RU2485627C1 - Способ изготовления фотовольтаического преобразователя - Google Patents

Способ изготовления фотовольтаического преобразователя Download PDF

Info

Publication number
RU2485627C1
RU2485627C1 RU2012100844/28A RU2012100844A RU2485627C1 RU 2485627 C1 RU2485627 C1 RU 2485627C1 RU 2012100844/28 A RU2012100844/28 A RU 2012100844/28A RU 2012100844 A RU2012100844 A RU 2012100844A RU 2485627 C1 RU2485627 C1 RU 2485627C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gasb
photovoltaic converter
depth
substrate
diffusion
Prior art date
Application number
RU2012100844/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Михайлович Андреев
Владимир Петрович Хвостиков
Светлана Валерьевна Сорокина
Ольга Анатольевна Хвостикова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2012100844/28A priority Critical patent/RU2485627C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2485627C1 publication Critical patent/RU2485627C1/ru

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
    • 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

Способ изготовления фотовольтаического преобразователя включает нанесение на периферийную область подложки из n-GaSb диэлектрической маски, формирование на открытых участках фронтальной поверхности подложки высоколегированного слоя р-типа проводимости диффузией цинка из газовой фазы, удаление со стороны фронтальной поверхности анодным окислением с последующим травлением в соляной кислоте части высоколегированного слоя р-типа проводимости на оптимальную глубину, определяемую по градуировочной кривой для заданной глубины залегания р-n-перехода, удаление с тыльной стороны подложки образовавшегося в результате диффузии слоя p-GaSb, формирование тыльного и фронтального омического контактов. Изобретение позволит повысить эффективность работы фотовольтаического преобразователя при использовании в различных устройствах: в солнечных батареях и установках с расщеплением светового потока при высоких кратностях концентрирования солнечного излучения, в системах преобразования энергии лазерного луча, а также в термофотоэлектрических генераторах с высокой температурой эмиттера. 1 з.п. ф-лы, 4 пр., 10 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к области изготовления фотовольтаических преобразователей оптического излучения высокой плотности (концентрированного солнечного, лазерного или инфракрасного излучения нагретых тел) на основе антимонида галлия.
Фотовольтаические преобразователи на основе GaSb нашли широкое применение в механически стыкованных каскадных солнечных элементах (GaAs/GaSb, GaInP/GaSb) и в термофотоэлектрических генераторах. Одно из современных направлений их использования - системы с расщеплением спектра солнечного излучения, где световой поток разделен оптическими фильтрами на спектральные диапазоны для последующего преобразования пространственно разделенными фотоэлементами (см. патент RU 2413334, МПК H01L 31/04, опубликован 27.02.2011, патент RU 2426198, МПК H01L 31/052, В82В 1/00, опубликован 10.08.2011). Кроме того, как полупроводниковое соединение А3В5 с «прямой» структурой зон, GaSb являются одним из перспективных материалов для создания фотовольтаических преобразователей лазерного излучения. Во всех перечисленных случаях требуется разработка фотоэлементов, эффективно работающих при больших плотностях фототока.
Известен способ изготовления фотовольтаического преобразователя на основе антимонида галлия (см. патент RU 2354008, опубликован 27.04.2009), основанный на диффузии цинка из газовой фазы в подложку n-GaSb. Требуемый рельеф активной области с мелким р-n-переходом и углублением в подконтактных областях создается за счет диффузионного легирования через избирательно наносимую на поверхность подложки пленку анодного оксида.
К недостаткам известного способа следует отнести возможное ухудшение адгезии контактов к фронтальной поверхности фотоэлемента при недостаточно точном соблюдении рекомендуемых операций технологического цикла.
Известен способ изготовления каскадного фотовольтаического преобразователя (патент US 5091018, МПК H01L 31/052, опубликован 25.02.1992), основанный на механической стыковке GaAs- и GaSb-фотоэлементов. Способ изготовления фотовольтаического преобразователя на основе антимонида галлия включает нанесение на лицевую поверхность подложки GaSb n-типа маски из изолирующего материала, диффузию цинка из газовой фазы, удаление слоя р-типа с тыльной поверхности подложки и нанесение на нее металлических контактов, осаждение фронтальных контактов на лицевую поверхность подложки, утончение р-n-перехода на светочувствительных участках травлением и нанесение антиотражающего покрытия.
К недостаткам известного способа следует отнести снижение получаемого кпд при высоких уровнях засветки, т.к. структура фотоэлемента на основе GaSb оптимизирована для использования в условиях небольшой и средней (~100) кратности концентрирования солнечного излучения. Из описания не следует, что при финишном утончении р-n-перехода на светочувствительных участках исключается возможность бокового травления подконтактных областей фотовольтаического преобразователя.
Известен способ изготовления фотовольтаического преобразователя на основе антимонида галлия (см. патент RU 2437186, МПК H01L 31/18, В82В 3/00, опубликован 20.12.2011), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ включает нанесение на подложку n-GaSb диэлектрической маски, ограничивающей периферийную область формируемого фотоэлемента, последующее проведение диффузии цинка из газовой фазы для образования высоколегированного слоя р-типа проводимости, осаждение тыльного и фронтального омических контактов, разделительное травление структуры на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.
Изготавливаемые известным способом фотовольтаические преобразователи имеют недостаточно оптимизированную структуру для работы при высоких плотностях падающего излучения (солнечного, инфракрасного, лазерного), что снижает эффективность преобразования излучения
Задачей заявляемого изобретения является разработка такого способа изготовления фотовольтаического преобразователя, который позволит повысить эффективность его работы при использовании в различных устройствах (в солнечных батареях и установках с расщеплением светового потока при высоких кратностях концентрирования солнечного излучения, в системах преобразования энергии лазерного луча, а также в термофотоэлектрических генераторах с высокой температурой эмиттера).
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления фотовольтаического преобразователя включает предварительное построение градуировочной кривой зависимости глубины травления фронтальной поверхности фотовольтаического преобразователя от глубины залегания р-n-перехода, сформированного диффузией цинка. Далее на периферийную область подложки из n-GaSb наносят диэлектрическую маску, формируют на открытых участках фронтальной поверхности подложки высоколегированный слой GaSb p-типа проводимости диффузией цинка из газовой фазы. Удаляют со стороны фронтальной поверхности анодным окислением с последующим травлением в соляной кислоте часть высоколегированного слоя GaSb р-типа проводимости на глубину, определяемую по упомянутой градуировочной кривой для заданной глубины залегания р-n-перехода. Удаляют с тыльной стороны подложки образовавшийся в результате диффузии слой p-GaSb, формируют тыльный и фронтальный омический контакты.
Новым в способе является травление сформированного диффузией высоколегированного слоя GaSb р-типа на глубину, оптимальную для заданного значения глубины р-n-перехода и определяемую по упомянутой выше градуировочной кривой.
На открытых участках фронтальной поверхности фотовольтаического преобразователя может быть нанесено антиотражающее покрытие.
Для получения сильноточных высокоэффективных фотовольтаических преобразователей высоколегированный (р~1020 см-3) фоточувствительный слой стравливается на определенную оптимальную глубину (разную для различных условий эксплуатации прибора и зависящую от задаваемой исходной толщины р-эмиттера). Снижение поверхностной концентрации легирующей примеси приводит к увеличению времени жизни неосновных носителей заряда в высоколегированном слое и, следовательно, к росту эффективности GaSb-фотовольтаического преобразователя. Таким образом, повышение кпд фотовольтаического преобразователя за счет утончения р-эмиттера определяется не только изменением глубины залегания р-n перехода, но и модификацией профиля распределения цинка вглубь структуры. Эффект прироста эффективности наблюдается для подложек разных производителей и не связан с качеством используемых полупроводниковых пластин и технологическими особенностями их изготовления (например, разной глубиной нарушенного полировкой поверхностного слоя).
Заявляемый способ изготовления фотовольтаического преобразователя поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематично изображен фотовольтаический преобразователь, получаемый настоящим способом;
на фиг.2 показан профиль распределения концентрации цинка, полученный вторичной ионной масс-спектрометрией (ВИМС). Толщина удаленного высоколегированного слоя р-типа проводимости: 1 - 0 нм; 2 - 80 нм; 3 - 160 нм; 4 - 240 нм; 5 - 320 нм; 6 - 400 нм; 7 - 480 нм; 8 - 560 нм.
на фиг.3 приведена зависимость плотности фототока от глубины травления высоколегированного слоя р-типа проводимости (9 - для внутреннего квантового выхода; 10 - для внешнего квантового выхода);
на фиг.4 представлена зависимость напряжения холостого хода от глубины травления высоколегированного слоя р-типа проводимости при разных плотностях генерируемого фототока;
на фиг.5 показаны зависимости эффективности фотовольтаического преобразования (AM1.5D, 1000 Вт/м2, λ=500-1820 нм) от кратности концентрирования солнечного излучения для разной глубины травления высоколегированного слоя р-типа проводимости. Использованы подложки GaSb, производимые фирмой «Гиредмет» (Москва), резка и полировка пластин произведена в ФТИ им. А.Ф.Иоффе;
на фиг.6 представлена зависимость эффективности и максимальной мощности, снимаемой с фотовольтаического преобразователя, от глубины залегания р-n-перехода, полученной после травления высоколегированного слоя p-GaSb с начальной толщиной 850 нм. Использованы подложки GaSb, производимые фирмой «Гиредмет» (Москва); резка и полировка пластин произведена в ФТИ им. А.Ф.Иоффе;
на фиг.7 приведена зависимость эффективности фотовольтаического преобразования (AM1.5D, 1000 Вт/м2, λ=500-1820 нм) от кратности концентрирования солнечного излучения для разной глубины травления высоколегированного слоя р-типа проводимости для «epi-ready» подложек GaSb, производимых фирмой «Гиредмет» (Москва);
на фиг.8 представлены зависимости эффективности фотовольтаического преобразования (AM1.5D, 1000 Вт/м2) от глубины травления высоколегированного слоя p-GaSb при различных плотностях генерируемого фототока (исходная глубина р-n-перехода 500 нм);
на фиг.9 показано изменение внешнего квантового выхода фотовольтаического преобразователя с начальной глубиной р-n-перехода ~300 нм при прецизионном утончении высоколегированного р-эмиттера на: 11 - 0 мкм, 12 - 40 нм, 13 - 65 нм, 14 - 120 нм. Использованы подложки GaSb, производимые фирмой «Гиредмет» (Москва); резка и полировка пластин произведена в ФТИ им. А.Ф.Иоффе;
на фиг.10 показана зависимость оптимальной глубины травления эмиттера от глубины залегания р-n-перехода фотовольтаических преобразователей на основе GaSb.
Изготовленный настоящим способом фотовольтаический преобразователь (фиг.1) содержит подложку 1 из n-GaSb, высоколегированный слой 2 p-GaSb, диэлектрическую маску 3, тыльный контакт 4; фронтальный контакт 5 и антиотражающее покрытие 6.
Структуру фотовольтаического преобразователя создают диффузией цинка при постоянной температуре в атмосфере водорода в кварцевом реакторе проточного типа. В графитовые кассеты пенального типа помещают одну или несколько подложек 1 из n-GaSb ориентации (100) с предварительно нанесенной на ее лицевую поверхность диэлектрической маской 3 с окнами на светочувствительных участках, которая защищает периферийные области фотовольтаического преобразователя от формирования р-n-перехода. В качестве материала диэлектрической маски 3 могут применяться слои нитрида кремния Si3N4 (толщиной не менее 0,05 мкм) или диоксида кремния SiO2 (толщиной 0,1-0,2 мкм). В зависимости от предстоящей области эксплуатации фотовольтаического преобразователя глубину залегания р-n-перехода (т.е. толщину диффузионного слоя 2 p-GaSb) формируют в интервале ~500-850 нм. Для заданной глубины залегания р-n-перехода в соответствии с предварительно построенной и приведенной на фиг.10 градуировочной кривой определяют оптимальную глубину травления фронтального высоколегированного слоя р-GaSb. Прецизионное травление слоя 2 p-GaSb на указанную глубину проводят анодным окислением с последующим травлением в соляной кислоте. Усредненная константа анодного окисления принимается равной 2 нм/В. Образованный в результате диффузии слой p-GaSb с тыльной поверхности подложки удаляют и формируют тыльный контакт 4. Затем формируют маску фоторезиста, через которую на фронтальную поверхность подложки 1 наносят контакт 5. Рекомендовано использование контактных систем с высокой планарностью границы металл-полупроводник и небольшой глубиной залегания интерфейса (например, Ti-Pt-Ag, Ti-Pt-Ag-Au, Cr-Au-Ag-Au). При малой толщине диффузионного слоя 2 p-GaSb применение контактных систем с толстым проводящим слоем золота (например, Cr-Au), требующих операции отжига контактов, может приводить к дополнительным утечкам р-n-перехода. Заключительная операция технологического цикла - осаждение антиотражающего покрытия на открытых участках фронтальной поверхности фотовольтаического преобразователя.
Пример 1. Структуру фотовольтаического преобразователя создавали диффузией цинка при температуре 450°С в течение 3 часов в атмосфере водорода в кварцевом реакторе проточного типа. Использовали подложки n-GaSb ориентации (100) с концентрацией носителей заряда n=3-5·1017 см-3. Слитки полупроводника выращены методом Чохральского в «Гиредмет» (Москва), резка и полировка пластин проводилась в ФТИ им. А.Ф.Иоффе. Глубина сформированного диффузией слоя 2 p-GaSb составляла 850 нм. Концентрация свободных носителей заряда в слое достигала ~1·1020 см-3. При прецизионном утончении высоколегированного слоя кривая распределения цинка вглубь структуры изменяет форму. На фиг.2 показан профиль распределения концентрации цинка, полученный методом ВИМС при разных толщинах удаленного слоя: 1 - 0 нм; 2 - 80 нм; 3 - 160 нм; 4 - 240 нм; 5 - 320 нм; 6 - 400 нм; 7 - 480 нм; 8 - 560 нм. При таком травлении снижается также толщина нарушенного приповерхностного слоя и, следовательно, уменьшается скорость поверхностной рекомбинации. Эти изменения, в свою очередь, влияют на поведение плотности фототока (фиг.3, кривая 9 - для внутреннего квантового выхода; 10 - для внешнего квантового выхода), напряжения холостого хода (на фиг.4 представлена зависимость напряжения холостого хода для разных плотностей генерируемого фототока), фактора заполнения ВАХ изготовленных фотовольтаических преобразователей и в итоге сказываются на эффективности элемента (фиг.5). Зависимость эффективности от глубины травления эмиттера (фиг.5, фиг.6) показана для условий AM1.5D, 1000 Вт/м2 и диапазона длин волн λ=500-1820 нм.
Пример 2. Данный пример иллюстрирует независимость повышения эффективности фотовольтаического преобразователя за счет утончения р-эмиттера от исходного качества подложек, технологических особенностей их получения и фирмы-изготовителя. Используются «epi-ready» подложки n-GaSb-ориентации (100) из «Гирмет» (Москва) с концентрацией носителей заряда n=3-5·1017 см-3. Исходная глубина р-n-перехода, как и в примере 1, соответствует ~850 нм. Структура фотовольтаического преобразователя создается диффузией цинка в условиях, аналогичных примеру 1. Максимальные значения эффективности преобразования излучения (AM1.5D, 1000 Вт/м2) с длиной волны λ=500-1820 нм также достигаются при травлении эмиттера на ~320 нм (фиг.7).
Пример 3. Диффузионный р-n-переход глубиной ~500 нм сформирован в n-GaSb-подложках, изготовленных в Commissariat à I'Energie Atomique, LETI/DOPT (Франция). Для пластин с ориентацией в плоскости (100) оптимальная глубина травления р-эмиттера соответствует 60 нм (фиг.8). Зависимость эффективности (AM1.5D, 1000 Вт/м2) от глубины травления эмиттера приведена для значений генерируемого фототока 1, 2 и 3 А.
Пример 4. Диффузионный р-n-переход глубиной ~310 нм сформирован в n-GaSb-подложках ориентации (100) от «Гиредмет» (Москва); резка и полировка пластин проводилась в ФТИ им. А.Ф.Иоффе. Изменение внешнего квантового выхода, в наибольшей степени определяющего эффективность фотовольтаического преобразователя, приведено на фиг.9.

