RU2377695C1 - Semiconductor photoconverter and method of making said converter - Google Patents
Semiconductor photoconverter and method of making said converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2377695C1 RU2377695C1 RU2008131147/28A RU2008131147A RU2377695C1 RU 2377695 C1 RU2377695 C1 RU 2377695C1 RU 2008131147/28 A RU2008131147/28 A RU 2008131147/28A RU 2008131147 A RU2008131147 A RU 2008131147A RU 2377695 C1 RU2377695 C1 RU 2377695C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- region
- receiving surface
- inversion layer
- photoconverter
- light
- Prior art date
Links
Images
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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к фотоэлектрическим преобразователям для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию с помощью солнечных батарей.The present invention relates to semiconductor technology, namely to photovoltaic converters for direct conversion of solar energy into electrical energy using solar cells.
Область применения - возобновляемые источники энергии.Scope - renewable energy sources.
Известны фотоэлектрические преобразователи (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии планарной конструкции с р-n-переходами, расположенными вдоль светоприемной (фоточувствительной) поверхности, т.е. перпендикулярно к потоку светового излучения.Photoelectric converters (FPs) are known for direct conversion of solar energy of a planar structure with pn junctions located along a light receiving (photosensitive) surface, i.e. perpendicular to the flux of light radiation.
Такого типа ФП, в частности, предназначенные для преобразования концентрированного солнечного излучения (сильноточные, концентраторные ФП), имеют для сбора фотогенерированных носителей заряда специальную контактную сетку, служащую также для уменьшения последовательного сопротивления. Использование контактной сетки требует сложной и дорогой технологии ее изготовления, включающей фотолитографические процессы (патент США №4320250, кл. H01L 31/0224, опубл. 16.03.1982 г.) [1].This type of phase transition, in particular, designed to convert concentrated solar radiation (high-current, concentrator phase transition), has a special contact grid for collecting photogenerated charge carriers, which also serves to reduce the series resistance. The use of a contact grid requires a complex and expensive technology for its manufacture, including photolithographic processes (US patent No. 4320250, class H01L 31/0224, publ. March 16, 1982) [1].
Известно техническое решение полупроводникового ФП с р-n-переходами, которые расположены вертикально к светоприемной поверхности, т.е. вдоль потока светового излучения (патент РФ №2127009, кл. H01L 31/18, опубл. 27.02.99 г., фиг.1-3) [2]. Такой ФП не обладает максимально возможным коэффициентом полезного действия (КПД), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) р-n-переходов и низкую эффективность преобразования ультрафиолетового излучения (УФ).A technical solution of a semiconductor FP with pn junctions, which are located vertically to the light receiving surface, i.e. along the stream of light radiation (RF patent No. 2127009, class H01L 31/18, publ. 02.27.99, figure 1-3) [2]. Such a phase transition does not have the maximum possible coefficient of efficiency (COP), since it has a relatively small volume of the space charge region (SCR) of pn junctions and a low conversion efficiency of ultraviolet radiation (UV).
Наиболее близкой является конструкция полупроводникового фотопреобразователя (патент РФ №2127472, кл. H01L 31/18, опубл. 10.03.1999 г. фиг.1, 2) [3]), состоящая из монокристаллических кремниевых пластин с вертикально расположенными р-n диффузионными переходами, соединенными между собой в единую горизонтальную конструкцию металлическими прокладками, с токовыводящими контактами, при этом светоприемная поверхность кремния с инверсионным слоем покрыта диэлектрическим светопросветляющим покрытием.The closest is the design of the semiconductor photoconverter (RF patent No. 2147472, class H01L 31/18, publ. 03/10/1999, figure 1, 2) [3]), consisting of single-crystal silicon wafers with vertically located pn diffusion transitions interconnected in a single horizontal design by metal spacers, with current-carrying contacts, while the light-receiving surface of silicon with an inversion layer is coated with a dielectric light-transparent coating.
В других вариантах выполнения ФП может быть без инверсионного слоя и без диэлектрического светопросветляющего покрытия.In other embodiments, the FP can be without an inversion layer and without a dielectric light-coating.
Недостатком конструкции является небольшой объем ОПЗ вертикальных диффузионных р-n-переходов, что приводит к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда в монокристаллических кремниевых пластинах и соответственно уменьшению КПД ФП, а также сложная система токосъемных контактов со встречно-штыревой геометрией.The design drawback is the small SCR of vertical diffusion pn junctions, which leads to a decrease in the lifetime of minority charge carriers in single-crystal silicon wafers and, accordingly, a decrease in the efficiency of the phase transition, as well as a complex system of current-collecting contacts with interdigital geometry.
В упрощенном варианте, когда нет инверсионного слоя, можно обеспечить двухстороннюю засветку, которая дает преимущество за счет исключения паразитного шунтирования неосвещаемой части ФП, но невозможно обеспечить увеличение эффективности ФП за счет сбора генерируемых носителей заряда в приповерхностных областях.In a simplified version, when there is no inversion layer, it is possible to provide double-sided illumination, which gives the advantage of eliminating spurious shunting of the unlit portion of the phase transition, but it is impossible to increase the efficiency of the phase transition by collecting the generated charge carriers in the near-surface regions.
