RU2655704C1 - Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния - Google Patents
Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2655704C1 RU2655704C1 RU2017123945A RU2017123945A RU2655704C1 RU 2655704 C1 RU2655704 C1 RU 2655704C1 RU 2017123945 A RU2017123945 A RU 2017123945A RU 2017123945 A RU2017123945 A RU 2017123945A RU 2655704 C1 RU2655704 C1 RU 2655704C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photoconverter
- base
- carriers
- thickness
- crystal
- Prior art date
Links
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims abstract description 50
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 21
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 34
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 20
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 11
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 10
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 10
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 10
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 2
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
-
- 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
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для создания солнечных батарей космического применения. Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния с n+-р или р+-n переходом у фронтальной поверхности, изотипным р-р+ или n-n+ тыльным потенциальным барьером для неравновесных неосновных носителей тока, дифракционной решеткой на фронтальной поверхности с периодом, равным 1 мкм, содержит эмиттер, базу и токосъемные контакты, при этом тыльный потенциальный барьер для неравновесных неосновных носителей тока сформирован за областью генерации зарядов на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности фотопреобразователя. Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение срока службы фотопреобразователя в космосе, а также уменьшение его веса при сохранении высоких значений кпд преобразования солнечного излучения. Изобретение обеспечивает увеличение срока службы фотопреобразователя в космосе, а также уменьшение его веса при сохранении высоких значений кпд преобразования солнечного излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области физики, а именно к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к солнечным элементам (СЭ) на основе кристаллического кремния, и может быть использовано для создания солнечных батарей космического применения с повышенными энерго-массовыми характеристиками и увеличенным в 2-3 раза сроком службы.
Из уровня техники известно, что толщина существующих кремниевых фотопреобразователей обычно составляет 160-180 мкм. Толщину фотопреобразователя можно уменьшить без ущерба КПД преобразования до 120-140 мкм. Дальнейшее уменьшение толщины кристалла (менее чем 120 мкм) приводит к потере мощности за счет уменьшения генерации носителей тока длинноволновыми квантами излучения, глубина поглощения которых в кремнии доходит до 120-140 мкм.
Проблему увеличения энергомассовых характеристик кремниевых солнечных батарей можно решить на основе новой структуры, где область генерации носителей тока будет заключена в узком слое у фронтальной поверхности фотопреобразователя. При этом, т.е. при создании условий сужения области генерации носителей тока вблизи фронтальной поверхности, появится возможность уменьшения толщины и веса фотопреобразователя, равно и солнечной батареи, без снижения КПД преобразования.
Еще одной проблемой является невысокий срок службы космических кремниевых солнечных батарей. Проблема заключается в том, что из-за сравнимых значений толщины базы фотопреобразователя с длиной диффузионного смещения неосновных носителей тока в этой базе, сбор носителей тока из базы уменьшается с уменьшением времени жизни генерированных носителей в результате радиационного облучения. Спад КПД преобразования со временем зависит от соотношения толщины базы к длине диффузионного смещения носителей тока в этой базе. Чем тоньше база фотопреобразователя, тем больше по времени будет возможность сохранения высоких значений коэффициента собирания носителей тока и, соответственно, будет больше срок службы солнечной батареи. Непременным условием при этом является полное поглощение падающего потока излучения и генерация носителей тока в такой тонкой базе.
Таким образом, увеличение срока службы фотопреобразователей, равно и коммутированной из них солнечной батареи, решается путем создания новой структуры фотопреобразователя с тонкой базой. В предлагаемом изобретении одновременно решаются обе вышеописанные проблемы - снижения веса и повышения срока службы.
Известно, что ограничение КПД преобразования полупроводникового фотопреобразователя связано с фундаментальными и технико-технологическими потерями.
К фундаментальным потерям относятся:
- потери мощности за счет излучений, энергия которых меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника (hν≤Eg) (hν - энергия кванта, Eg - ширина запрещенной зоны), т.е. у таких квантов излучений энергия недостаточна для генерации электронно-дырочных зарядов;
- потери мощности, связанные с генерацией «горячих» носителей тока, т.е. когда «избыточная» энергия (Е=hν-Eg) кванта излучения теряется в результате взаимодействия возбужденного электрона с кристаллической решеткой полупроводника;
- термодинамические потери - это потери, связанные с кинетической энергией электрона при температурах, отличных от абсолютного нуля, и потери, связанные со снижением напряжения холостого хода элемента (Voc) с температурой.
Фундаментальные потери присутствуют во всех видах структур фотопреобразователей. Эти потери можно уменьшить, например, каскадированием элементов или уменьшением температуры, но полностью устранить такие потери невозможно. Развитие техники и технологии кремниевых фотопреобразователей с одним р-п переходом, в основном, идет по пути снижения технико-технологических потерь мощности. Заявляемая структура СЭ также относится к фотопреобразователям с одним р-п переходом и реализация технического результата - уменьшение веса и увеличение срока службы станет возможной благодаря новым решениям в области техники и технологии создания структуры элемента.
К технико-технологическим потерям относятся световые, рекомбинационные потери мощности и потери на последовательном сопротивлении элемента. Технико-технологические потери мощности определяются уровнем развития технологии и они, в принципе, устранимы.
Достижение высокой эффективности преобразования солнечного излучения при уменьшении толщины кристалла проблематично без кардинального уменьшения световых и рекомбинационных потерь в структуре фотопреобразователя. Для уменьшения световых потерь, связанных с отражением излучения от поверхности кристалла, фронтальная поверхность подвергается анизотропному травлению для получения текстуры. Например, в источниках [1], [2], [3] для получения текстуры на поверхности применяется химическое травление кристалла в щелочном растворе. Для уменьшения отражения на текстурированную поверхность осаждается одно- или двухслойное антиотражающее покрытие с меньшим, чем у кремния коэффициентом преломления света. Текстурированная поверхность фотопреобразователя снижает отражение света от поверхности элемента, отклоняя световые лучи от граней отдельных текстур. Однако при анизотропном травлении кремния в щелочах, текстура формируется не однородной - размеры текстур обычно составляют от 2 до 5 мкм, текстуры располагаются хаотично, а формы текстур разнообразны. При падении светового потока на такую текстурированную поверхность световые лучи будут преломляться под разными углами в зависимости от места падения квантов излучения. При этом углубление в кристалл квантов излучений будет разным, наряду с отклоненными на больший угол от первоначального направления квантами излучений будут и кванты, проникающие в кристалл под малым углом отклонения. Такие кванты, в зависимости от энергии, будут поглощены на разных глубинах кристалла. Длинноволновые кванты могут проникать глубоко в кристалл и генерировать электронно-дырочные пары в глубоких слоях (до ~120-140 мкм). Поэтому такая текстура не годится для целей утончения фотопреобразователя, так как при утончении кристалла менее чем ~120 мкм появятся потери мощности, связанные с длинноволновыми квантами, которые будут пролетать сквозь кристалл без генерации зарядов.
Кроме оптических потерь, важное значение для достижения высокой эффективности преобразования имеет устранение рекомбинационных потерь как на поверхности, так и в объеме кристалла. Генерированные светом носители тока могут теряться в результате рекомбинации на поверхности или в объеме полупроводника. Поверхностная рекомбинация зависит от степени пассивации и защиты поверхности, а объемная рекомбинация (рекомбинация в базовой области) зависит от многих факторов, среди которых основным является время жизни неосновных носителей тока, определяющее длину диффузионного смещения носителей тока. При поглощении квантов излучений в глубоких слоях кристалла, генерированные светом носители тока могут диффундировать как в сторону фронтальной поверхности (к р-п переходу), так и в сторону тыльной поверхности. Носители тока, диффундирующие к тыльной поверхности, могут исчезнуть в результате рекомбинации у тыльной поверхности, если не создать потенциальные барьеры в виде р-р+ или п-п+ переходов, препятствующих попаданию носителей к поверхности, либо если не защитить поверхность специальным слоем. Кроме того, нужно иметь высокое значение времени жизни неосновных носителей тока, за время которого носители заряда, отразившись от тыльного барьера, смогли дойти до р-п перехода. Таким образом, из вышеприведенного материала становится понятным, что утончение фотопреобразователя с использованием известных технологических операций приведет к снижению эффективности преобразования. Попытки уменьшения толщины СЭ за счет применения отражающих пленок на тыльной поверхности не привели к успеху из-за создания дополнительных проблем пассивации тыла. В источнике [4] раскрыта попытка создания тонкого фотопреобразователя с отражающей пленкой на тыльной поверхности. Роль отражающей пленки заключалась в отражении длинноволновых квантов излучения, пролетевших сквозь тонкий кристалл, обратно в объем кристалла для поглощения и генерации носителей тока. Однако, эффект от отраженных квантов был, практически, незаметным, а потери, связанные с поверхностной рекомбинацией носителей, наоборот, увеличились. Поэтому в существующих структурах снижение толщины СЭ неизбежно приводит к снижению КПД преобразования. Для решения этой проблемы проблемы утончения СЭ без снижения КПД преобразования необходимо, чтобы полное поглощение падающего излучения и генерация носителей тока происходили в небольших от поверхности кристалла глубинах.
В качестве наиболее близкого аналога принят солнечный элемент [5] на основе кристаллического кремния, состоящий из областей р- и n-типов проводимости, имеющий электроды (омические контакты) к р- и n-областям, в котором на освещаемой поверхности кристалла создана дифракционная решетка с периодом, равным длине волны кванта излучения, энергия которого равна ширине запрещенной зоны кристалла.
В результате анализа данного решения необходимо отметить, что в нем тыльный потенциальный барьер сформирован так же, как и в других известных структурах, у тыльной поверхности кристалла, что обуславливает его невысокий срок службы и значительные весовые характеристики.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение срока службы фотопреобразователя в космосе, а также уменьшение его веса при сохранении высоких значений КПД преобразования солнечного излучения.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в солнечном фотопреобразователе на основе монокристалического кремния с n+-p или p+-n переходом у фронтальной поверхности, изотипным p-p+ или n-n+ тыльным потенциальным барьером для неравновесных неосновных носителей тока, дифракционной решеткой на фронтальной поверхности с периодом равным 1 мкм, содержащем эмиттер, базу и токосъемные контакты, новым является то, что тыльный потенциальный барьер для неравновесных неосновных носителей тока сформирован за областью генерации зарядов, на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности фотопреобразователя, а тыльный потенциальный барьер может быть сформирован эпитаксиальным выращиванием слаболегированного базового слоя толщиной 15÷20 мкм на сильнолегированном слое.
Создание дифракционной решетки с периодом, равным длине волны падающего излучения на поверхности фотопреобразователя, позволяет отклонять входящее в кристалл излучение от первоначального направления на больший угол, чем обычная текстура поверхности.
Дифракционная решетка на поверхности СЭ с периодом, сравнимым с длиной волны падающего света (~1 мкм), позволит локализовать область генерации носителей тока на небольшой глубине (≤15 мкм) от фронтальной поверхности. Выбранный период решетки равен длине волны света излучения, энергия которого еще достаточна для генерации электронно-дырочных пар в кремнии.
Известно, что кванты излучений с длиной волны λ=1 мкм, которые еще могут генерировать носителей заряда, поглощаются в кристаллическом кремнии на глубинах ~120-140 мкм. Поэтому важно, чтобы такие длинноволновые кванты преломлялись при вхождении в кристалл под большим углом. Тогда, несмотря на длинный путь (~120-140 мкм) прохождения до генерации носителей заряда, глубина генерации от поверхности будет небольшой (≤15 мкм) и находиться в пределах, близких к области влияния p-n перехода. А коротковолновые кванты, хотя отклонятся относительно на небольшой угол, поглотятся еще ближе к поверхности.
Таким образом, создавая дифракционную решетку с периодом ~1 мкм на поверхности кремниевой структуры СЭ, можно добиться поглощения светового излучения, соответственно генерации носителей тока, в тонкой области вблизи поверхности кристалла. При таких условиях поглощения излучений все генерированные носители тока, практически, окажутся в пределах влияния p-п перехода (влияние объемного заряда р-п перехода + влияние градиента концентрации неравновесных носителей тока). Это увеличит внутренний квантовый выход, сведя рекомбинационные потери в базовой области, практически, к нулю. Возможность сильного отклонения входящего в кристалл квантов излучений от первоначального направления позволяет уменьшить толщину элемента до ~15÷20 мкм без снижения КПД преобразования. Но на практике из-за хрупкости кристаллического кремниевого материала получение общей толщины СЭ менее чем 50÷60 мкм проблематично. Даже при толщине СЭ в 60÷80 мкм вес генерирующей части солнечной батареи будет меньше в два и более раза, чем у существующих батарей (толщина существующих СЭ ~150÷180 мкм).
Возможность уменьшения глубины генерации носителей тока позволит решить проблему увеличения срока службы СЭ космического применения путем создания тонкой базы. Для этого необходимо «переместить» тыльный потенциальный барьер с тыльной поверхности кристалла вглубь кристалла и расположить его на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности. Формирование потенциального барьера в глубине 15÷20 мкм от поверхности элемента позволит создать структуру солнечного элемента со сверхтонкой базой по сравнению с существующими элементами, где толщина базы практически равна толщине кристалла. Соотношение длины диффузионного смещения неосновных носителей тока к толщине базы определяет эффективность сбора генерированных носителей тока. Чем выше это соотношение, тем выше эффективность сбора носителей из базовой области. Кроме того, это соотношение, в основном, будет определять длительность эффективной работы фотопреобразователя в космическом пространстве, и чем выше будет это соотношение, тем дольше будет срок службы. Формирование тонкой базы позволит, таким образом, увеличить срок службы элементов в космосе.
Если в СЭ наземного применения время жизни генерированных светом излучения носителей заряда, практически, не зависит от времени эксплуатации элемента в наземных условиях, то в фотопреобразователях космического применения время жизни неосновных носителей заряда в базовой области структуры сильно зависит от времени нахождения фотопреобразователя в космосе. Причиной такой зависимости является влияние космической радиации на время жизни неосновных носителей, и в итоге, на КПД преобразования СЭ. С истечением времени (с увеличением дозы радиации) нахождения в космосе время жизни неосновных носителей заряда в базовой области структуры снижается из-за радиационных дефектов, возникающих в объеме кристалла. Соответственно, снижение времени жизни неосновных носителей заряда приводит к уменьшению величины длины диффузионного смещения, а это в свою очередь приводит к уменьшению эффективности сбора генерированных носителей тока, т.е. к уменьшению КПД преобразования.
В структуре фотопреобразователя с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности область генерации носителей тока будет локализована в пределах до 15 мкм от фронтальной поверхности. Если при этом тыльный потенциальный барьер сформирован на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности, то тогда фотопреобразователь имеет очень тонкую базу, толщина которой будет как минимум на порядок меньше длины диффузного смещения носителей заряда в этой базе. При этом общая толщина элемента может быть больше этой величины для сохранения механической прочности кристалла.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими и табличными материалами, на которых:
- на рис. 1 показана зонная диаграмма фотопреобразователя с тонкой базой;
- на рис. 2 показан разрез структуры фотопреобразователя;
- в таблице приведены характеристики двух фотопреобразователей - фотопреобразователя с обычной структурой и толщиной базы ~150 мкм и фотопреобразователя с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности и тонкой базой толщиной ~15 мкм.
Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния содержит (рис. 2) фронтальный 1 и тыльный 2 контакты, а также тыльный потенциальный барьер 3 для неравновесных неосновных носителей тока.
Тыльный потенциальный барьер сформирован на глубине ~15 мкм от р-п перехода и данный барьер (р+-р переход) отражает генерированные электроны, диффундирующие в сторону тыльной поверхности.
Эмиттер фотопреобразователя (п+ слой), толщина которого ~0,3 мкм, покрыт пассивирующим и антиотражающим слоем.
Таким образом, в структурах СЭ с дифракционной решеткой, формирование тыльного потенциального барьера для неравновесных неосновных носителей тока за областью генерации носителей заряда (~15-20 мкм от поверхности) создает новую структуру - структуру солнечного элемента с тонкой базой. Такая структура позволит увеличить срок службы кремниевых СЭ в космическом пространстве в два-три раза по сравнению с обычными структурами.
В технологии изготовления фотопреобразователей космического применения обычно используются монокристаллы кремния с удельным сопротивлением 5÷10 Ом⋅см и с объемным временем жизни неосновных носителей 20÷50 мк⋅сек. Длина диффузионного смещения неосновных носителей заряда в базовой области структуры СЭ, определяемая из соотношения 
, где D - коэффициент диффузии электронов (при комн. температуре ~25 см2/сек), оказывается равной 150÷350 мкм, что сравнимо с толщиной базы структуры в существующих элементах. В структурах же с тонкой базой длина диффузионного смещения носителей тока (150÷350 мкм) на порядок и более больше толщины (15÷20 мкм) такой базы и уменьшение Ld с дозой облучения оказывает меньшее влияние на сбор носителей тока, чем в обычных структурах.
Для лучшего восприятия физики процесса приведем сравнительную таблицу с показателями характеристик для двух фотопреобразователей - для фотопреобразователя с обычной структурой и толщиной базы ~150 мкм и для фотопреобразователя с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности и тонкой базой толщиной ~15 мкм. При расчетах принято, что если космический аппарат (КА) находился в течение всего времени существования в одном радиационном поясе, то доза облучения, получаемая солнечными элементами, растет пропорционально времени.
Рассмотрим ситуацию, когда первоначальные характеристики (τ, Ld, η) двух видов СЭ (с разными толщинами базы) равны - время жизни носителей заряда базовой области τ ~50 мксек, длина диффузионного смещения неосновных носителей тока в базе Ld ~350 мкм, КПД преобразования η ~20% (см таблицу).
Радиация влияет одинаково на оба СЭ, снижает τ, и Ld у обоих элементов. КПД элементов, одинаковые в начале, со временем из-за влияния радиации будут снижаться с разной скоростью. Это объясняется тем, что сбор носителей тока со временем из-за разного соотношения толщины базы к длине диффузионного смещения носителей тока в этих элементах будет уменьшаться с разной скоростью. Предположим, что КА находился в радиационном поясе в течение 3 лет, где солнечные элементы получили радиационную дозу, приведшую к снижению длины диффузионного смещения в базовых областях у обоих элементах с 350 мкм до 150 мкм.
Для первого солнечного элемента длина диффузионного смещения носителей тока Ld сравнивается с толщиной базы и это приведет к снижению КПД примерно на 25% от первоначального значения, т.е. КПД через три года станет равным 15÷16%. У второго солнечного элемента заниженное значение Ld в базе (~150 мкм) на порядок больше толщины (15 мкм) этой базы и поэтому такое изменение, практически, не повлияет на сбор носителей тока. Это значит, что КПД преобразования останется неизменным и равным первоначальному значению. Через пять лет работы Ld у этих элементов снижается до ~80 мкм, что приведет к уменьшению эффективности преобразования первого СЭ почти в два раза. У второго СЭ с тонкой базой длина диффузионного смещения Ld (~80 мкм), еще много больше толщины базы (15 мкм) данной структуры, что не скажется на сборе носителей тока. Поэтому КПД преобразования второго СЭ останется, практически, на уровне первоначального значения. Только через 10 лет эксплуатации значение длины диффузионного смешения (~20 мкм) в базе второго СЭ сравняется со значением толщины базы и КПД может упасть на 20÷25%. Двойное падение КПД преобразования произойдет через 15 лет работы, что превышает срок службы обычных СЭ в два и более раз.
