RU2724319C2 - Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой на основе интеграции полупроводниковых соединений и кристаллического кремния и способ его изготовления - Google Patents
Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой на основе интеграции полупроводниковых соединений и кристаллического кремния и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724319C2 RU2724319C2 RU2017140035A RU2017140035A RU2724319C2 RU 2724319 C2 RU2724319 C2 RU 2724319C2 RU 2017140035 A RU2017140035 A RU 2017140035A RU 2017140035 A RU2017140035 A RU 2017140035A RU 2724319 C2 RU2724319 C2 RU 2724319C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vertically oriented
- silicon
- fibers
- crystalline silicon
- plasma
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims description 17
- 230000010354 integration Effects 0.000 title 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 37
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 4
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910018503 SF6 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 2
- 239000003495 polar organic solvent Substances 0.000 claims description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 2
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 claims description 2
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims 3
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 4
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc 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
- H01L31/02—Details
- H01L31/0236—Special surface textures
-
- 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
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Drying Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к изготовлению солнечных элементов и может быть использовано в фотоэнергетике, преимущественно в солнечных элементах или фотоэлектрических преобразователях (ФЭП) при преобразовании солнечного излучения. Способ изготовления периодической вертикально-ориентированной столбчатой структуры ФЭП включает формирование на поверхности кристаллического кремния рельефа из периодической вертикально-ориентированной столбчатой структуры с волокнами диаметром 0,1-2,5 мкм и высотой 0,5-10 мкм, находящимися на расстоянии друг от друга не меньшем, чем две суммарные толщины всех последующих осажденных на волокна слоев. Формирование вертикально-ориентированной столбчатой структуры производится методом сухого плазмохимического травления с использованием полистирольных сфер в качестве маски с последующей химической обработкой поверхности для удаления поврежденного слоя кремния толщиной 5-50 нм. Далее на волокна последовательно осаждаются полупроводниковые слои твердых растворов на основе соединений А3В5 или a-SiC:H для формирования нижнего перехода на основе кристаллического кремния и формирования одного или нескольких верхних p-n или p-i-n переходов фотоэлектрического преобразователя. В результате при освещении такой конструкции со стороны волокон свет проходит значительно большее расстояние и поглощается в полупроводниковых слоях верхнего перехода или переходов в значительно большей степени, чем в случае с плоской (планарной) конструкцией. Конструкция может быть изготовлена с использованием, как кремниевых пластин, так и слоев кристаллического кремния толщиной 2-20 мкм, сформированных на несущей подложке, в том числе гибкой. Изобретение обеспечивает возможность увеличения тока короткого замыкания верхнего каскада ФЭП, и как следствие, повышение КПД всего ФЭП. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к конструкции солнечных элементов и может быть использовано в фотоэнергетике, преимущественно в солнечных элементах или фотоэлектрических преобразователях при преобразовании солнечного излучения.
В связи с ростом потребления человечеством энергетических ресурсов планеты, на фоне экологических проблем и близкой перспективой исчезновения традиционных источников энергии, возникает необходимость в альтернативных источниках энергии. В числе ведущих, развивающихся направлений энергетики является солнечная, в частности гетероструктурная энергетика. Благодаря Солнцу на Землю поступает огромное количество энергии. Однако эффективное использование энергии Солнца затрудненно вследствие того, что солнечное излучение доходит до Земли в виде довольно рассеянного потока энергии и поэтому, чтобы повсеместно применять солнечные элементы - их КПД должен быть достаточно высоким. В данной области ведется серьезная работа, направленная на удешевление и упрощение технологии производства солнечных элементов (СЭ). Так же ведется поиск путей, позволяющих получить высокие показатели преобразования солнечной энергии в электрическую с минимальными затратами [1]. В настоящее время рынок наземной фотовольтаики растет в среднем на 30% в год. Как сказано в сообщении немецкого аналитического центра Agora Energiewende [2] 30 апреля 2017 года примерно 85% всего потребляемого в Германии электричества поступило из возобновляемых источников. По прогнозам специалистов объем рынка фотоэнергосистем в 2020 г. превысит 50 ГВт/год при стоимости более 100 млрд. долл. в год, т.е. за 15 лет объем рынка увеличится в 25 раз (в 2006 г. было произведено более 2 ГВт солнечных батарей).
Один из наиболее важных характеристик фотоэлектрических преобразователей - коэффициент полезного действия (КПД). Для наиболее распространенных на сегодняшний день типов ФЭП - на основе кремния - максимально достигнутый КПД равен 26,63% [3] при теоретическом пределе 33%. Дальнейшее повышение эффективности преобразования требует поиска новых подходов как к конструкции ФЭП так и материалам для его изготовления. Так для однопереходного ФЭП на основе GaAs при использовании концентрированного солнечного излучения 50 солнц удалось достичь эффективности преобразования 29,3% [3]. Для получения больших значений КПД используют каскадирование - подход, основанный на складировании слоев с различной шириной запрещенной зоны, в порядке убывания величины запрещенной зоны материала от лицевой поверхности к тыльной. При такой реализации конструкции ФЭП свет коротковолнового участка солнечного излучения поглощается в верхней части структуры. Длинноволновое излучение беспрепятственно проходит до более глубоких слоев, где и поглощается. Такой подход позволяет наиболее полно преобразовывать солнечное излечение в электрический ток. Достигнутая величина КПД для каскадных ФЭП с концентрированием солнечного излучения составляет 46% [3]. Стоит отметить, что уже три года данный порог никому из исследователей не удалось перейти. В связи с этим возникает необходимость в разработке новых подходов и конструкций при изготовлении ФЭП.
Наиболее перспективным направлением фотовольтаики является объединение технологии изготовления кремниевых ФЭП с методами формирования структур на основе материалов А3В5 [4, 5]. Теоретические оценки показали, что КПД таких ФЭП может достигать 45% [6] в случае планарной конструкции. При этом стоимость кремниевой подложки несоизмеримо меньше, чем, например, подожки германия или арсенида галлия. Для достижения больших значений эффективности преобразования необходимо решить проблему согласования тока верхнего перехода с переходом на основе кремния. Дело в том, что на текущий момент технология формирования эпитаксиальных слоев на подложках материалов IV группы далека от совершенства. Слои растут с большим количеством дефектов, что приводит к снижению, как напряжения холостого хода, так и тока короткого замыкания ФЭП. Для минимизации данных потерь исследователи вынуждены использовать достаточно тонкие слои для создания активной области верхнего каскада ФЭП. Однако чем тоньше слой активной области ФЭП, тем меньше носителей тока при освещении в нем генерируется и тем меньше будет ток короткого замыкания такого ФЭП. При использовании каскадной системы для изготовления ФЭП ток всего преобразователя будет определяться током наименьшего каскада.
В патенте WO 2012076901 А1 для увеличения области поглощения солнечного света предложено выращивать массив вертикально направленных наностолбиков из InGaN. Изменяя содержание индия и галлия в InGaN можно в широких пределах менять спектр поглощения данного материала, что крайне важно при создании каскадных ФЭП. Более того, при росте вертикально ориентированных волокон количество структурных дефектов в растущем материале крайне мало. Недостатком данного способа является то, что рост направленных наностолбиков происходит при участии металлической фазы (золото, олово и т.п.). В процессе роста металл диффундирует внутрь нановолокон, создавая области с высоким уровнем рекомбинации носителей заряда, из-за чего резко снижаются такие характеристики ФЭП как напряжение холостого хода и ток короткого замыкания.
В патенте CN 102185037 А предложен метод увеличения поглощения света верхним каскадом при помощи нанесения на поверхность ФЭП наноразмерных металлических цилиндров. Данные цилиндры создают вокруг себя области плазмонного резонанса, увеличивая тем самым поглощение. Недостатком данного способа является то, что явление плазмонного резонанса применимо к узкому диапазону длин волн электромагнитного излучения. В случае с подающим на такой ФЭП солнечного излучения довольно большой участок спектра будет напротив - отражен от его поверхности.
В патенте US 20090087941 A1 для увеличения тока верхнего каскада ФЭП предлагается использовать конструкцию из вертикально направленных цилиндрических столбиков, состоящих из последовательно осажденных друг на друга слоев полупроводниковых материалов в порядке уменьшения значения ширины запрещенной зоны материала слоя. В качестве подложки используется полупроводник, на поверхность которого нанесен слой SiO2. В слое оксида кремния создаются отверстия, через которые происходит рост вертикально направленных цилиндрических столбиков. При таком способе роста даже при большой степени рассогласования значений кристаллических решеток осаждаемых материалов происходит практически бездефектных рост полупроводниковых слоев, следовательно, и высокие значения характеристик ФЭП. Однако из-за большой площади поверхности вертикально направленных цилиндрических столбиков будет иметь место значительная рекомбинация носителей заряда, что приведет к снижению характеристик ФЭП.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и совокупности существенных признаков является конструкция, описанная в патенте WO/2011/033464, где предлагается использовать наноразмерные цилиндры из проводящего прозрачного оксида (ППО) диаметром 150-200 нм и высотой 500-700 нм в качестве подложки для последующего осаждения слоев ФЭП. В результате происходит увеличение пути поглощения падающего света, в результате чего растет фототок. Недостатком такого метода является то, что для создания массива цилиндрических островков ППО используется плазмохимическое травление, в результате чего на поверхности подложки будет присутствовать следы металлической фазы (цинк, индий, олово и пр.), которые будут выступать центрами рекомбинации носителей заряда, снижая при этом характеристики ФЭП. Кроме того, данные металлы имеют высокий коэффициент диффузии и в процессе осаждения слоев ФЭП будут диффундировать в нижние слои, создавая области с неопределенным химическим составом.
Альтернативные патенты и заявки
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение эффективности работы многопереходного солнечного элемента при преобразовании солнечного излучения.
Данная задача решается путем формирования на поверхности кристаллического кремния рельефа из периодической вертикально-ориентированной столбчатой структуры с волокнами диаметром 0,1-2,5 мкм и высотой 0,5-10 мкм, находящимися на расстоянии друг от друга не меньшем, чем две суммарные толщины всех последующих осажденных на волокна слоев. На волокна последовательно осаждаются полупроводниковые слои твердых растворов на основе соединений А3В5 или a-SiC:H для формирования нижнего перехода на основе кристаллического кремния и формирования одного или нескольких верхних р-n или p-i-n переходов фотоэлектрического преобразователя. В результате при освещении такой конструкции со стороны волокон свет поглощаясь в столбчатой структуре и в осажденных на него слоях, проходит расстояние сопоставимое с высотой волокон. При высоте волокон значительно превышающей суммарную толщину осажденных полупроводниковых слоев верхних переходов свет будет поглощаться в значительно большем объеме материала, чем в случае с плоской конструкцией ФЭП. Фототок, генерируемый таким ФЭП, оказывается значительно больше, чем в отсутствие волокон. Более того, данная конструкция позволяет добиться снижения толщины активной области, что в случае p-i-n и p-n структуры ФЭП позволит повысить напряжение холостого хода каскада, в первом случае из-за большей величины тянущего поля, а во втором - из-за снижения потерь на рекомбинацию носителей заряда в объеме активного слоя.
Предлагаемая конструкция ФЭП отличается наличием на подложке вертикально ориентированных волокон изготовленных путем травления подложки с помощью маски. Маска может быть изготовлена путем самоупорядоченного слоя полимерных сфер. Сформированные таким образом волокна находятся на расстоянии друг от друга не меньшем, чем две суммарные толщины всех последующих осажденных на волокна слоев, на которые осаждаются слои, составляющие каскад фотопреобразовательной структуры.
Техническим результатом, получаемым в результате применения изобретения, является увеличение тока короткого замыкания верхнего перехода или переходов ФЭП, и как следствие - повышение КПД всего ФЭП.
Проведенный теоретический расчет показал, что при использовании вертикально-ориентированной конструкции верхнего перехода удается повысить в 1,5 раза значение тока короткого замыкания верхнего каскада на основе GaPN p-i-n структуры - необходимого условия для согласования токов между верхним и нижним переходом (Фиг. 1).
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Зависимость тока короткого замыкания GaPN p-i-n ФЭП от толщины i-слоя при использовании плоской конструкции (а) и при использовании массива вертикально-ориентированных волокон (б).
Фиг. 2. Схематичное изображение конструкции ФЭП, изготовленного с использованием массива вертикально-ориентированных волокон. 1 - контактная площадка, 2 - слой просветляющего покрытия или прозрачного проводящего оксида, 3 - верхний p-n или p-i-n переход, 4 - туннельный переход для электрического соединения каскадов, 5 - слой широкозонного окна и (или) эмиттера нижнего перехода, 6 - сформированное волокно, 7 - слой или пластина кристаллического кремния, 8 - слой тыльного потенциального барьера нижнего перехода, 9 - тыльный контакт.
Фиг. 3. Изображение сканирующей растровой микроскопии ФЭП, изготовленного с использованием массива вертикально ориентированных волокон.
Фиг. 4. Зависимость внешней квантовой эффективности ФЭП от длины волны при использовании плоской конструкции (а) и при использовании массива вертикально направленных цилиндров (б).
Осуществление изобретения
Технический результат достигается тем, что на подложку методом центрифугирования из коллоидного раствора сфер наносят один монослой из полимерных сфер диаметром от 0,1 до 5 мкм. Затем методом плазмохимического травления осуществляют травление на глубину от 0,5 до 10 мкм. Травление проводится во фторсодержащей среде с использованием гексафторида серы (SF6) или тетрафторида углерода (CF4) при температуре подложек от -150 до 60°С, удельной мощности плазмы 0,1-2,5 Вт/см2, и давлении 2-30 мТорр. Полимерные сферы выступают в качестве масок травления. В итоге на местах, где находились сферы, после травления формируются вертикально ориентированная столбчатая структура из материала подложки. Сферы удаляют с помощью обработки в полярном органическом растворителе (например, хлороформ) при комнатной температуре или кипячении или обработки в кислородной плазмы при температуре процесса травления, давлении 2-30 мТорр, удельной мощности плазмы 0,1-2,5 Вт/см, после отравления сфер в кислородной плазме дальнейшая обработка в полярном органическом травителе не требуется.
Волокна сразу после травления имеют высокую шероховатость и структурные дефекты в приповерхностном слое. Толщина дефектного приповерхностного слоя может составлять от 5 до 50 нм. Таким образом, после плазмохимического травления проводят удаление приповерхностного дефектного слоя методом изотропного жидкостного травления в растворе гидроксида тетраметиламмония (0,5-2%) при комнатной температуре в течение 10-30 минут.
Затем с поверхности подложки с вертикально ориентированной столбчатой структурой производят удаление оксидного слоя методом жидкостного травления с использованием 3-10% раствора плавиковой кислоты, после чего на поверхность последовательно осаждаются полупроводниковые слои твердых растворов на основе соединений А3В5 или a-SiC:H, формирующие нижний переход с кремнием и один или несколько верхних переходов фотоэлектрического преобразователя (Фиг. 2). Изображение изготовленного таким образом ФЭП, полученное с помощью растрового электронного микроскопа представлено на Фиг. 3. Измеренные спектральные зависимости внешней квантовой эффективности изготовленного ФЭП показаны на Фиг. 4. Из Фиг. 4 видно, что использование вертикально ориентированных волокон приводит к увеличению внешней квантовой эффективности ФЭП как в коротковолновой, так и длинноволновой частях спектра по сравнению с традиционной планарной (плоской) структурой.
Список литературы
1. Гужулев Э.П., Горюнов В.Н., Лаптий А.П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Монография. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. - 272 с.
2. Интернет ссылка https://cleantechnica.com/2017/05/08/germany-breaks-solar-record-gets-85-electricity-renewables/ Дата посещения ресурса 14.06.2017.
3. Martin A. Green et. al. // Prog. Photovolt: Res. Appl. 2017; volume 25: Pages 668-676.
4. Geisz JF, Olson JM, Friedman DJ et al. 31th IEEE PVSC; 2005, p.695.
5. 
E, 
I, Rey-Stolle I, Algora C, 
D. Integration of III-V materials on silicon substrates for multi-junction solar cell applications. Proceedings of the 8th Spanish Conference on Electron Devices; 2011, pp.1-4.
6. Д.А. Кудряшов, A.C. Гудовских, Е.В. Никитина, А.Ю. Егоров. Разработка конструкции многопереходных солнечных элементов на основе GaPNAs/Si гетероструктур методом компьютерного моделирования // Физика и техника полупроводников, Т. 48, №3, 2014. Стр. 396-401 /D.A. Kudryashov, A.S. Gudovskikh, Е.V. Nikitina and A. Yu. Egorov. Design of Multijunction GaPNAs/Si Heterostructure Solar Cells by Computer Simulation // Semiconductors, 2014, Vol. 48, No. 3, pp. 381-386/.
Claims (3)
1. Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой, отличающаяся тем, что путем формирования на поверхности слоя или пластины кристаллического кремния рельефа из периодической вертикально-ориентированной столбчатой структуры с волокнами диаметром 0,1-2,5 мкм и высотой 0,5-10 мкм, находящимися на расстоянии друг от друга не меньшем, чем две суммарные толщины всех последующих осажденных на волокна слоев, на поверхности периодической вертикально-ориентированной столбчатой структуры нанесены полупроводниковые слои твердых растворов на основе соединений А3В5, нанесенные с помощью метода газофазного осаждения или метода молекулярно-пучковой эпитаксии, или на основе соединений a-SiC:H, осажденных методом плазмохимического осаждения, для формирования нижнего перехода на основе кристаллического кремния и формирования одного или нескольких верхних р-n или p-i-n переходов фотоэлектрического преобразователя.
2. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что используются слои кристаллического кремния толщиной 2-20 мкм, сформированные на несущей подложке, в том числе гибкой.
3. Способ изготовления периодической вертикально-ориентированной столбчатой структуры, отличающийся тем, что происходит нанесение методом центрифугирования из коллоидного раствора сфер одного монослоя полимерных сфер диаметром от 0,1 до 5 мкм, последующее плазмохимическое травление на глубину от 0,5 до 10 мкм, удаление полимерных сфер, химическую обработку поверхности и нанесение полупроводниковых слоев твердых растворов на основе соединений А3В5, плазмохимическое травление проводится во фторсодержащей среде с использованием гексафторида серы (SF6) или тетрафторида углерода (CF4) при температуре подложек от -40 до 20°С, удельной мощности плазмы 0,1-2,5 Вт/см2, и давлении 2-30 мТорр, удаление полимерных сфер осуществляют с помощью химической обработки в полярном органическом растворителе (например, хлороформ) при комнатной температуре или кипячении, или осуществляют с использованием кислородной плазмы при давлении 2-30 мТорр, удельной мощности плазмы 0,1-2,5 Вт/см2, температура образцов поддерживается такой же, как и температура процесса травления кремния, обработка поверхности кремния заключается в жидкостном химическом стравливании 5-50 нм кремния в растворе гидроксида тетраметиламмония (0,5-2)% при комнатной температуре в течение 10-30 минут, последующей промывке в деионизованной воде и удалении оксида кремния с поверхности с использованием (3-10)% раствора плавиковой кислоты, нанесение полупроводниковых слоев А3В5 осуществляется с помощью метода газофазного осаждения из металлорганических соединений, включая атомно-слоевое плазмохимическое осаждение.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140035A RU2724319C2 (ru) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой на основе интеграции полупроводниковых соединений и кристаллического кремния и способ его изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140035A RU2724319C2 (ru) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой на основе интеграции полупроводниковых соединений и кристаллического кремния и способ его изготовления |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017140035A RU2017140035A (ru) | 2019-05-16 |
| RU2017140035A3 RU2017140035A3 (ru) | 2019-05-16 |
| RU2724319C2 true RU2724319C2 (ru) | 2020-06-22 |
Family
ID=66548819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017140035A RU2724319C2 (ru) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой на основе интеграции полупроводниковых соединений и кристаллического кремния и способ его изготовления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2724319C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2802547C1 (ru) * | 2023-02-14 | 2023-08-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Фотоэлектрический преобразователь узкополосного излучения |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011033464A1 (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-24 | Oerlikon Solar Ag, Trübbach | Photovoltaic cell and method for producing a photovoltaic cell |
| US8624107B2 (en) * | 2005-08-18 | 2014-01-07 | Banpil Photonics, Inc. | Photovoltaic cells based on nanoscale structures |
-
2017
- 2017-11-16 RU RU2017140035A patent/RU2724319C2/ru not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8624107B2 (en) * | 2005-08-18 | 2014-01-07 | Banpil Photonics, Inc. | Photovoltaic cells based on nanoscale structures |
| WO2011033464A1 (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-24 | Oerlikon Solar Ag, Trübbach | Photovoltaic cell and method for producing a photovoltaic cell |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2802547C1 (ru) * | 2023-02-14 | 2023-08-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Фотоэлектрический преобразователь узкополосного излучения |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2017140035A (ru) | 2019-05-16 |
| RU2017140035A3 (ru) | 2019-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6300557B1 (en) | Low-bandgap double-heterostructure InAsP/GaInAs photovoltaic converters | |
| KR100847741B1 (ko) | ｐ-ｎ접합 계면에 패시베이션층을 구비하는 점 접촉 이종접합 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법 | |
| US20130174896A1 (en) | Tandem solar cell using a silicon microwire array and amorphous silicon photovoltaic layer | |
| Dzhafarov et al. | Porous silicon and solar cells | |
| CN103000709B (zh) | 背电极、背电极吸收层复合结构及太阳能电池 | |
| CN101700872B (zh) | 铜铟镓硒纳米线阵列及其制备方法与应用 | |
| Maqsood et al. | Assessment of different optimized anti-reflection coatings for ZnO/Si heterojunction solar cells | |
| JPH06104463A (ja) | 太陽電池およびその製造方法 | |
| RU2724319C2 (ru) | Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой на основе интеграции полупроводниковых соединений и кристаллического кремния и способ его изготовления | |
| Gudovskikh et al. | Multijunction a-Si: H/c-Si solar cells with vertically-aligned architecture based on silicon nanowires | |
| KR100995833B1 (ko) | 유기물-무기물 복합재료를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 | |
| CN210866245U (zh) | 一种氮化镓微米线阵列光电探测器 | |
| Das et al. | High-efficiency solar cells based on semiconductor nanostructures | |
| Wehrer et al. | InGaAs series-connected, tandem, MIM TPV converters | |
| Simashkevich et al. | Efficient ITO-n Si solar cells with a textured silicon surface | |
| Naghavi et al. | Toward high efficiency ultra-thin CIGSe based solar cells using light management techniques | |
| CN110578176A (zh) | 小绒面的单晶高阻密栅太阳电池制绒促进剂及其使用方法 | |
| Jäger et al. | Improving Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells From an Optical Viewpoint | |
| Tang et al. | Improving the Performance of Solar Cells Under Non-Perpendicular Incidence by Photonic Crystal | |
| Liu et al. | The fabrication and photoelectric properties of the nanopillar arrays for solar cell | |
| Ašmontas et al. | Suppression of hot carriers by nanoporous silicon for improved operation of a solar cell | |
| KR101628957B1 (ko) | 패터닝된 그리드전극과 이를 적용한 박막 태양전지 및 이들의 제조방법 | |
| Dang et al. | CdS nanowire layers of enhanced transmittance for window layer applications in thin film solar cells | |
| Dyadenchuk | Modeling of Photovoltaic Characteristics of a TiO2/Porous-Si/Si-Based Heterojunction Solar Cell | |
| US20140041717A1 (en) | Ultra thin film nanostructured solar cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20190611 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20200327 |
|
| HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant |