RU2357325C1 - Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления - Google Patents

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления Download PDF

Info

Publication number
RU2357325C1
RU2357325C1 RU2007139805/28A RU2007139805A RU2357325C1 RU 2357325 C1 RU2357325 C1 RU 2357325C1 RU 2007139805/28 A RU2007139805/28 A RU 2007139805/28A RU 2007139805 A RU2007139805 A RU 2007139805A RU 2357325 C1 RU2357325 C1 RU 2357325C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
semiconductor
generator
structures
diode
Prior art date
Application number
RU2007139805/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Юрий Дмитриевич Арбузов (RU)
Юрий Дмитриевич Арбузов
Владимир Михайлович Евдокимов (RU)
Владимир Михайлович Евдокимов
Дмитрий Семенович Стребков (RU)
Дмитрий Семенович Стребков
Ольга Вячеславовна Шеповалова (RU)
Ольга Вячеславовна Шеповалова
Original Assignee
Российская академия Сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская академия Сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) filed Critical Российская академия Сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)
Priority to RU2007139805/28A priority Critical patent/RU2357325C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2357325C1 publication Critical patent/RU2357325C1/ru

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор содержит подложку, полупроводниковые слои, просветляющее покрытие, металлические контакты. При этом согласно изобретению на лицевой стороне генератора расположено множество осажденных слоев, образующих диодные планарные n+-р-р+ или р+-n-n+, или n-р структуры, соединенные последовательно по направлению распространения излучения. Один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышает диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области. Толщина диодной структуры в направлении распространения излучения обратно пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале. Также предложен способ изготовления фотоэлектрического генератора описанной выше конструкции. Изобретение обеспечивает увеличение выходного напряжения и повышение эффективности преобразования концентрированного излучения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам.
Известен фотоэлектрический генератор (патент РФ №2265915, 2005, МПК H01L 31/18), в котором на полупроводниковой подложке расположены эпитаксиальные слои n и р-типа, а запирающий эффект обратносмещенных переходов устранен путем импульсного пробоя.
Недостатком указанного преобразователя является недостаточно высокий КПД при однократной интенсивности освещения, невозможность их использования в стандартной технологии фотоэлектрических модулей на основе планарных фотогенераторов.
В качестве прототипа принята конструкция фотоэлектрического генератора (Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. - М.: Советское радио, 1971), содержащего подложку, полупроводниковые слои р-типа и n-типа, просветляющее покрытие, металлические контакты.
Недостатком указанного преобразователя является низкое напряжение, низкая эффективность преобразования концентрированного излучения.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходного напряжения и повышение эффективности преобразования концентрированного излучения.
Вышеуказанный результат достигается тем, что полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий подложку, полупроводниковые слои р-типа и n-типа, просветляющее покрытие, металлические контакты, состоит из расположенного на лицевой стороне генератора множества осажденных слоев, образующих диодные планарные n+-р-р+ или р+-n-n+, или n-р структуры, соединенные последовательно по направлению распространения излучения, один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области, а толщина диодной структуры в направлении распространения излучения обратно пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале.
Дополнительное увеличение эффективности преобразования достигается тем, что просветляющее покрытие расположено также и на торцах, а рабочая поверхность, на которую поступает дополнительное излучение, расположена, по крайней мере, еще на одной поверхности генератора.
В способе изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора, включающем создание структуры с n-р переходом на полупроводниковой подложке, металлизацию, нанесение просветляющего покрытия, путем последовательного осаждения на лицевой стороне генератора создают множество полупроводниковых слоев толщиной 10 нм-10 мкм, образующих диодные планарные n+-р-р+ или р+-n-n+, или n-р структуры, при этом один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области, а толщины диодных структур в направлении распространения излучения обратно пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале, на полученную многослойную планарную матрицу подают импульсное напряжения, пробивают обратносмещенные переходы, образуя последовательное соединенные структуры по направлению распространения излучения.
Для повышения эффективности преобразования полупроводникового фотоэлектрического генератора просветляющее покрытие дополнительно наносится также и на торцевые поверхности, а множество слоев создают путем проведения последовательной эпитаксии.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлена общая схема конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора на основе множества осажденных слоев для варианта структур с n-р переходами.
На фиг.2 показана кривая распределения потока фотонов по толщине полупроводникового фотоэлектрического генератора и соответствующая ей схема фотогенератора для варианта n-р-р+ структур.
На фиг.1 фотоэлектрический генератор состоит из множества эпитаксиальных слоев р-типа 1 и n-типа 2, расположенных на полупроводниковой подложке 3 и образующих диодные планарные структуры 4; пробитых обратносмещенных р-n переходов 5; тыльного металлического контакта 6; просветляющего покрытия 7; лицевого металлического контакта 8; падающего на фотоэлектрический генератор электромагнитного излучения 9.
Диодные планарные структуры 4 соединены последовательно по направлению распространения излучения и являются n-р структурами. Один или два линейных размера каждой структуры 4 не превышают диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области - слое n-типа 2, а толщины структур 4 в направлении распространения излучения обратно пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале. Полупроводниковая подложка 3 выполнена из монокристаллического кремния n-типа. Толщины слоев 1, 2 составляют 10 нм - 10 мкм, количество структур 4 2-100. Металлический контакт 6 размещен на тыльной стороне подложки 3 и представляет собой сплошной металлический слой, металлический контакт 8 размещен на рабочей поверхности и выполнен в виде гребенки.
На фиг.2 показаны: слои р-типа 1; слои n-типа 2; диодные планарные структуры 4; пробитые обратносмещенные р-n переходы 5; падающее на фотоэлектрический генератор электромагнитное излучение 9; слои р+-типа 10.
Слои р-типа 1 являются базовыми слоями для приведенного на фиг. 2 варианта n-р-р+ структур; d, d, d - толщина базовой области 1 1-й, 2-й и i-й диодной структуры 4 соответственно; х - координата толщины базовой области 1 диодных структур 4 фотогенератора; ΔФ1, ΔФ2, ΔФi - количество поглощенных фотонов в базовой области 1 1-й, 2-й и i-й диодной структуры 4 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
Через просветляющее покрытие 7 электромагнитное излучение 9 поступает на соединенные последовательно с пробитыми обратносмещенными переходами 5 структуры 4, перпендикулярно или под некоторым углом к плоскости р-n перехода. Происходит поглощение фотонов в структурах 4, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Толщина осажденных эпитаксиальных слоев 1, 2 (фиг. 1) или 1, 2, 10 (фиг. 2) обеспечивает прозрачность и прохождение излучения 9, которое поступает на все структуры 4. Электронно-дырочные пары разделяются полем, что вызывает фототок, направленный в структурах 4 к базовым областям и во внешней цепи фототок, направленный к подложке 3, с суммарным напряжением структур. Т.о. конструкция полупроводникового фотоэлектрического генератора с последовательно соединенными структурами позволяет увеличивать напряжение, при этом эпитаксиальные слои обладают идентичностью кристаллической структуры, т.е. обеспечивается высокая однородность характеристик структур.
Электронное излучение 9, проходя через фотоэлектрический генератор, поглощается. При этом поток фотонов с частотой ω уменьшается, причем при прохождении бесконечно тонкого слоя толщиной dx уменьшение потока происходит пропорционально величине потока и толщине слоя:
Figure 00000001
где Ф - поток фотонов, α - коэффициент поглощения.
Проинтегрировав (1), получаем, что вглубь фотоэлектрического генератора поток фотонов убывает по экспоненциальному закону
Figure 00000002
,
где Ф0 - поток фотонов на поверхности (при х=0).
Представленное на фиг.2 условное распределение потока фотонов Ф(х) по толщине фотоэлектрического генератора служит иллюстрацией принципа нахождения оптимальных значений толщин базовых областей диодных планарных структур 4.
Применение эпитаксии позволяет достичь высокой степени идентичности, что дает возможность изготавливать фотоэлектрические генераторы по прецизионной компьютерной технологии. А также обеспечить технологичность, высокую эффективность процесса изготовления и снизить количество солнечного кремния на 1 Вт выходной мощности генератора.
Применение после создания структуры пробоя стабилизирует рабочее состояние фотогенератора, оптимизируя структурный состав и устраняя точечные дефекты.
Предложенный фотоэлектрический генератор является планарно-высоковольтным, позволяет объединить достоинства обеих конструкций, обеспечить более эффективное преобразование электромагнитного излучения, увеличить напряжение. Изготавливать по планарной, наиболее отработанной технологии высоковольтные фотоэлектрические генераторы, планарные фотоэлектрические генераторы, преобразующие концентрированное излучение.
Пример конкретного выполнения.
Фотоэлектрический генератор представляет собой множество эпитаксиальных слоев толщиной 10 нм - 10 мкм, образующих планарные структуры с n+-р-р+ переходами, на полупроводниковой подложке из кремния n-типа марки КДБ 0,5(0.1) с пробитыми обратносмещенными р+-n переходами, с отражающим покрытием в виде нитрида кремния типа SixNy или Та2O5, причем последний эффективно использовать, т.к. Та2O5 имеет высокое пропускание в УФ-диапазоне, с металлическими контактами из слоев никеля-меди-олова.
Пример изготовления фотогенератора.
На подложке из кремния n-типа марки КДБ 0,5(0.1) йонно-молекулярной эпитаксией создают многослойную эпитаксиальную n-р-n-…-р структуру из 2-100 структур с n-р переходами, проводя поочередно легирование бором и фосфором, при этом толщина слоев 10 нм ÷ 10 мкм.
Металлизацию осуществляют напылением в вакууме или химическим осаждением металла. Полученные заготовки шлифуют и протравливают в растворе состава HF:HNO3=1:2 при комнатной температуре в течение 10-20 секунд для снятия шунтов, тщательно промывают, сушат.
Далее на матрицы заготовки подают импульсное напряжение величиной 0,5-1,2 В на один р-n переход при емкости 1,5·10-2-10·10-2Ф и пробивают обратносмещенные переходы, создавая последовательное соединение планарных структур.
Затем на рабочей поверхности формируют просветляющее покрытие: например, покрывают при нагревании пленкой нитрида кремния типа SixNy осаждением из парогазовой фазы, содержащей моносилан и азот. Облуживают припоем ПОС-60, присоединяют токоотводы.
В результате получается конструкция фотоэлектрического генератора, представленная на фиг.1.

Claims (5)

1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, содержащий подложку, полупроводниковые слои р-типа и n-типа, просветляющее покрытие, металлические контакты, отличающийся тем, что на лицевой стороне генератора расположено множество осажденных слоев, образующих диодные планарные n+-р-р+, или р+-n-n+, или n-р структуры, соединенные последовательно по направлению распространения излучения, один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышает диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области, а толщина диодной структуры в направлении распространения излучения обратно пропорциональна максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале.
2. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что просветляющее покрытие расположено также и на торцах, а рабочая поверхность, на которую поступает дополнительное излучение, расположена, по крайней мере, еще на одной поверхности генератора.
3. Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического генератора путем создания осаждением структуры с n-р переходом на полупроводниковой подложке, металлизации, нанесения просветляющего покрытия, отличающийся тем, что путем последовательного осаждения на лицевой стороне генератора создают множество полупроводниковых слоев толщиной 10 нм - 10 мкм, образующих диодные планарные n+-р-р+, или р+-n-n+, или n-р структуры, при этом один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышают диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области, а толщины диодных структур в направлении распространения излучения обратно пропорциональны максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале, на полученную многослойную планарную матрицу подают импульсное напряжение, пробивают обратносмещенные переходы, образуя последовательно соединенные структуры по направлению распространения излучения.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что просветляющее покрытие наносится также и на торцевые поверхности.
5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что множество слоев создают путем проведения последовательной эпитаксии.
RU2007139805/28A 2007-10-29 2007-10-29 Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления RU2357325C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007139805/28A RU2357325C1 (ru) 2007-10-29 2007-10-29 Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007139805/28A RU2357325C1 (ru) 2007-10-29 2007-10-29 Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2357325C1 true RU2357325C1 (ru) 2009-05-27

Family

ID=41023615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007139805/28A RU2357325C1 (ru) 2007-10-29 2007-10-29 Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2357325C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487438C1 (ru) * 2011-11-10 2013-07-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе
RU2494496C2 (ru) * 2011-12-28 2013-09-27 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)
RU2571167C2 (ru) * 2010-12-06 2015-12-20 Син-Эцу Кемикал Ко., Лтд. Солнечный элемент и модуль солнечного элемента

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2571167C2 (ru) * 2010-12-06 2015-12-20 Син-Эцу Кемикал Ко., Лтд. Солнечный элемент и модуль солнечного элемента
RU2487438C1 (ru) * 2011-11-10 2013-07-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе
RU2494496C2 (ru) * 2011-12-28 2013-09-27 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2007248865B2 (en) Solar cell having doped semiconductor heterojunction contacts
Cruz-Campa et al. Microsystems enabled photovoltaics: 14.9% efficient 14 μm thick crystalline silicon solar cell
US8664015B2 (en) Method of manufacturing photoelectric device
EP2413374B1 (en) Method for roughening substrate surface and method for manufacturing photovoltaic device
US20070151599A1 (en) Solar cell having polymer heterojunction contacts
RU2374720C1 (ru) Фотоэлектрический преобразователь (варианты) и способ его изготовления
JP2016122749A (ja) 太陽電池素子および太陽電池モジュール
Saha et al. Influence of surface texturization on the light trapping and spectral response of silicon solar cells
RU2357325C1 (ru) Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления
RU2336596C1 (ru) Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)
JP2023163098A (ja) 太陽電池およびその製造方法、光起電力モジュール
KR101038967B1 (ko) 태양 전지 및 그 제조 방법
KR101284271B1 (ko) 태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 태양전지
RU2373607C1 (ru) Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления
RU2331139C1 (ru) Фотоэлектрический преобразователь и способ его изготовления (варианты)
TWI699901B (zh) 高光電變換效率太陽電池及高光電變換效率太陽電池之製造方法
RU2371811C1 (ru) Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты) и способ его изготовления (варианты)
CN201904351U (zh) 具高光电转换效率的太阳能电池结构
Martín et al. c-Si solar cells based on laser-processed dielectric films
KR101072357B1 (ko) 공중 가설된 전극 구조를 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법
CN101971355A (zh) 光陷获光伏装置
RU2494496C2 (ru) Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)
Nakamura et al. Performance improvement of front junction n-type PERT solar cell by wafer thinning
KR20120111638A (ko) 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법
KR101685475B1 (ko) 전자기 방사 변환기의 광-변환부(상이한 실시예들), 및 전자기 방사 변환기

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20101030