В решении - наиболее близком аналоге тыльный потенциальный барьер находится, также как в других известных структурах, у тыльной поверхности кристалла. В данном случае толщина базы будет равной, практически, толщине кристалла. Хотя узкая область (15 мкм) генерации позволяет утончить солнечный элемент без снижения КПД преобразования, но толщина базы, много большая чем область генерации и сравнимая с длиной диффузионного смещения носителей, не позволяет увеличить срок службы элемента в космическом пространстве.
Увеличение срока службы в космическом пространстве, как было отмечено выше, будет возможным, если формировать тыльный потенциальный барьер в глубине кристалла за областью генерации носителей тока и создать, таким образом, структуру с тонкой базой.
«Перемещение» тыльного потенциального барьера с тыльной поверхности (у существующих элементов) вглубь кристалла и формирование его на глубине в 15-20 мкм от фронтальной поверхности можно обеспечить путем эпитаксиального роста кремниевых слоев с разным уровнем легирования. Технология такого выращивания состоит из следующих последовательно выполняемых этапов:
- выращивание сильнолегированного слоя (р+ слоя на подложке p-типа проводимости или п+ на п-типе);
- выращивание слаболегированного базового слоя толщиной 15-20 мкм (p-тип слой, выращенный на р+ слое или п-тип на п+);
- формирование на поверхности базового слоя дифракционний решетки и эмиттерного перехода (п+-р или р+-п).
Таким образом, создается структура СЭ с тонкой базой, которая позволяет увеличить срок службы фотопреобразователя в космическом пространстве в несколько раз. Кроме того, данная структура открывает путь создания сверхтонких (~20 мкм) монокристаллических фотопреобразователей без снижения эффективности преобразования.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Pierre Verlinden, Olivier Evrard, Emmanuel Mazy, Andre Crahay SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, 1992, 26 p 71.
[2] Plasma texturing processes for the next generation of crystalline Si solar cells H.F.W. Dekkers, F. Duerinckx and etc. 21 st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden, Germany.
[3] LIGHT TRAPPING AND OPTICAL LOSSES IN SOLAR CELLS WITH RIE TEXTURIZED SURFACES
[4] Патент Японии 2011-019092, приоритет от 31.01.2011 METHOD FOR FABRICATING SUBSTRATE FOR SOLAR CELL AND SOLAR CELL Международная заявка PCT/JP2012/051783 от 27.01.2012 Авторы: TAKATO Hidetaka, SAKATA Isao, MASE Keiji и др.
[5] Патент на изобретение №2529826, приоритет от 15.01.2014 г., СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ НА ФРОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.
Claims (2)
1. Солнечный фотопреобразователь на основе монокристалического кремния с n+-p или p+-n переходом у фронтальной поверхности, изотипным p-p+ или n-n+ тыльным потенциальным барьером для неравновесных неосновных носителей тока, дифракционной решеткой на фронтальной поверхности с периодом, равным 1 мкм, содержащий эмиттер, базу и токосъемные контакты, отличающийся тем, что тыльный потенциальный барьер для неравновесных неосновных носителей тока сформирован за областью генерации зарядов на расстоянии 15÷20 мкм от фронтальной поверхности фотопреобразователя.
