RU2532857C1 - Фотовольтаическая структура - Google Patents
Фотовольтаическая структура Download PDFInfo
- Publication number
- RU2532857C1 RU2532857C1 RU2013113078/28A RU2013113078A RU2532857C1 RU 2532857 C1 RU2532857 C1 RU 2532857C1 RU 2013113078/28 A RU2013113078/28 A RU 2013113078/28A RU 2013113078 A RU2013113078 A RU 2013113078A RU 2532857 C1 RU2532857 C1 RU 2532857C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sic
- layer
- substrate
- type
- silicon carbide
- 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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковым структурам, используемым для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Фотовольтаическая однопереходная структура представляет собой двухслойный компонент p-n гетероперехода a-SiC/c-Si. Слой аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной пленки 6-20 нм нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC. Верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди и расположен непосредственно на слое a-SiC. Нижний электрод из серебра или меди расположен на обратной стороне подложки из монокристаллического кремния. Фотовольтаическая структура с использованием полированной, неразвитой поверхности подложки из монокристаллического кремния и без применения концентраторов солнечного излучения демонстрирует эффективность 7,83%. 4 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к полупроводниковым фотовольтаическим структурам, используемым в электронике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др. для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для питания электронных приборов и электроприводов устройств и механизмов. Гетероструктуры полупроводниковых приборов не имеют альтернативы как источник электроэнергии для космических летательных аппаратов, являются экологически чистым средством получения электрической энергии.
В подавляющем большинстве случаев материалом солнечных элементов является кремний: 98.2% мощности действующих установок, из которых 38% - кристаллический кремний, 52% - поликристаллический, 5% - аморфный. Среди прочих материалов наибольшую часть, примерно 1.6%, занимают структуры на основе кадмия-теллура, а остальное - соединения элементов III-IV групп In, Ga, As, Sb, P и др., ячейки на основе полимеров, жидкостные фотовольтаические ячейки и т.д.
Наиболее эффективные солнечные элементы - многопереходные гетероструктуры, именуемые также каскадными или тандемными. Их конструкция основана на последовательном соединении ряда активных компонентов - элементарных солнечных ячеек или фотовольтаических ячеек, обеспечивающих эффективное преобразование солнечного излучения в электричество. Как правило, каждая ячейка такого гетерокаскада рассчитана на поглощение определенной части спектра солнечного излучения.
Выбор полупроводниковых материалов с последовательно уменьшающейся шириной запрещенной зоны обеспечивает эффективное преобразование энергии солнечного излучения в электрическую в полупроводниковом приборе, основанном на внутреннем фотоэффекте - генерации электронно-дырочной пары при поглощении фотона.
Карбид кремния SiC находит применение во многих отраслях науки и техники. Для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,4 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600°C. Кристаллическая структура карбида кремния сильно зависит от технологических условий получения, поэтому использование аморфных материалов ведет к снижению стоимости процесса получения солнечных элементов, фотовольтаических ячеек.
Известны p-i-n солнечные ячейки сложной структуры, включающие слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния a-SiC:H с p-проводимостью, нанесенный на верхний полупрозрачный электрод в виде стеклянной подложки, покрытой слоем SnO2, далее нанесен микрокристаллический гидрогенизированный кремний µc-Si:H с n- проводимостью, а в качестве i-слоя - слой аморфного кремния a-Si. [Yoshihisa Tawada, Hideo Yamagishi, Mass-production of large size a-Si modules and future plan, Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) p.95-105]. Недостатком многопереходных ячеек сложной структуры является их дороговизна. Применение в качестве источников электроэнергии однопереходных фотовольтаических структур на основе аморфного карбида кремния ведет к снижению их стоимости.
Известна однопереходная солнечная ячейка, содержащая в качестве внешнего слоя p-типа гидрогенизированный аморфный a-SiC:H. Внешним электродом, нанесенным на стеклянную подложку, здесь также служит прозрачный проводящий оксид SnO2. В этой ячейке гетеропереход в p-i-n структуре на основе аморфных слоев гидрогенезированных карбида кремния и кремния a-SiC:H/a-Si:H демонстрирует эффективность преобразования солнечной энергии, равную 7.55% [Y. Hamakawa, Recent progress of the amorphous silicon solar cells and their technology. Journal de Physicque, Suppl №10, V.42, (1981), p.p.С4-1131].
В вышеприведенных источниках для получения пленок аморфного гидрогенизированного a-SiC:H использовались разновидности CVD технологий (Chemical vapor deposition - химическое парофазное осаждение), а именно - химическое парофазное осаждение с горячей нитью HWCVD/HFCVD (Hot wire chemical vapor deposition/hot filament CVD), также известное как каталитический Cat-CVD (Catalitic chemical vapor deposition) [Агеев О.А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С., Киселев B.C., Конакова Р.В., Лебедев А.А.. Миленин В В., Охрименко О.Б., Поляков В.В., Светличный A.M., Чередниченко Д.И. Карбид кремния: технология, свойства, применение. Харьков: «ИСМА», (2010), С.532].
Известна описанная в источнике [Banerjee C, Haga K.; Miyajima S.; Yamada A.; Konagai M., Fabrication of µc-3C-SiC/c-Si Heterojunction Solar Cell by Hot Wire CVD System, Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference, on 7-12 May 2006, V.2, pp.1334-1337.] однопереходная фотовольтаическая структура на основе микрокристаллической гидрогенизированной пленки 3C-SiC:H, полученной методом химического осаждения с горячей нитью (HWCVD). Толщина пленки n-типа 3C-SiC:H на подложке p-типа Si составляла 200 нм и удельное сопротивление 1-10 Ом·см. Эффективность данной структуры составила 14.2%. Недостатком является сложная технология получения и значительная толщина пленки карбида кремния.
Известна структура из источника [J. Appl. Phys. 67, 6538 (1990); http://dx.doi.org/10.1063/1.345131 (6 pages) A new type of high efficiency with a low cost solar cell having the structure of а µc SiC/polycrystalline silicon heterojunction Y. Matsumoto, G. Hirata, H. Takakura, H. Okamoto, and Y. Hamakawa], где микрокристаллическая пленка толщиной 70 нм µc-SiC n-типа проводимости на поликристаллической подложке Si p-типа проводимости была получена с применением плазмы, возбуждаемой циклотронным электронным резонансом, в сочетании с химическим осаждением из паровой фазы. А в качестве верхнего электрода использован сплав оксида индия и олова. Эффективность данной структуры составила 15.4%. К недостатком структуры можно отнести сложность технологии и толщину пленки карбида кремния микрокристаллической модификации.
За прототип принята структура из источника [A. Solangi, M.I. Chaudhry, Amorphous and Crystalline Silicon Carbide IV, Springer, Proceedings in Physics, Volume 71, (1992), pp 362-367], представляющая собой ячейку β n-SiC/p Si, с верхним электродом в виде металлической решетки и металлическим нижним электродом, где микрокристаллический слой карбида кремния n-типа проводимости получают методом химического осаждения из паровой фазы на подложку - монокристаллическую пластину Si ориентации (100) и p-типа проводимости. Эффективность данной структуры составила 7.7%. Недостатком является сложная технология, которая не позволяет получать толщину пленки менее 70-100 нм, не гарантирует возможность получения пленки карбида кремния аморфной модификации, а также является недостаточно экологически безопасной.
Задача - создание однопереходной фотовольтаической структуры гетероструктуры солнечного элемента на основе монокристаллического кремния p-типа, покрытого слоем аморфного карбида кремния n-типа проводимости.
Технический результат - эффективность фотовольтаической структуры не ниже, чем у прототипа, при толщине пленки аморфного карбида кремния n-типа проводимости в диапазоне 6-20 нм.
Дополнительный технический результат - более низкая стоимость фотовольтаической структуры и более экологичная технология ее получения.
Технический результат достигается за счет того, что в структуру, содержащую слой карбида кремния n-типа проводимости, подложку из монокристаллической пластины Si ориентации (100) p-типа проводимости, верхний и нижний металлические электроды, внесены следующие новые признаки:
- структура представляет собой двухслойный компонент p-n гетеропереход a-SiC/c-Si, на основе аморфного карбида кремния n-типа проводимости и монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости;
- слой карбида кремния n-типа проводимости толщиной в диапазоне 6-20 нм представляет собой аморфную модификацию и нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC;
- верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди;
- нижний электрод из серебра или меди расположен непосредственно на обратной стороне подложки из монокристаллического кремния.
Изобретение характеризуют следующие фигуры:
Фигура 1. Разрез фотовольтаической структуры (вид сбоку),
Фигура 2. Вид сверху на фотовольтаическую однопереходную структуру;
Фигура 3. Изображения, полученные на просвечивающем микроскопе JEM 2100, подтверждающие аморфную модификацию пленки SiC:
Фотовольтаическая структура представляет собой полупроводниковый однопереходный p-n солнечный элемент a-SiC/c-Si, включающий верхний электрод 1, выполненный в виде контактной гребенки из серебра или меди, слой 2 аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной в диапазоне 6-20 нм, нанесенный методом нереактивного магнетронного распыления из твердотельной мишени SiC на предварительно подготовленную поверхность подложки 3 из монокристаллического кремния ориентации (100) p-типа проводимости и нижний электрод 4 из серебра или меди, нанесенный непосредственно на обратную сторону подложки из монокристаллического кремния.
Конкретный пример выполнения.
Верхний электрод 1, выполненный в виде контактной гребенки из серебра или меди, нанесен на слой 2 аморфного карбида кремния. Слой 2 аморфного карбида кремния n-типа проводимости толщиной в диапазоне 6-20 нм нанесен методом нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени, представляющей собой синтезированный предварительно SiC, на предварительно подготовленную поверхность подложки 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 p-типа проводимости ориентации (100), толщиной 300 мкм, с удельным сопротивлением 2 Ом·см. На нижней обратной стороне подложки 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 нанесен нижний электрод 4 из серебра или меди.
В предложенной структуре аморфный SiC n-типа проводимости выступает в роли внешнего светопоглощающего слоя, поэтому не требуется нанесения дополнительных слоев концентраторов солнечного излучения.
Перед нанесением аморфного карбида кремния на предварительно подготовленную с целью удаления естественного слоя оксида кремния подложку 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 поверхность, со стороны, где наносится SiC, может быть отполирована, что положительно влияет на качество наносимой пленки.
С другой стороны, на развитой неполированной поверхности подложки поглощение солнечной энергии, а следовательно, и эффективность фотовольтаической структуры может возрасти.
Для улучшения контакта с металлом обратная поверхность подложки 3, на которую наносят второй электрод 4, может быть также отполирована, однако улучшение не столь значительно, поэтому допустимо наносить второй электрод 4 на неполированную поверхность подложки 3.
Аморфное состояние пленки карбида кремния подтверждено результатами дифракции электронного пучка в просвечивающем электронном микроскопе JEM 2100. Дифракционные кольца на фиг.3a свидетельствуют об отсутствии преобладающей ориентации в аморфной пленке SiC, выращенной на подложке Si (100), на фиг.3b явственно видна островковая структура аморфной пленки SiC.
Заявленная фотовольтаическая структура на основе гетероструктуры a-SiC/c-Si «аморфный карбид кремния - кремний p-типа» с использованием полированной, неразвитой поверхности подложки из монокристаллического кремния и без применения концентраторов солнечного излучения демонстрирует эффективность 7,83%.
Следовательно, поставленная задача по достижению заявленного технического результата решена.
Claims (1)
- Фотовольтаическая однопереходная структура, содержащая слой карбида кремния n-типа проводимости, подложку из монокристаллической пластины Si ориентации (100) p-типа проводимости, верхний и нижний металлические электроды, отличающаяся тем, что представляет собой двухслойный компонент p-n гетероперехода a-SiC/c-Si, где слой аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной пленки 6-20 нм нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC, верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди и расположен непосредственно на слое a-SiC, а нижний электрод из серебра или меди расположен на обратной стороне пластины монокристаллического кремния.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013113078/28A RU2532857C1 (ru) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | Фотовольтаическая структура |
MDA20130070A MD4339C1 (ru) | 2013-03-22 | 2013-10-03 | Фотовольтаическая однопереходная структура |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013113078/28A RU2532857C1 (ru) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | Фотовольтаическая структура |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013113078A RU2013113078A (ru) | 2014-09-27 |
RU2532857C1 true RU2532857C1 (ru) | 2014-11-10 |
Family
ID=51656430
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013113078/28A RU2532857C1 (ru) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | Фотовольтаическая структура |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
MD (1) | MD4339C1 (ru) |
RU (1) | RU2532857C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2577174C1 (ru) * | 2014-12-18 | 2016-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Энергоэкотех" | Покрытие для фотовольтаической ячейки и способ его изготовления |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110993743A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-10 | 中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司 | 一种异质结光伏器件的制备方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2190901C2 (ru) * | 1996-09-26 | 2002-10-10 | Акцо Нобель Н.В. | Способ производства фотоэлектрической фольги и фольга, полученная этим способом |
JP2004104138A (ja) * | 2003-09-29 | 2004-04-02 | Yoshihiro Hamakawa | 光発電装置 |
CN101820006A (zh) * | 2009-07-20 | 2010-09-01 | 湖南共创光伏科技有限公司 | 高转化率硅基单结多叠层pin薄膜太阳能电池及其制造方法 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4636719B2 (ja) * | 2001-03-27 | 2011-02-23 | 光 小林 | 半導体膜の処理方法及び光起電力素子の製造方法 |
MD3112G2 (ru) * | 2005-06-16 | 2007-02-28 | Государственный Университет Молд0 | Тонкослойная солнечная ячейка |
MD3737G2 (ru) * | 2007-03-26 | 2009-05-31 | Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы | Двухсторонний солнечный элемент и способ его изготовления |
KR20120003116A (ko) * | 2010-07-02 | 2012-01-10 | 강민석 | 탄화규소 광전지 소자의 표면 나노 구조 조직화 방법 및 그를 이용한 다이오드 구조 |
US20130255775A1 (en) * | 2012-04-02 | 2013-10-03 | Nusola, Inc. | Wide band gap photovoltaic device and process of manufacture |
-
2013
- 2013-03-22 RU RU2013113078/28A patent/RU2532857C1/ru not_active IP Right Cessation
- 2013-10-03 MD MDA20130070A patent/MD4339C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2190901C2 (ru) * | 1996-09-26 | 2002-10-10 | Акцо Нобель Н.В. | Способ производства фотоэлектрической фольги и фольга, полученная этим способом |
JP2004104138A (ja) * | 2003-09-29 | 2004-04-02 | Yoshihiro Hamakawa | 光発電装置 |
CN101820006A (zh) * | 2009-07-20 | 2010-09-01 | 湖南共创光伏科技有限公司 | 高转化率硅基单结多叠层pin薄膜太阳能电池及其制造方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
A. Solangi, M.I. Chaudhry, Amorphous and Crystalline Silicon Carbide IV, Springer, Proceedings in Physics, Volume 71, (1992), . pp 362-367. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2577174C1 (ru) * | 2014-12-18 | 2016-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Энергоэкотех" | Покрытие для фотовольтаической ячейки и способ его изготовления |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
MD4339C1 (ru) | 2016-01-31 |
MD4339B1 (ru) | 2015-03-31 |
RU2013113078A (ru) | 2014-09-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
O'Donnell et al. | Silicon nanowire solar cells grown by PECVD | |
CN103594542B (zh) | 光伏器件和形成光伏器件的方法 | |
CN102064216A (zh) | 一种新型晶体硅太阳电池及其制作方法 | |
KR20080091655A (ko) | 박막형 광기전력 변환소자 및 그 제조방법 | |
Zeman | Thin-film silicon PV technology | |
JP2011501407A (ja) | 太陽電池の製造方法 | |
Bertolli | Solar cell materials | |
US20100059119A1 (en) | Solar cell and method of manufacturing the same | |
RU2590284C1 (ru) | Солнечный элемент | |
TW201308635A (zh) | 具有改良式通道接合之串列太陽能電池 | |
Shi et al. | Polycrystalline silicon thin‐film solar cells: The future for photovoltaics? | |
RU2532857C1 (ru) | Фотовольтаическая структура | |
Trinh et al. | Growth of BaSi2 film on Ge (100) by vacuum evaporation and its photoresponse properties | |
KR101484620B1 (ko) | 실리콘 태양전지 | |
Angadi et al. | A review on different types of materials employed in solar photovoltaic panel | |
RU2632266C2 (ru) | Гетероструктурный фотоэлектрический преобразователь на основе кристаллического кремния | |
RU2568421C1 (ru) | СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ СМЕШАННЫЙ АМОРФНЫЙ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ НИТРИД КРЕМНИЯ - КРЕМНИЙ p-ТИПА | |
Sai et al. | Challenges and prospects of very thin (< 50 μm) crystalline silicon solar cells | |
KR101305603B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
KR101327010B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
RU2360324C1 (ru) | Кремниевый солнечный элемент с эпитаксиальным эмиттером | |
WO2015178307A1 (ja) | 光電変換素子 | |
RU2675069C1 (ru) | Структура гетеропереходного фотоэлектрического преобразователя с противоэпитаксиальным подслоем | |
Hafezi et al. | Material and solar cell research in high efficiency micromorph tandem solar cell | |
KR101372026B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210323 |