell and its transparent light conversion powder | |
| Okoye et al. | Criteria for Realizing the Multi–Crystal Silicon Solar Cell (PV Cell) With Efficiency, Which Could be used in Electricity Generation in Nigeria | |
| RU2601732C2 (ru) | Кремниевый двухсторонний солнечный элемент и способ его изготовления | |
| TWI443842B (zh) | 同軸太陽電池結構及其組成的供電裝置 | |
| TW201347206A (zh) | 層疊型太陽能電池結構 | |
| AU2012101765A4 (en) | M-PIN-SPVSC (Multiple PIN Composition Silicon Super PV Cells for Solar Concentrator) | |
| RU2444087C2 (ru) | Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь и способ его изготовления (варианты) | |
| Shuman | Silicon voltaics for direct and indirect radioactive decay energy conversion into electricity |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU |