RU215917U1

RU215917U1 - Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь

Info

Publication number: RU215917U1
Application number: RU2022127342U
Authority: RU
Inventors: Виктор Павлович Попов; Борис Михайлович Середин; Александр Николаевич Заиченко; Игорь Викторович Гаврус
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2023-01-10

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковой технологии и предназначена для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую. Важнейшей задачей при конструировании любых ФЭП является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Технический результат достигается за счёт того, что полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь содержит кремниевую пластину с вертикальными p-n-переходами и токосъёмные контакты, причем кремниевая пластина имеет n-тип проводимости, в объёме которой выполнена система соединённых между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов p-типа проводимости, на границах которых расположены p-n-переходы, ширина каналов и расстояние между ними находятся в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в соответствующих областях, n-области соединены n ⁺-слоем на тыльной стороне пластины, токосъёмные контакты к р-области и n ⁺-слою расположены также на тыльной стороне.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковой технологии и предназначена для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую.

Известен фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) З и С (Физика полупроводниковых приборов, Кн. 2., М.: Мир, 1984, стр. 400), который содержит полупроводниковую пластину с плоским, горизонтальным p-n-переходом, расположенным вблизи лицевой поверхности пластины. Свет падает на лицевую поверхность и генерирует в полупроводнике электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем p-n-перехода и выводятся с помощью контактов. Один из этих контактов находится на тыльной поверхности пластины, а другой - в виде гребенки на лицевой поверхности. Такие ФЭПы широко используются для преобразования солнечной энергии как на Земле, так и в космосе.

К недостаткам данного ФЭПа-аналога относятся:

наличие лицевого контакта, затеняющего часть (10-15%) лицевой поверхности;

сложность оптимизации толщины полупроводника, необходимой для полного поглощения активного света (энергия фотонов которого больше ширины запрещенной зона полупроводника) и диффузионной длины неосновных носителей тока, определяющей эффективность разделения носителей тока p-n-переходом. Указанные недостатки ограничивают эффективность преобразования солнечной энергии (~14%).

В качестве прототипа выбран ФЭП Frank R. I., Goodrich J. L., Kaplow R. A Low Series Resistance Silicon Photovoltaic Cell for High Intensity Applications, Conf. Rec. 14^th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., IEEE, N.Y., 1980, p. 1350, состоящий из полупроводниковой кремниевой пластины с вертикальными p-n-переходами, образованными на границах канавок, перпендикулярных поверхности пластины и проникающих в нее на глубину до 80% ее толщины, и токосъемных контактов на торцевой поверхности пластины.

Важное достоинство этого ФЭП - возможность оптимизации поглощения света и разделения носителей тока p-n-переходом. Это достигается независимым управлением глубины поглощения света (выбором толщины пластины) и заданием оптимального расстояния (не более двух диффузионных длин неосновных носителей тока) между вертикальными p-n-переходами вблизи канавок в полупроводниковой пластине.

К недостаткам этого прототипа ФЭП относятся снижение эффективности ФЭП из-за потери активной площади ФЭП, так как площадь, занятая канавками на пластине, не используется для преобразования световой энергии.

Важнейшей задачей при конструировании любых ФЭП является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

Технический результат достигается за счет того, что полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь содержит кремниевую пластину с вертикальными p-n-переходами и токосъемные контакты, причем кремниевая пластина имеет n-тип проводимости, в объеме которой выполнена система соединенных между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов p-типа проводимости, на границах которых расположены p-n-переходы, ширина каналов и расстояние между ними находятся в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в соответствующих областях, «-области соединены n ⁺-слоем на тыльной стороне пластины, токосъемные контакты к р-области и n ⁺-слою расположены также на тыльной стороне.

Повышение эффективности преобразования ФЭПом солнечной энергии в электрическую достигается наличием сквозных вертикальных p-n-переходов, наличием фотоактивности всего объема пластины и заданием определенных размеров ширины каналов p-типа и расстояний между ними.

Использование вертикальных сквозных p-n-переходов увеличивает разделение носителей тока по сравнению с p-n-переходами, проникающими только на часть толщины пластины, как в прототипе. Вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы p-типа проводимости фотоактивны, поэтому весь объем полупроводниковой пластины участвует в преобразовании световой энергии в электрическую. Максимальная эффективность разделения носителей тока, генерированных светом, вертикальными сквозными p-n-переходами достигается, когда ширина каналов р-типов проводимости и расстояние между ними не превышают двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в n- и p-областях. Однако, ширину каналов p-типа проводимости и расстояние между ними менее одной диффузионной длины неравновесных носителей тока n- и p-областях задавать нецелесообразно, из-за усложнения технологии изготовления ФЭП. Поэтому оптимальные расстояния между вертикальными p-n-переходами структуры (ширина каналов р-типов проводимости и расстояние между ними) должны находиться в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в р- и n-областях.