2. Солнечный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что тыльный потенциальный барьер сформирован эпитаксиальным выращиванием слаболегированного базового слоя толщиной 15÷20 мкм на сильнолегированном слое.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123945A RU2655704C1 (ru) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123945A RU2655704C1 (ru) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2655704C1 true RU2655704C1 (ru) | 2018-05-29 |
Family
ID=62559945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017123945A RU2655704C1 (ru) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2655704C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2700046C1 (ru) * | 2019-02-13 | 2019-09-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Фотопреобразователь с HIT структурой и технология его изготовления |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012018924A (ja) * | 2010-07-07 | 2012-01-26 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America Inc | 回折格子を備えた太陽電池組立体 |
| RU118123U1 (ru) * | 2012-04-18 | 2012-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") | Солнечная фотоэлектрическая батарея |
| 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 |
| US20140060642A1 (en) * | 2012-08-29 | 2014-03-06 | Egypt Nanotechnology Center | Light-reflecting grating structure for photovoltaic devices |
| RU2529826C2 (ru) * | 2013-01-15 | 2014-09-27 | Открытое акционерное ощество "Научно-производственное предприятие Квант" | Солнечный элемент с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности |
-
2017
- 2017-07-06 RU RU2017123945A patent/RU2655704C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012018924A (ja) * | 2010-07-07 | 2012-01-26 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America Inc | 回折格子を備えた太陽電池組立体 |
| 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 |
| RU118123U1 (ru) * | 2012-04-18 | 2012-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") | Солнечная фотоэлектрическая батарея |
| US20140060642A1 (en) * | 2012-08-29 | 2014-03-06 | Egypt Nanotechnology Center | Light-reflecting grating structure for photovoltaic devices |
| RU2529826C2 (ru) * | 2013-01-15 | 2014-09-27 | Открытое акционерное ощество "Научно-производственное предприятие Квант" | Солнечный элемент с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2700046C1 (ru) * | 2019-02-13 | 2019-09-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Фотопреобразователь с HIT структурой и технология его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11538945B2 (en) | Solar cell | |
| KR101052030B1 (ko) | 전자기 방사 컨버터 | |
| US4253882A (en) | Multiple gap photovoltaic device | |
| CN102187469B (zh) | 电磁辐射转换器和电池 | |
| WO2010105418A1 (zh) | 薄膜太阳能电池结构 | |
| US20090314337A1 (en) | Photovoltaic devices | |
| CN102246324A (zh) | 深沟槽背接触光伏太阳能电池 | |
| US8080856B2 (en) | Photoelectric structure and method of manufacturing thereof | |
| US9431554B2 (en) | Semiconductor light trap device | |
| Saha et al. | Influence of surface texturization on the light trapping and spectral response of silicon solar cells | |
| RU2487438C1 (ru) | Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе | |
| CN102157600A (zh) | 叉指状紫外增强型选择性硅光电二极管及其制作方法 | |
| US4141756A (en) | Method of making a gap UV photodiode by multiple ion-implantations | |
| US5753050A (en) | Thermophotovoltaic energy conversion device | |
| RU2655704C1 (ru) | Солнечный фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния | |
| RU2529826C2 (ru) | Солнечный элемент с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности | |
| US4112457A (en) | Photovoltaic device having an extended PN junction | |
| RU2700046C1 (ru) | Фотопреобразователь с HIT структурой и технология его изготовления | |
| Haug et al. | A recalculation of the efficiency limit in crystalline Si/Si tandem solar cells | |
| RU2069028C1 (ru) | Способ изготовления гибридной фотодиодной матрицы на антимониде индия | |
| RU2769232C1 (ru) | Фоточувствительная к инфракрасному излучению структура и способ ее изготовления | |
| JPH0745843A (ja) | 太陽電池素子 | |
| Bittkau et al. | Geometrical light trapping in thin c-Si solar cells beyond lambertian limit | |
| Balcioglu et al. | Effects of oxygen contamination on diffusion length in p+− n GaInNAs solar cells | |
| JP2010219089A (ja) | 光発電素子 |