Claims (2)

1. Способ изготовления фотовольтаического преобразователя на основе антимонида галлия, включающий предварительное построение градуировочной кривой зависимости глубины травления фронтальной поверхности фотовольтаического преобразователя на основе антимонида галлия (GaSb) от глубины залегания р-n перехода, сформированного диффузией цинка, нанесение на периферийную область подложки из n-GaSb диэлектрической маски, формирование на открытых участках фронтальной поверхности подложки высоколегированного слоя GaSb р-типа проводимости диффузией цинка из газовой фазы, удаление со стороны фронтальной поверхности анодным окислением с последующей травлением в соляной кислоте части высоколегированного слоя GaSb р-типа проводимости на глубину, определяемую по упомянутой градуировочной кривой для заданной глубины залегания р-n-перехода, удаление с тыльной стороны подложки образовавшегося в результате диффузии слоя p-GaSb, формирование тыльного и фронтального омического контактов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после формирования тыльного и фронтального омического контактов на фронтальную поверхность фотовольтаического преобразователя наносят антиотражающее покрытие.
RU2012100844/28A 2012-01-11 2012-01-11 Способ изготовления фотовольтаического преобразователя RU2485627C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012100844/28A RU2485627C1 (ru) 2012-01-11 2012-01-11 Способ изготовления фотовольтаического преобразователя

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012100844/28A RU2485627C1 (ru) 2012-01-11 2012-01-11 Способ изготовления фотовольтаического преобразователя

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2485627C1 true RU2485627C1 (ru) 2013-06-20

Family

ID=48786518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012100844/28A RU2485627C1 (ru) 2012-01-11 2012-01-11 Способ изготовления фотовольтаического преобразователя

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2485627C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107578985A (zh) * 2017-09-15 2018-01-12 苏州焜原光电有限公司 锑化镓衬底及锑化物基ⅱ类超晶格材料的表面清理方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5217539A (en) * 1991-09-05 1993-06-08 The Boeing Company III-V solar cells and doping processes
RU2354008C1 (ru) * 2007-12-07 2009-04-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя
RU2437186C1 (ru) * 2010-07-08 2011-12-20 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Способ изготовления солнечного фотоэлектрического преобразователя

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5217539A (en) * 1991-09-05 1993-06-08 The Boeing Company III-V solar cells and doping processes
RU2354008C1 (ru) * 2007-12-07 2009-04-27 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя
RU2437186C1 (ru) * 2010-07-08 2011-12-20 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Способ изготовления солнечного фотоэлектрического преобразователя

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107578985A (zh) * 2017-09-15 2018-01-12 苏州焜原光电有限公司 锑化镓衬底及锑化物基ⅱ类超晶格材料的表面清理方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9515218B2 (en) Vertical pillar structured photovoltaic devices with mirrors and optical claddings
US8349644B2 (en) Mono-silicon solar cells
EP2993707B1 (en) Back contact solar cell with textured front and back surfaces
US8957300B2 (en) Substrate for photoelectric conversion device, photoelectric conversion device, and stacked photoelectric conversion device
US9299866B2 (en) Nanowire array based solar energy harvesting device
KR100847741B1 (ko) ｐ-ｎ접합 계면에 패시베이션층을 구비하는 점 접촉 이종접합 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법
KR20050113177A (ko) 개선된 광전지 및 그 제조
NL2013722B1 (en) Back side contacted wafer-based solar cells with in-situ doped crystallized thin-film silicon and/or silicon oxide regions.
WO2015042400A1 (en) Nano-structured multi-junction photovoltaic devices
JP2012531048A (ja) 半導体光検出構造体
JP2012004557A (ja) 高効率ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池、およびその製造方法
KR20140071940A (ko) 다중 접합 다중 탭 광전 소자
Fernández et al. Back‐surface optimization of germanium TPV cells
KR101474008B1 (ko) 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법
JP2005064246A (ja) 光電変換素子、その製造方法および太陽電池
Khvostikov et al. High-efficiency GaSb photocells
RU2437186C1 (ru) Способ изготовления солнечного фотоэлектрического преобразователя
RU2485627C1 (ru) Способ изготовления фотовольтаического преобразователя
NL2013608B1 (en) Self aligned low temperature process for solar cells.
Simashkevich et al. Efficient ITO-n Si solar cells with a textured silicon surface
Razera et al. Passivation analysis of the Emitter and selective back surface field of silicon solar cells
Löper et al. Photovoltaic properties of silicon nanocrystals in silicon carbide
RU2377698C1 (ru) Способ изготовления фотоэлектрического элемента на основе германия
KR101431266B1 (ko) 태양전지의 제조방법
Choi et al. Interdigitated front contact solar cells fabricated by CMOS process technologies