На фиг. 1 представлена схема ФЭП с лицевой стороны;

На фиг. 2 представлена схема поперечного сечения ФЭП по А-А,

где 1 - кремниевая пластина n-типа проводимости;

2 - вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы р-типа проводимости шириной d ₁ и расстояния между ними d ₂;

3 - n ⁺-слой;

4 - токосъемный контакт к n ⁺-слою 3;

5 - токосъемный контакт к эпитаксиальным каналам р-типа проводимости 2;

6 - сквозные вертикальные p-n-переходы.

Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь содержит кремниевую пластину n-типа проводимости 1 и систему соединенных между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости 2. Ширина d ₁ каналов 2 и расстояние между ними d ₂ находятся в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в соответствующих областях. На поперечном сечении ФЭП представлен n ⁺-слой 3, соединяющих «-области между каналами р-типа 2, токосъемный контакт 4 к n ⁺-слою 3, токосъемный контакт 5 к эпитаксиальным каналам р-типа проводимости 2 и сквозные вертикальные p-n-переходы 6.

Возможность осуществления полезной модели показана на следующем примере.

На поверхности кремниевой пластины n-типа проводимости 1 с помощью фотолитографии создают заданную конфигурацию слоя металла-растворителя алюминия в виде системы связанных между собой концентрических кольцевых или прямолинейных зон. Конфигурация зон может быть и иной. Затем, при нагревании, кремниевой пластины 1 с зонами в вакууме или защитном газе образуется система жидких включений раствора-расплава заданной конфигурации, которая под действием градиента температуры мигрирует перпендикулярно поверхности кремниевой пластины 1 вплоть до выхода на ее тыльную поверхность, где остатки зон удаляются. В результате локальной перекристаллизации кремниевой пластины 1 образуются кристаллически совершенные вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы р-типа проводимости 2 заданной конфигурации. Неперекристаллизованные термомиграцией области исходной кремниевой пластины n-типа проводимости 1, находящиеся между вертикальными сквозными эпитаксиальными каналами р--типа проводимости 2, объединяются между собой сплошным n ⁺-слоем 3 на тыльной поверхности пластины. Такой n ⁺-слой 3 формируется после процесса термомиграции стандартной диффузией.

Токосъемные контакты 4 и 5 к ФЭПу осуществляют на тыльной поверхности пластины: один к n⁺-слою 3 - «минус», а другой к эпитаксиальным каналам р-типа проводимости 2 - «плюс».

Для примера, рассмотрим предлагаемый ФЭП на основе пластины кремния марки КСЭ n-типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см, в которой с помощью заданной конфигурации зон на основе алюминия формируют систему соединенных между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,04-0,05 Ом⋅см. Диффузионная длина дырок в исходной кремниевой пластине n-типа проводимости ~ 250 мкм, а в каналах р-типа проводимости - диффузионная длина электронов ~ 20 мкм.

Для обеспечения почти полного (95%) поглощения активного света с энергией фотонов больших 1,12 эВ толщина пластины кремния должна быть 0,5 мм. Исходную толщину пластины кремния n-типа проводимости надо выбрать большей (~ 0,6 мм), так как после процесса термомиграции требуется механическая и химическая обработка пластины с обеих сторон, приводящая к утонению пластины.

Предложенный полупроводниковый фотоэлектрический

преобразователь работает следующим образом.

Падающий на лицевую поверхность ФЭПа свет поглощается и генерирует электронно-дырочные пары как в «-областях пластины 1, так и в p-областях 2. Неравновесные носители тока эффективно разделяются электрическим полем вертикальных p-n-переходов при условии, что ширина вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости 2 - d ₁ не превышает 40 мкм, а расстояние между ними, т.е. ширина областей n-типа проводимости - d₂, не превышает 500 мкм. Вертикальные сквозные эпитаксиальные каналы р-типа проводимости 2 состоят из кольцевых каналов и соединяющих их прямолинейных участков. Количество прямолинейных участков определяется исходя из равномерного распределения фототока в объеме ФЭПа.

Таким образом, ФЭП обеспечивает эффективное разделение носителей тока вертикальными сквозными p-n-переходами, причем все p- и n-области ФЭПа являются фотоактивными, а токосъем происходит с контактов 4 и 5 на тыльной стороне ФЭПа, не затеняющих лицевую сторону. В итоге, кремниевый фотоэлектрический преобразователь позволяет достигнуть эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую не менее 20%.

Claims

Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь, содержащий кремниевую пластину с вертикальными p-n-переходами и токосъёмные контакты, отличающийся тем, что кремниевая пластина имеет n-тип проводимости, в объёме которой выполнена система соединённых между собой вертикальных сквозных эпитаксиальных каналов p-типа проводимости, на границах которых расположены p-n-переходы, ширина каналов и расстояние между ними находятся в диапазоне от одной до двух диффузионных длин неравновесных носителей тока в соответствующих областях, n-области соединены n ⁺ -слоем на тыльной стороне пластины, токосъёмные контакты к p-области и n ⁺ -слою расположены также на тыльной стороне.