RU101866U1 - Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси - Google Patents
Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси Download PDFInfo
- Publication number
- RU101866U1 RU101866U1 RU2010135047/28U RU2010135047U RU101866U1 RU 101866 U1 RU101866 U1 RU 101866U1 RU 2010135047/28 U RU2010135047/28 U RU 2010135047/28U RU 2010135047 U RU2010135047 U RU 2010135047U RU 101866 U1 RU101866 U1 RU 101866U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- converter according
- junction
- dopant
- layer
- back surface
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
1. Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси, содержащий p-n переход, глубиной 250-1000 нм, с легирующей примесью в n-слое или p-слое 5·1019 см-3 соответственно; металлические наночастицы размером порядка 100 нм из металлов на лицевой поверхности между микроконтактами; и изолирующий слой между наночастицами, а поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие, при этом конфигурация и площадь изотипного p-p+(n-n+) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n+-p(p+-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности. ! 2. Преобразователь по п.1, в котором расстояние между отдельными участками с p-p+( n-n+) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области и на тыльной поверхности. ! 3. Преобразователь по п.1, в котором упомянутый p-n переход имеет градиентную структуру. ! 4. Преобразователь по п.1, в котором упомянутые металлы представляют собой золото или серебро. ! 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что легирующая примесь в объеме кремния n-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации p-типа в приповерхностной светоприемной области. ! 6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что легирующая примесь в объеме кремния p-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации n-типа в приповерхностной светоприемной области.
Description
Полезная модель относится к области конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФП) солнечного излучения в электрический ток и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов.
Известен ФП электромагнитного излучения (Стребков Д.С. Шеповалова О.В. Заддэ В.В. «Полупроводниковый фотоэлектрический генератор», патент РФ №2336596 от 11.04.2007, [1]) на основе кремния, имеющий p-n-переход глубиной 250-1000 нм, созданный у поверхности (например, с помощью диффузии), лицевой омический полосковый электрод, тыльный омический полосковый электрод, просветляющее покрытие на лицевой поверхности. Недостатком данного ФП является сравнительно большая концентрация, например, 5×1019 см-3, легирующей примеси в n-слое или в p-слое, что является причиной большой поверхностной и объемной рекомбинаций в области p-n-перехода и на лицевой стороне и высоких значений барьера Шоттки, как следствие, низкого КПД данного ФП.
Известен фотопреобразователь электромагнитного излучения, содержащий по крайней мере один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, который дополнительно содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрирование падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения (Займидорога О.А., Проценко И.Е., Рудой В.М., "Преобразователь электромагнитного излучения", патент РФ №2331141 от 22.02.2007, [2]). Данный патент принят в качестве прототипа. Недостатком этого ФП является наличие на всей рабочей поверхности элемента сильно легированного фоточувствительного слоя, приповерхностная часть которого имеет низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает КПД данного ФП вследствие высокой скорости рекомбинации носителей на лицевой поверхности и в объеме кремния. Помимо этого сильное легирование способствует увеличению барьера Шоттки, что также приводит к снижению кпд ФП.
Задачей предполагаемой полезной модели является разработка метода изготовления солнечных фотопреобразователей с применением наноразмерных приемников света несферического типа и обоснование путей развития кремниевых элементов с градиентной структурой p-n перехода.
Технический результат достигается тем, что в фотопреобразователе создается градиент зарядовой плотности в p-слое или в n-слое таким образом, что зарядовая плотность в p- и в n-слое отличается в сотни раз, что приводит к увеличению подвижности электронов благодаря увеличению потенциала на переходе и к уменьшению их рекомбинации в объеме элемента, а также к увеличению напряженности на p-n-переходе. Кроме того меньшая зарядовая плотность у границы элемента создает меньшую магнитуду барьера Шоттки. Дополнительное увеличение кпд достигается тем, что конфигурация и площадь изотипного p-p+(n-n+) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n+-p(p+-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности, при этом расстояние между отдельными участками с p-р+(n-n+) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области и на тыльной поверхности.
Сравнение предлагаемого фотоэлемента с разработанными до сих пор системами имеет следующие преимущества и особенности:
- градиентная структура p-n-перехода позволяет найти решение уравнений Максвелла, которые позволяют находить спектры плазмонных возбуждений, дифференциальные сечения поглощения и рассеяния, коэффициенты прохождения и отражения, коэффициент преломления среды, что позволит моделировать работу фотоэлемента и осуществлять оптимизацию устройства,
- позволяет получить повышенное напряжение на зажимах холостого хода благодаря градиентной структуре p-n-перехода вследствие уменьшения объемной рекомбинации электронов,
- позволяет снизить величину барьера металл-полупроводник, что ведет к уменьшению рекомбинации электронов на светоприемной поверхности и к увеличению кпд фотоэлемента. Для осуществления намеченной цели будут применены специальные методы. Во-первых, химические процедуры создания градиентной структуры, отличающиеся высокой точностью создания заданной плотности распределения зарядов. Во-вторых, применены методы нанохимии для создания наноразмерной архитектуры приемников излучения несферического типа, располагающихся на светоприемной поверхности и представляющие собой слой композитных наночастиц серебра (золота) со слоем полиольного полимера размером порядка 50 нм-70 нм.
Пример реализации
Для изготовления фотопреобразователя из пластин использовался кремний марки КДБ-7,5-p-типа и КЭФ-4,5-n-типа, включающем химическое травление поверхности.
Далее проводили одновременную диффузию на пластину кремния p- или n-типа одновременную диффузию с одной стороны фосфора, а с другой бора. При этом в качестве фосфора и бора используют растворы ортофосфорной и борной кислот с добавкой тетраэтоксисилана; диффузию осуществляют при 1000 градусов в течение 20 минут в атмосфере азота, необходимого для создания заданной концентрации. Упомянутые растворы ортофосфорной и борной кислот наносятся методом центрифугирования, создавая пленки фосфорносиликатного и боросикатного стекла толщиной 0,3 мкм.
После диффузии силикатные пленки удаляются плавиковой кислотой и осуществляется напыление в вакууме на обе стороны магнетронным напылением алюминия толщиной 0,6-0,9 мкм.
Далее с двух сторон центрифугированием наносили пленку фоторезиста и через шаблон контактного рисунка экспонировали лицевую сторону под ультрафиолетовой лампой. После проявления получали окна в фоторезисте, в окнах химическим травлением удаляли алюминиевый контакт.
На финише алмазным диском разрезали диск на образцы необходимого размера. Группа образцов проходит дополнительное плазмохимическое травление поверхности кремния в окнах в среде эльгаза (шестифтористой серы) в течение 2,5; 3; 3,5 и 4 минут. При этом алюминий не участвует в реакции, а легированный слой над p-n переходом уменьшает свою толщину и величину поверхностной концентрации примеси фосфора и бора. Для упомянутых 2,5; 3; 3,5 и 4 минут глубина будет 0,7; 0,5; 0,3; 0,1 мкм при концентрации на поверхности 8*1019; 2*1019; 5*1018; 1*1018 /см3, соответственно.
Экспериментальные методы создания градиентной структуры p-n-перехода, отличающихся в сотни раз по плотности зарядов как в p-слое, так и в n-слое, должны быть тщательно отработаны. Задача химической процедуры состоит в том, что необходимо разработать точный способ создания заданной плотности зарядов. Для определения характеристик градиентного перехода необходимо иметь данные измерений профилей распределения зарядов каждого типа как для n-типа, так и для p-типа.
На основе электрофизических измерений фотоэлементов будет сформирована база данных для проведения моделирования процесса создания и предсказания параметров устройства оптимального типа. На конечной стадии на светоприемной стороне создается гетерогенная структура с несферическими наночастицами полиольного серебра (золота) и пассивирована антиотражаемым покрытием.
В результате получается конструкция ФП, представленная на фиг.1, где на лицевой стороне контакты и участки с p-n-переходом занимают менее 10% площади поверхности лицевой стороны. Граница p-n-перехода заканчивается под пассивирующей пленкой, что обеспечивает низкий ток утечки ФП. Большая часть лицевой стороны (90%) свободна от легированных слоев и имеет низкую скорость поверхностной рекомбинации. Высокий кпд и большой фототок обеспечивается низкой скоростью поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда из областей в промежутке между окнами, поскольку большинство носителей успевает дойти до p-п-перехода, имеющем толщину, не превышающей диффузионную длину неосновных носителей заряда. Исходный Si с временем жизни неосновных носителей тока, в n-типе время >20 мксек, а в p-типе - 10 мксек. Базовая область имеет концентрацию 1015 /см3, соответственно в n- и в p-переходе. Форма контактной сетки такова: ширина тонких линий 40 мкм и расстояние между ними 450 мкм. Две полоски по 1 мм шириной и электрически связаны. Глубина p-n перехода между контактами 300 нм и концентрация легирования была для n-типа 8*1019 /см3, для p-типа 10*1019 /см3. Под полосками 1 мм концентрация n+ составляла 3*1020 /см3, для p-типа также 3*1020 /см3. Базовая поверхность имела сплошной электрод из алюминия.
Таким образом фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси содержит p-n переход, глубиной 250-1000 нм, с легирующей примесью в n-слое или в p-слое 5×1019 см-3, соответственно; металлические наночастицы размером порядка 100 нм из металлов (золото или серебро) на лицевой поверхности между микроконтактами; и изолирующий слой между наночастицами, а поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие, при этом конфигурация и площадь изотипного p-p+(n-n+) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n+-p(p+-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности.
В частности, расстояние между отдельными участками с p-p+(п-п+) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области и на тыльной поверхности, а упомянутый p-n переход имеет градиентную структуру.
При этом легирующая примесь в объеме кремния n-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации p-типа в приповерхностной светоприемной области, а легирующая примесь в объеме кремния p-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации n-типа в приповерхностной светоприемной области.
Солнечные фотопреобразователи с градиентной структурой p-n-перехода имеют ряд замечательных особенностей: возможность создавать повышенный потенциал на p-n переходе за счет градиента плотности зарядов и, тем самым, может привести к прямому увеличению кпд фотоэлемента, а возможность снижения величины барьера Шоттки ведет к уменьшению поверхностной рекомбинации электронов и к повышению кпд фотоэлемента и к возможному расширению спектрального диапазона регистрации. Кроме того применение наноразмерных приемников света позволяет снизить отражение светового сигнала от поверхности.
Claims (6)
1. Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси, содержащий p-n переход, глубиной 250-1000 нм, с легирующей примесью в n-слое или p-слое 5·1019 см-3 соответственно; металлические наночастицы размером порядка 100 нм из металлов на лицевой поверхности между микроконтактами; и изолирующий слой между наночастицами, а поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие, при этом конфигурация и площадь изотипного p-p+(n-n+) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n+-p(p+-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности.
2. Преобразователь по п.1, в котором расстояние между отдельными участками с p-p+( n-n+) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области и на тыльной поверхности.
3. Преобразователь по п.1, в котором упомянутый p-n переход имеет градиентную структуру.
4. Преобразователь по п.1, в котором упомянутые металлы представляют собой золото или серебро.
5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что легирующая примесь в объеме кремния n-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации p-типа в приповерхностной светоприемной области.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010135047/28U RU101866U1 (ru) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010135047/28U RU101866U1 (ru) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU101866U1 true RU101866U1 (ru) | 2011-01-27 |
Family
ID=46308884
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010135047/28U RU101866U1 (ru) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU101866U1 (ru) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013043234A1 (en) * | 2011-09-23 | 2013-03-28 | Rockwell Collins, Inc. | Nano-structure arrays for emr imaging |
US8492727B1 (en) | 2011-09-23 | 2013-07-23 | Rockwell Collins, Inc. | Nano-structure arrays for EMR imaging |
US8772729B1 (en) | 2011-09-23 | 2014-07-08 | Rockwell Collins, Inc. | APDs using nano-plasmonic metamaterials |
US8829452B1 (en) | 2011-09-23 | 2014-09-09 | Rockwell Collins, Inc. | VIS-NIR plasmonic APD detectors |
US9117722B1 (en) | 2011-09-23 | 2015-08-25 | Rockwell Collins, Inc. | Image sensor integrated circuit |
US9470521B1 (en) | 2013-05-23 | 2016-10-18 | Rockwell Collins, Inc. | Passive range-discrimination in thermal and other imaging systems |
US10701287B1 (en) | 2013-05-23 | 2020-06-30 | Rockwell Collins, Inc. | Passive clear air turbulence detection system and method |
-
2010
- 2010-08-24 RU RU2010135047/28U patent/RU101866U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013043234A1 (en) * | 2011-09-23 | 2013-03-28 | Rockwell Collins, Inc. | Nano-structure arrays for emr imaging |
US8492727B1 (en) | 2011-09-23 | 2013-07-23 | Rockwell Collins, Inc. | Nano-structure arrays for EMR imaging |
US8772729B1 (en) | 2011-09-23 | 2014-07-08 | Rockwell Collins, Inc. | APDs using nano-plasmonic metamaterials |
US8829452B1 (en) | 2011-09-23 | 2014-09-09 | Rockwell Collins, Inc. | VIS-NIR plasmonic APD detectors |
US8969850B2 (en) | 2011-09-23 | 2015-03-03 | Rockwell Collins, Inc. | Nano-structure arrays for EMR imaging |
US9117722B1 (en) | 2011-09-23 | 2015-08-25 | Rockwell Collins, Inc. | Image sensor integrated circuit |
US9502462B1 (en) | 2011-09-23 | 2016-11-22 | Rockwell Collins, Inc. | Image sensor integrated circuit |
US9470521B1 (en) | 2013-05-23 | 2016-10-18 | Rockwell Collins, Inc. | Passive range-discrimination in thermal and other imaging systems |
US10701287B1 (en) | 2013-05-23 | 2020-06-30 | Rockwell Collins, Inc. | Passive clear air turbulence detection system and method |
US11050954B1 (en) | 2013-05-23 | 2021-06-29 | Rockwell Collins, Inc. | Passive clear air turbulence detection system and method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU101866U1 (ru) | Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси | |
KR101052030B1 (ko) | 전자기 방사 컨버터 | |
US20110248370A1 (en) | Electromagnetic radiation converter with a battery | |
Salem et al. | Physically based analytical model of heavily doped silicon wafers based proposed solar cell microstructure | |
Kulakci et al. | Application of Si nanowires fabricated by metal-assisted etching to crystalline Si solar cells | |
CN107256893A (zh) | 太阳能电池 | |
Cho et al. | Wafer-scale nanoconical frustum array crystalline silicon solar cells: promising candidates for ultrathin device applications | |
Granek | High-efficiency back-contact back-junction silicon solar cells | |
Singh et al. | Radial junction silicon solar cells with micro-pillar array and planar electrode interface for improved photon management and carrier extraction | |
CN105185845A (zh) | 一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法 | |
Tachibana et al. | Bifacial interdigitated-back-contact (IBC) crystalline silicon solar cell: fabrication and evaluation by internal quantum efficiency mapping | |
RU2432640C1 (ru) | Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси и способ его изготовления | |
EP2541615B1 (en) | Solar cell | |
Messenger et al. | Structural changes in InP/Si solar cells following irradiation with protons to very high fluences | |
Seiffe | Plasma-based surface modification technologies for crystalline silicon photovoltaics | |
Simashkevich et al. | Efficient ITO-n Si solar cells with a textured silicon surface | |
Mohr | Silicon concentrator cells in a two-stage photovoltaic system with a concentration factor of 300x | |
Toor et al. | Metal-assisted chemical etching–based nanostructured silicon solar cells | |
Zulhafizhazuan et al. | Performance analysis of simplified silicon solar cell on p-type crystalline silicon wafer | |
Krygowski et al. | A simultaneously diffused, textured, in situ oxide AR-coated solar cell process (STAR process) for high-efficiency silicon solar cells | |
Aziz | Simulation, fabrication and characterization of multilyer coated solar cells | |
Reichel et al. | Short-circuit current losses in back-contacted back–junction Si solar cells: Experiment and simulation of the charge collection probability | |
da Conceição Osório et al. | Influence of the order of boron and phosphorus diffusion on the fabrication of thin bifacial silicon solar cells | |
Rasool | Improvements in P/Al High Efficiency Technology, AlSi | |
Saravanan et al. | Studies on the influence of effective carrier lifetime in the performance of industrial silicon solar cells |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20120825 |
|
NF1K | Reinstatement of utility model |
Effective date: 20130827 |
|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20160825 |