Известен способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя с вертикальными р-n переходами (Sater B.L. at all "The multiple Junction Edge Illuminated Solar Cells" in Conf. Rec. Tenth IEEE Photovoltaic Specialists Conf., 1973, p.188-193 [4], патент США №4516314, Кл. H01L 31/18, опубл. 14.05.1985 [5]), в котором соединение монокристаллических пластин кремния производится путем спекания их с помощью алюминиевой фольги. Предварительно проводится глубокая диффузия для получения в пластинах р-n перехода и n-n+-перехода для создания изотипного барьера. После создания в пластинах р-n-n+-переходов их собирают в столбик, и производится их спекание с алюминиевой фольгой. Разрезанием столбика по плоскостям, перпендикулярным р-n-переходу, изготавливаются образцы нужной толщины, из которых после дополнительной обработки получают ФП с вертикальными р-n переходами.A known method of manufacturing a semiconductor photoconverter with vertical pn junctions (Sater BL at all "The multiple Junction Edge Illuminated Solar Cells" in Conf. Rec. Tenth IEEE Photovoltaic Specialists Conf., 1973, p.188-193 [4], US patent No. 4516314, CL H01L 31/18, publ. 05/14/1985 [5]), in which the connection of single-crystal silicon wafers is carried out by sintering them with aluminum foil. Deep diffusion is preliminarily performed to obtain a pn junction and nn + junction in the plates to create an isotype barrier. After the creation of pnn + junctions in the plates, they are collected in a column, and they are sintered with aluminum foil. By cutting the column along planes perpendicular to the pn junction, samples of the required thickness are made, from which, after additional processing, FP with vertical pn junctions is obtained.
Глубокая диффузия приводит к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда, как в легированных областях прибора, так и в базовых, что приводит к снижению КПД.Deep diffusion leads to a decrease in the lifetime of minority charge carriers, both in the doped regions of the device and in the base ones, which leads to a decrease in efficiency.
Самым близким является способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя (патент РФ №2127472, кл. H01L 31/18, опубл. 10.03.1999 г. [3]) путем формирования диффузионных р-n переходов на поверхности монокристаллических кремниевых пластин, металлизации поверхности пластин, сборки пластин в столбик с металлическими прокладками, их сплавления, резания столбика на структуры, формирования внешних токовыводящих контактов и нанесения диэлектрического просветляющего покрытия на светоприемную поверхность.The closest is a method of manufacturing a semiconductor photoconverter (RF patent No. 2124472, class H01L 31/18, published March 10, 1999 [3]) by forming diffusion pn junctions on the surface of single-crystal silicon wafers, metallization of the wafer surface, assembly of wafers into a column with metal gaskets, fusing them, cutting the column into structures, forming external current-conducting contacts and applying a dielectric antireflective coating to the light-receiving surface.
К недостаткам способа относится технология формирования диффузионных переходов, что приводит к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда в монокристаллическом кремнии и, соответственно, уменьшению КПД фотопреобразователя. Помимо этого сложная система токосъемных контактов со встречно-штыревой геометрией требует применения дорогостоящих фотолитографических процессов.The disadvantages of the method include the technology of formation of diffusion transitions, which leads to a decrease in the lifetime of minority charge carriers in single-crystal silicon and, accordingly, to a decrease in the efficiency of the photoconverter. In addition, a complex system of current collector contacts with interdigital geometry requires the use of expensive photolithographic processes.
Эффективность преобразования солнечной энергии полупроводниковыми ФП решающим образом зависит от времени жизни неосновных носителей заряда (ННЗ) в каждой из области полупроводниковых пластин. Устранение и ослабление факторов, ограничивающих время жизни ННЗ в полупроводниковых ФП, ведет к увеличению их КПД.The efficiency of solar energy conversion by semiconductor phase transitions decisively depends on the lifetime of minority charge carriers (NEC) in each of the areas of semiconductor wafers. The elimination and weakening of the factors limiting the lifetime of the NCD in semiconductor phase transitions leads to an increase in their efficiency.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД ФП путем увеличения времени жизни ННЗ при одновременном снижении стоимости технологии изготовления за счет ее упрощения.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the FP by increasing the life of the oil refinery, while reducing the cost of manufacturing technology due to its simplification.
Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом ФП, состоящем из монокристаллических кремниевых пластин с вертикально расположенными р-n диффузионными переходами, соединенными между собой в единую горизонтальную конструкцию металлическими прокладками, с токовыводящими контактами, с, по меньшей мере, одной светоприемной поверхностью с инверсионным слоем и диэлектрическим просветляющим покрытием, в области р-типа проводимости, прилегающей к диффузионному р-n переходу, параллельно светоприемной поверхности расположена, по меньшей мере, одна нанокластерная область n-типа проводимости на расстоянии от инверсионного слоя, равном или меньшем сумме толщин областей пространственного заряда инверсионного слоя и нанокластерной области.This goal is achieved by the fact that in a semiconductor FP, consisting of single-crystal silicon wafers with vertically arranged pn diffusion transitions interconnected into a single horizontal structure by metal spacers, with current-conducting contacts, with at least one light-receiving surface with an inversion layer and a dielectric antireflection coating, in the region of p-type conductivity adjacent to the diffusion pn junction, parallel to the light-receiving surface, is located, m nshey least one nanocluster region of n-type conductivity in the region of the inversion layer is equal to or less than the sum of the thicknesses of space charge regions of the inversion layer and nanocluster area.
В способе изготовления полупроводникового фотопреобразователя, включающего формирование диффузионных р-n-переходов на поверхности монокристаллических кремниевых пластин, металлизацию поверхности пластин, сборку пластин в столбик с металлическими прокладками, их сплавление, резание столбика на структуры, формирование внешних токовыводящих контактов, нанесение диэлектрического просветляющего покрытия на светоприемную поверхность, после нанесения диэлектрического просветляющего покрытия перпендикулярно светоприемной поверхности имплантируют ионы водорода дозой 0,5÷10 [мкКул] с энергией 20÷200 [кэВ] для создания нанокластерной области n-типа проводимости, затем проводят термический отжиг при температуре 300÷500 [°С], после чего облучают гамма-квантами с энергией от 20 [кэВ] до 500 [кэВ] дозой 105÷107 [рад] для создания инверсионного слоя путем формирования в диэлектрическом просветляющем покрытии встроенного заряда, и проводят термический отжиг при температуре 100÷250 [°С].In the method of manufacturing a semiconductor photoconverter, including the formation of diffusion pn junctions on the surface of single-crystal silicon wafers, metallization of the wafer surface, assembly of wafers into a column with metal spacers, their fusion, cutting the column into structures, the formation of external current-conducting contacts, the application of a dielectric antireflective coating on light receiving surface, after applying a dielectric antireflection coating perpendicular to the light receiving surface hydrogen ions are implanted with a dose of 0.5–10 [μCoul] with an energy of 20–200 [keV] to create an n-type nanocluster region of conductivity, then thermal annealing is performed at a temperature of 300–500 [° C], after which they are irradiated with gamma rays with energy from 20 [keV] to 500 [keV] dose of 10 5 ÷ 10 7 [rad] to create an inversion layer by forming an integrated charge in the dielectric antireflective coating, and conduct thermal annealing at a temperature of 100 ÷ 250 [° C].
К отличительным признакам данного решения относятся:The distinguishing features of this decision include:
1) в области р-типа проводимости, прилегающей к диффузионному р-n переходу, параллельно светоприемной поверхности расположена, по меньшей мере, одна нанокластерная область n-типа проводимости;1) in the region of p-type conductivity adjacent to the diffusion pn junction, at least one nanocluster region of n-type conductivity is located parallel to the light receiving surface;
2) нанокластерная область расположена на расстоянии от инверсионного слоя, равном или меньшем сумме толщин областей пространственного заряда инверсионного слоя и нанокластерной области;2) the nanocluster region is located at a distance from the inversion layer equal to or less than the sum of the thicknesses of the space charge regions of the inversion layer and the nanocluster region;
3) для создания нанокластерной области перпендикулярно светоприемной поверхности имплантируют ионы водорода дозой 0,5÷10 мкКул с энергией 20÷200 кэВ;3) to create a nanocluster region perpendicular to the light receiving surface, hydrogen ions are implanted with a dose of 0.5 ÷ 10 μCul with an energy of 20 ÷ 200 keV;
4) после имплантации проводят термический отжиг при температуре 300÷500°С;4) after implantation, thermal annealing is carried out at a temperature of 300 ÷ 500 ° C;
5) для создания инверсионного слоя облучают гамма-квантами с энергией от 20 кэВ до 500 кэВ дозой 105 ÷ 107 рад диэлектрическое светопросветляющее покрытие для формирования в нем встроенного заряда;5) to create an inversion layer, they are irradiated with gamma rays with energies from 20 keV to 500 keV with a dose of 10 5 ÷ 10 7 rad a light-emitting light-coating for forming an integrated charge in it;
6) проводят термический отжиг при температуре 100÷250°С.6) conduct thermal annealing at a temperature of 100 ÷ 250 ° C.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.Known technical solutions with such signs were not found.
Предлагаемый фотопреобразователь обладает на много большей площадью всех р-n переходов (и, соответственно, объемом ОПЗ), собирающих световые кванты.The proposed photoconverter has a much larger area of all pn junctions (and, accordingly, the SCR volume) that collect light quanta.
Нанокластерная область n-типа проводимости обеспечивает дополнительное собирание генерированных солнечным излучением носителей заряда за счет увеличения ОПЗ этой области, которая, по сравнению с вертикальным n-слоем, прилегающим к диффузионному р-n переходу, обладает преимуществом по эффективности поглощения длинноволнового спектра солнечного излучения и разделения носителей заряда в объеме ОПЗ за счет меньшей скорости объемной рекомбинации генерированных светом носителей заряда по сравнению со скоростью объемной рекомбинации в диффузионных сильнолегированных областях, а также и за счет расположения этого слоя вдоль светоприемной поверхности, что увеличивает количество р-n-переходов, способных к поглощению солнечного излучения носителями заряда.The n-type nanocluster region of conductivity provides additional collection of charge carriers generated by solar radiation by increasing the SCR of this region, which, in comparison with the vertical n-layer adjacent to the diffusion pn junction, has the advantage of the absorption efficiency of the long-wavelength spectrum of solar radiation and separation charge carriers in the SCR volume due to the lower rate of volume recombination of light-generated charge carriers in comparison with the rate of volume recombination in di heavily doped fusional regions, as well as due to the location of this layer along the light receiving surface, which increases the number of pn junctions capable of absorbing solar radiation by charge carriers.
Т.о., в области инверсионного слоя время жизни ННЗ существенно выше, чем в вертикальном диффузионном n-слое, что позволяет уменьшить скорость рекомбинации генерированных светом носителей заряда и принимать фотоны в ультрафиолетовом спектре солнечного излучения.Thus, in the region of the inversion layer, the lifetime of the NSC is much longer than in the vertical diffusion n-layer, which makes it possible to reduce the recombination rate of charge carriers generated by light and to receive photons in the ultraviolet spectrum of solar radiation.
Применение данной конструкции позволяет повысить КПД полупроводникового фотопреобразователя до 25-30%.The use of this design allows to increase the efficiency of the semiconductor photoconverter up to 25-30%.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 приведена конструкция фотопреобразователя с нанокластерной областью с одной стороны от светоприемной поверхности.Figure 1 shows the design of the photoconverter with a nanocluster region on one side of the light receiving surface.
На фиг 2 показан участок одной части структуры в увеличенном масштабе.Figure 2 shows an enlarged section of one part of the structure.
На фиг.3 приведен пример конструкции фотопреобразователя с нанокластерными областями, расположенными с двух сторон (симметрично) относительно светоприемных поверхностей.Figure 3 shows an example of the construction of a photoconverter with nanocluster regions located on both sides (symmetrically) relative to the light receiving surfaces.
Полупроводниковый фотопреобразователь (фиг.1) состоит из монокристаллических кремниевых пластин, содержащих области р- и n-типа проводимости, образующие диффузионные р-n-переходы 1 и изотипные р-р+-переходы 2. Кремниевые пластины соединены между собой в единую горизонтальную конструкцию металлическими прокладками 3, в качестве которых служит алюминиевая фольга. На боковых поверхностях ФП расположены внешние токовыводящие контакты 4. Область р-типа проводимости, прилегающая к диффузионному переходу 1 (Фиг.2), состоит из двух частей с разной концентрацией примеси: р-область с меньшей концентрацией примеси 5 и р+-область 6 с большей концентрацией примеси. Р-область 5 граничит с диффузионной областью n-типа проводимости 7 и образует с ней диффузионный переход 1. ФП имеет, по меньшей мере, одну светоприемную поверхность, которая покрыта диэлектрическим светопросветляющим покрытием 8. В глубине р-области параллельно светоприемной поверхности дополнительно расположена нанокластерная область n-типа проводимости 9, а под диэлектрическим просветляющим покрытием сформирован инверсионный слой 10.The semiconductor photoconverter (figure 1) consists of single-crystal silicon wafers containing regions of p- and n-type conductivity, forming
При солнечном освещении светоприемной поверхности происходит поглощение света полупроводниковыми слоями, где по всей их толщине происходит генерация электроно-дырочных пар. Наиболее эффективное разделение генерированных электронно-дырочных пар происходит в ОПЗ, сформированных вертикальными р-n-переходами 1, инверсионным слоем 10 вблизи светоприемной поверхности и нанокластерным слоем 9, который расположен на расстоянии от инверсионного слоя, равном или меньшем сумме толщин областей пространственного заряда инверсионного слоя и нанокластерной области.In sunlight illumination of the light-receiving surface, light is absorbed by semiconductor layers, where electron-hole pairs are generated throughout their thickness. The most efficient separation of the generated electron – hole pairs occurs in SCRs formed by
По обе стороны от нанокластерной области формируется ОПЗ. При этом ОПЗ, которая распространяется в сторону светоприемной поверхности, смыкается с ОПЗ верхнего горизонтального перехода инверсионного слоя, образуя единую область пространственного заряда, эффективно собирающую носители заряда, генерированные как коротковолновым, так и длинноволновым спектром солнечного излучения. Собранные носители заряда вытягиваются из единой области (ОПЗ) в сторону внешних токовыводящих контактов, преимущественно за счет дрейфового, а не диффузионного механизма (т.е. гораздо быстрее), не успевая прорекомбинировать, что приводит к увеличению КПД.An SCR is formed on both sides of the nanocluster region. In this case, the SCR, which propagates towards the light-receiving surface, merges with the SCR of the upper horizontal transition of the inversion layer, forming a single space charge region that effectively collects charge carriers generated by both the short-wave and long-wave solar radiation spectra. The collected charge carriers are pulled from a single region (SCR) towards external current-conducting contacts, mainly due to the drift rather than the diffusion mechanism (i.e., much faster), without having time to recombine, which leads to an increase in efficiency.
При более глубоком залегании нанокластерной области смыкания ОПЗ инверсионного и нанокластерного слоя не произойдет, а в р-области 5 (квазинейтральной) работает диффузионный механизм собирания носителей заряда, что приводит к снижению КПД.With a deeper occurrence of the nanocluster region, the SCR does not close the inversion of the inversion and nanocluster layers, and in the p-region 5 (quasineutral) the diffusion mechanism of charge carrier collection works, which leads to a decrease in efficiency.
По сравнению с известными конструкциями данный ФП обеспечивает эффективное собирание генерированных электронов и дырок пар с большего объема ОПЗ и их вывод на внешние токовыводящие контакты, тем самым обеспечивая высокий коэффициент собирания носителей заряда во всем интервале фотоактивного поглощения излучения от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона.Compared with the known constructions, this phase transition ensures efficient collection of generated electrons and hole pairs from a larger SCR volume and their output to external current-conducting contacts, thereby providing a high carrier collection coefficient over the entire range of photoactive absorption of radiation from ultraviolet to infrared.
Одной из основных особенностей легирования кремния радиационными дефектами путем облучения легкими ионами водорода по сравнению, например, с электронным облучением является локальность радиационного воздействия по глубине. Эта локальность задается выбором энергии имплантированных ионов, а характер распределения концентрации дефектов в объеме полупроводника определяется характером потерь энергии иона при его взаимодействии с кристаллической решеткой (В.А.Козлов, В.В.Козловский. «Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и α-частицами», Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.7, с.769-795; Козловский В.В. «Модифицирование полупроводников пучками протонов», СПБ, Наука, 2003, с.268 [6, 7]).One of the main features of doping silicon with radiation defects by irradiation with light hydrogen ions compared with, for example, electron irradiation is the localization of the radiation exposure in depth. This locality is determined by the choice of the energy of the implanted ions, and the nature of the distribution of the defect concentration in the semiconductor volume is determined by the nature of the energy loss of the ion when it interacts with the crystal lattice (V.A. Kozlov, V.V. Kozlovsky. “Doping of semiconductors with radiation defects when irradiated with protons and α -particles ”, Physics and Technology of Semiconductors, 2001, Volume 35,
Соответствующие энергии облучения выбирают для обеспечения требуемых длин пробега ионов водорода (Н+) в кремнии, которые приводятся на зависимости длины пробега ионов Н+ и α-частиц (Не++) в кремнии (фиг.4) [6]. Длины пробега ионов водорода могут лежать в диапазоне от долей микрометра до десятков микрон. В конце пробега ион водорода захватывает электрон, превращается в атом водорода, и его сечение взаимодействия с атомами кристаллической решетки резко возрастает (от 10-19 до 10-18 см-2) (Ладыгин Е.А. «Радиационная технология твердотельных электронных приборов», М.: ЦНИИ «Электроника», 1976 - 316 с. [8]). В результате, на глубине максимального пробега ионов образуется узкая нанокластерная область, которая играет роль концентратора генерированных солнечным излучением электроно-дырочных пар (интервал энергий облучения показан на фиг.4 вертикальными линиями и горизонтальной стрелкой).The appropriate irradiation energies are chosen to provide the required mean free paths of hydrogen ions (H + ) in silicon, which are given by the dependence of the mean free paths of H + ions and α-particles (He ++ ) in silicon (Fig. 4) [6]. The path lengths of hydrogen ions can range from fractions of a micrometer to tens of microns. At the end of the run, a hydrogen ion captures an electron, turns into a hydrogen atom, and its cross section for interaction with the atoms of the crystal lattice sharply increases (from 10 -19 to 10 -18 cm -2 ) (Ladygin EA "Radiation technology of solid-state electronic devices", M .: Central Research Institute "Electronics", 1976 - 316 p. [8]). As a result, a narrow nanocluster region is formed at the depth of the maximum ion path, which plays the role of a concentrator of electron-hole pairs generated by solar radiation (the interval of irradiation energies is shown in Fig. 4 by vertical lines and a horizontal arrow).
ФП может быть изготовлен с использованием следующих технологических операций.FP can be made using the following technological operations.
Для этого:For this:
- первоначально формируют в монокристаллических кремниевых пластинах р-типа проводимости, например, КДБ-10 или КДБ-1, диффузией фосфора и бора р-n-переходы 1;- initially form p-type conductivity in single-crystal silicon wafers, for example, KDB-10 or KDB-1,
- металлизируют поверхность пластин алюминием;- metallize the surface of the plates with aluminum;
- производят сборку пластин в столбик с металлическими прокладками 3 из алюминиевой фольги или силумина;- assemble the plates in a column with
- после чего их сплавляют, а затем режут столбик на отдельные структуры;- after which they are fused, and then the column is cut into separate structures;
- на боковых поверхностях формируют внешние токовыводящие контакты 4;- on the lateral surfaces form external current-carrying
- на светоприемную поверхность наносят оксид кремния (SiO2) и просветляющее покрытие (например, Si3N4);- silicon oxide (SiO 2 ) and an antireflection coating (for example, Si 3 N 4 ) are applied to the light receiving surface;
- для формирования нанокластерной области n-типа проводимости 9 перпендикулярно светоприемной поверхности имплантируют ионы водорода, например, на установке «Везувий-5» дозой 0,5÷10 мкКул, с энергией 20÷200 кэВ. При имплантации водорода с энергией менее 20 кэВ и дозах менее 0,5 мкКул не удается обеспечить проникновение его на требуемую глубину (от единиц до десятков мкм) и обеспечить необходимую концентрацию нанокластеров 1015÷1017 [нанокластеров/см] для получения дополнительной ОПЗ. Получаемая концентрация нанокластеров должна превышать концентрацию акцепторной примеси в стандартных типах подложек, где она, например, определяется типом исходного кремния КДБ-10 или КДБ-1. При использовании энергии свыше 200 кэВ и доз свыше 10 мкКул процессы образования нанокластеров становятся плохо контролируемыми, а технология высокозатратной;- for the formation of an n-type nanocluster region of
- проводят низкотемпературный отжиг при температуре Т=300÷500°С в термической печи в течение от 15 мин до 1 час для формирования вторичных радиационных дефектов (В.В.Козловский «Модифицирование полупроводников пучками протонов», СПБ, Наука, 2003, с.268 [7]). За пределами указанного диапазона отжиг проходит либо неэффективно (при низких температурах недостаточно велика энергия активации), либо приводит к появлению ненужных, неконтролируемых дефектов (при высоких температурах);- conduct low-temperature annealing at a temperature of T = 300 ÷ 500 ° C in a thermal furnace for 15 minutes to 1 hour to form secondary radiation defects (V.V. Kozlovsky “Modification of semiconductors by proton beams”, St. Petersburg, Nauka, 2003, p. 268 [7]). Outside the specified range, annealing either passes inefficiently (at low temperatures, the activation energy is not high enough), or leads to the appearance of unnecessary, uncontrolled defects (at high temperatures);
- проводят облучение потоком γ-квантов с энергией от 20 кэВ до 500 кэВ экспозиционной дозой (105÷107) рад, например в установке МРХ-60, для формирования положительного встроенного заряда в диэлектрическом просветляющем покрытии. При этом эффективная плотность встроенного заряда Nss [см-2], которая учитывает как поверхностный, так и объемный заряд, должна быть Nss>5·10-11 см-2, т.к. только при больших концентрациях удается получить инверсию проводимости.- irradiation with a flux of γ-quanta with energies from 20 keV to 500 keV is carried out with an exposure dose (10 5 ÷ 10 7 ) rad, for example, in the MPX-60 installation, to form a positive built-in charge in the dielectric antireflective coating. In this case, the effective density of the built-in charge Nss [cm -2 ], which takes into account both surface and space charges, should be Nss> 5 · 10 -11 cm -2 , because only at high concentrations is it possible to obtain an inversion of conductivity.
При облучении диэлектрического светопросветляющего покрытия потоком γ-квантов с энергией менее 20 кэВ и дозой менее 105 рад процесс формирования встроенного заряда происходит неэффективно - величина заряда будет недостаточна для формирования инверсионного слоя. Облучение потоком γ-квантов с энергией более 500 кэВ и дозой более 107 невозможно реализовать на существующих источниках γ-квантов, к тому же большие энергии будут создавать вредные дефекты;When a dielectric light-illuminating coating is irradiated with a flux of γ-quanta with an energy of less than 20 keV and a dose of less than 10 5 rad, the process of forming the built-in charge is inefficient - the charge will be insufficient for the formation of the inversion layer. Irradiation with a flux of γ-quanta with an energy of more than 500 keV and a dose of more than 10 7 cannot be realized on existing sources of γ-quanta; moreover, large energies will create harmful defects;
- проводят низкотемпературный отжиг при Т=100÷250°С в термической печи в течение 1-3 часов для фиксации встроенного заряда и для устранения образовавшихся нестабильных дефектов в диэлектрическом светопросветляющем покрытии.- conduct low-temperature annealing at T = 100 ÷ 250 ° C in a thermal furnace for 1-3 hours to fix the built-in charge and to eliminate the resulting unstable defects in the dielectric light-coating.
На фиг.3 приведен пример конструкции ФП, когда диэлектрическое светопросветляющее покрытие и нанокластерный слой сформированы симметрично с двух сторон исходной полупроводниковой структуры. В этом случае создается возможность эффективного собирания носителей заряда при двухстороннем освещении, т.к. это обеспечивает исключение паразитного шунтирования неосвещаемой части ФП, по сравнению со случаем односторонней засветки.Figure 3 shows an example of the design of the phase transition when the dielectric light-coating coating and the nanocluster layer are formed symmetrically on both sides of the original semiconductor structure. In this case, it becomes possible to efficiently collect charge carriers in two-way lighting, because this ensures the exclusion of parasitic shunting of the non-illuminated part of the FI, in comparison with the case of unilateral illumination.
Таким образом, предлагаемый ФП обладает намного большей площадью р-n переходов, разделяющих генерированные солнечным излучением электронно-дырочные пары, время жизни ННЗ в области инверсионного слоя существенно больше, что позволяет уменьшить скорость рекомбинации электронов с дырками и более эффективно преобразовывать фотоны УФ-спектра солнечного излучения. Все это приводит к повышению КПД фотопреобразователя.Thus, the proposed phase transition has a much larger area of pn junctions separating the electron – hole pairs generated by solar radiation, the lifetime of the NEC in the region of the inversion layer is much longer, which makes it possible to reduce the rate of recombination of electrons with holes and more efficiently convert the photons of the solar UV spectrum radiation. All this leads to an increase in the efficiency of the photoconverter.
В таких ФП, по сравнению с обычными ФП на планарных р-n переходах, обеспечивается лучшее охлаждение за счет металлических прокладок. Предлагаемая конструкция способствует свободному прохождению нефотоактивного инфракрасного излучения через практически весь ФП без поглощения, что приводит к меньшей равновесной температуре ФП и, соответственно, к росту КПД.In such phase transitions, in comparison with conventional phase transitions at planar pn junctions, better cooling due to metal gaskets is provided. The proposed design promotes the free passage of non-photoactive infrared radiation through almost the entire phase transition without absorption, which leads to a lower equilibrium temperature of the phase transition and, consequently, to an increase in efficiency.
Снижение стоимости технологии изготовления ФП происходит за счет использования полупроводников, модифицированных ионами водорода. Это объясняется простой и сравнительно малой стоимостью радиационных процессов в сочетании с высокой точностью, производительностью, воспроизводимостью и хорошей совместимостью с другими технологическими процессами изготовления полупроводниковых приборов. В технологии изготовления ФП исключена фотолитография, т.к. внешние токовыводящие контакты формируются при сплавлении столбика на его торцевых поверхностях и не требуют проведения дополнительных операций, как это необходимо при формировании контактов при использовании традиционной технологии.The reduction in the cost of manufacturing technology of phase transitions occurs due to the use of semiconductors modified with hydrogen ions. This is due to the simple and relatively low cost of radiation processes in combination with high accuracy, performance, reproducibility and good compatibility with other technological processes for the manufacture of semiconductor devices. Photolithography is excluded in the FP manufacturing technology, since external current-carrying contacts are formed during fusion of the column on its end surfaces and do not require additional operations, as is necessary when forming contacts using traditional technology.
Особенно эффективно применение таких ФП с концентраторами света, т.к. в данной конструкции отсутствуют затеняющие фронтальные (лицевые) контакты, а двухстороннее освещение обеспечивает более полное использование полупроводникового материала.The use of such phase transitions with light concentrators is especially effective, since in this design there are no shading front (front) contacts, and two-sided lighting provides a more complete use of semiconductor material.
Применение таких ФП возможно и при преобразовании лазерного излучения, например, в системах передачи энергии с помощью лазерных пучков.The use of such phase transitions is also possible in the conversion of laser radiation, for example, in energy transfer systems using laser beams.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Патент США №4320250, кл. H01L 31/0224, опубл. 16.03.1982 г.1. US patent No. 4320250, CL. H01L 31/0224, publ. 03/16/1982
2. Патент РФ №2127009, кл. H01L 31/18, опубл. 27.02.99 г., фиг.1-3.2. RF patent No. 2127009, cl. H01L 31/18, publ. 02/27/99, figure 1-3.
3. Патент РФ №2127472, кл. H01L 31/18, опубл. 10.03.1999 г. фиг.1, 2 (прототип).3. RF patent №2127472, cl. H01L 31/18, publ. 03/10/1999, figure 1, 2 (prototype).
4. Sater B.L. at all "The multiple Junction Edge Illuminated Solar Cells" in Conf. Rec. Tenth IEEE Photovoltaic Specialists Conf., 1973, p.188-193.4. Sater B.L. at all "The multiple Junction Edge Illuminated Solar Cells" in Conf. Rec. Tenth IEEE Photovoltaic Specialists Conf., 1973, p. 188-193.
5. Патент США №4516314, кл. H01L 31/18, опубл. 14.05.1985 г.5. US patent No. 4516314, CL. H01L 31/18, publ. 05/14/1985
6. Козлов В.А., Козловский В.В. «Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и α-частицами». Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.7, с.769-795.6. Kozlov V.A., Kozlovsky V.V. "Doping of semiconductors with radiation defects upon exposure to protons and α particles." Physics and Technology of Semiconductors, 2001, Volume 35,
7. Козловский В.В. «Модифицирование полупроводников пучками протонов», СПБ, Наука, 2003, с.268.7. Kozlovsky V.V. “Modification of semiconductors by proton beams”, St. Petersburg, Nauka, 2003, p.268.
8. Ладыгин Е.А. «Радиационная технология твердотельных электронных приборов». - М.: ЦНИИ «Электроника», 1976. - 316 с.8. Ladygin EA "Radiation technology of solid state electronic devices." - M.: Central Research Institute "Electronics", 1976. - 316 p.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008131147/28A RU2377695C1 (en) | 2008-07-28 | 2008-07-28 | Semiconductor photoconverter and method of making said converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008131147/28A RU2377695C1 (en) | 2008-07-28 | 2008-07-28 | Semiconductor photoconverter and method of making said converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2377695C1 true RU2377695C1 (en) | 2009-12-27 |
Family
ID=41643165
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008131147/28A RU2377695C1 (en) | 2008-07-28 | 2008-07-28 | Semiconductor photoconverter and method of making said converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2377695C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012115603A1 (en) * | 2011-02-21 | 2012-08-30 | Bedjukh Oleksandr | Multijunction photovoltaic converter and solar battery based thereon |
RU2502156C1 (en) * | 2012-07-20 | 2013-12-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Comb type silicon photoelectric converter and method for production thereof |
RU2513658C2 (en) * | 2012-07-20 | 2014-04-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Silicon multi-junction photoelectric converter with inclined structure and method for production thereof |
RU2539109C1 (en) * | 2013-09-26 | 2015-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions |
RU2608302C1 (en) * | 2015-10-22 | 2017-01-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Design of monolithic silicon photoelectric converter and its manufacturing method |
RU2654829C2 (en) * | 2015-06-22 | 2018-05-22 | Александр Иванович Гордеев | Quantum-radioisotope generator of mobile charge carriers and photons in crystal semiconductor lattice |
-
2008
- 2008-07-28 RU RU2008131147/28A patent/RU2377695C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012115603A1 (en) * | 2011-02-21 | 2012-08-30 | Bedjukh Oleksandr | Multijunction photovoltaic converter and solar battery based thereon |
RU2502156C1 (en) * | 2012-07-20 | 2013-12-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Comb type silicon photoelectric converter and method for production thereof |
RU2513658C2 (en) * | 2012-07-20 | 2014-04-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Silicon multi-junction photoelectric converter with inclined structure and method for production thereof |
RU2539109C1 (en) * | 2013-09-26 | 2015-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions |
RU2654829C2 (en) * | 2015-06-22 | 2018-05-22 | Александр Иванович Гордеев | Quantum-radioisotope generator of mobile charge carriers and photons in crystal semiconductor lattice |
RU2608302C1 (en) * | 2015-10-22 | 2017-01-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Design of monolithic silicon photoelectric converter and its manufacturing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Swanson et al. | Point-contact silicon solar cells | |
KR101052030B1 (en) | Electromagnetic radiation converter | |
KR101000064B1 (en) | Hetero-junction silicon solar cell and fabrication method thereof | |
Wenham et al. | Buried contact silicon solar cells | |
KR20100107258A (en) | Sollar cell and fabrication method thereof | |
RU2377695C1 (en) | Semiconductor photoconverter and method of making said converter | |
US20090314337A1 (en) | Photovoltaic devices | |
KR102547804B1 (en) | Bifacial silicon solar cell and method for manufacturing the same | |
JP2011510486A (en) | Multi-junction optoelectronic device including deposition of wavelength selective absorption layer, manufacturing method, and integrated circuit, | |
JP2023086063A (en) | Solar battery and photovoltaic module | |
KR101252171B1 (en) | Solar cell and manufacturing method of the same | |
Chiang et al. | Improved performance thin solar cells | |
KR101198438B1 (en) | Bifacial Photovoltaic Localized Emitter Solar Cell and Method for Manufacturing Thereof | |
KR101760801B1 (en) | Method for producing a light concentrating photovoltaic system | |
CN110556192B (en) | Pm-147 silicon carbide slow-change PN type isotope battery and manufacturing method thereof | |
KR101162879B1 (en) | Emitter solar cell having relatively low surface density and method thereof | |
JPH08204214A (en) | Solar cell | |
Bowden et al. | Non PN junction solar cells using carrier selective contacts | |
Liu et al. | An Improved Process for Bifacial n-PERT Solar Cells Fabricated with Phosphorus Activation and Boron Diffusion in One-step High Temperature | |
RU2608302C1 (en) | Design of monolithic silicon photoelectric converter and its manufacturing method | |
Starkov et al. | Charge pumping in solar cell structure | |
RU2099818C1 (en) | Light energy to electric energy converter | |
KR101345506B1 (en) | Back contact solar cell and method for fabricating the same | |
EP2405487B1 (en) | A photo-converting part of an electromagnetic radiation converter (variant embodiments), and an electromagnetic radiation converter | |
Paez et al. | A vertical PN junction utilizing the impurity photovoltaic effect for the enhancement of ultra-thin film silicon solar cells |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100729 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110627 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140729 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20171103 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190729 |