WO2009142529A1 - Преобразователь электромагнитного излучения и батарея - Google Patents

Преобразователь электромагнитного излучения и батарея Download PDF

Info

Publication number
WO2009142529A1
WO2009142529A1 PCT/RU2008/000314 RU2008000314W WO2009142529A1 WO 2009142529 A1 WO2009142529 A1 WO 2009142529A1 RU 2008000314 W RU2008000314 W RU 2008000314W WO 2009142529 A1 WO2009142529 A1 WO 2009142529A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conductivity
type
regions
converter according
deflecting
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000314
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Броня Цой
Юрий Дмитриевич БУДИШЕВСКИЙ
Валерьян Эдуардович ЦОЙ
Татьяна Сергеевна ЦОЙ
Original Assignee
Tsoi Bronya
Budishevsky Jury Dmitrievich
Tsoi Valeryan Eduardovich
Tsoi Tatyana Sergeevna
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsoi Bronya, Budishevsky Jury Dmitrievich, Tsoi Valeryan Eduardovich, Tsoi Tatyana Sergeevna filed Critical Tsoi Bronya
Priority to US12/993,359 priority Critical patent/US20110248370A1/en
Priority to EP08874414.9A priority patent/EP2323170A4/en
Priority to CN200880130438.4A priority patent/CN102187469B/zh
Priority to EA201001707A priority patent/EA017920B1/ru
Priority to KR1020107028663A priority patent/KR101111215B1/ko
Priority to PCT/RU2008/000314 priority patent/WO2009142529A1/ru
Publication of WO2009142529A1 publication Critical patent/WO2009142529A1/ru
Priority to ZA2010/09081A priority patent/ZA201009081B/en

Links

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
    • H01L31/06—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 characterised by potential barriers
    • H01L31/068—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 characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • 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
    • H01L31/0248—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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/03529—Shape of the potential jump barrier or surface barrier
    • 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
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to broadband converters of electromagnetic radiation (EMR), as well as to batteries or modules based on them, directly converting the incident radiation into electromotive force (EMF) both in optically visible and invisible, in IR, UV, X-ray frequency range and above.
  • EMR electromagnetic radiation
  • EMF electromotive force
  • Photoelectric converters on semiconductor materials convert a narrow part of the spectrum of the solar electromagnetic radiation. This is the visible frequency range (10 14 - 10 15 Hz), including a limited portion of the IR (slightly below 10 14 Hz) and the UV range (slightly above 10 15 Hz) reaching the Earth's surface at good
  • the short-wavelength part of the EMR spectrum in particular, UV radiation, despite its small fraction in the solar spectrum (about 5%), is of no less interest due to the high photon energy. If the photon energy is visible
  • SUBSTITUTE SHEET part of the world reaches up to 3.3 eV
  • the UV region has 3.3 - 120 eV
  • photons with an energy of 3.3 -5.5 eV reach the earth's surface without obstacles. Therefore, the short-wavelength part, especially for semiconductors such as silicon, for which one of the spectral absorption maxima is in the short-wavelength region, is of considerable interest for both space and ground-based structures of solar cells.
  • a solar cell or solar cell is made on the basis of a plate (substrate) made of a semiconductor material, for example, silicon.
  • an electron – hole transition is created by an impurity, which ensures the creation of a surface layer with conductivity of the opposite type.
  • concentration of dopant in this layer should be significantly higher, than the concentration of the impurity in the base (initial) material, in order to neutralize the main free charge carriers existing there and create the opposite type of conductivity.
  • the lower and upper electrical contacts are made, and the lower contact to the shadow side is, as a rule, continuous, and the upper, to the illuminated one, is made in the form of a comb structure (stripes 150-250 ⁇ m wide, spaced from each other at a distance of 2000-3000 ⁇ m from calculation 5 -10% JIC shading and connected to a wider bus).
  • the contact of p and n semiconductors leads to the formation of a contact electric field between them, which plays an important role in the operation of the solar cell.
  • the surface of the plate from the shadow side is additionally adjusted.
  • Standard, solid, single junction converters are made on a p-type or i-type semiconductor.
  • p-type silicon substrates preference is given to p-type silicon substrates, in which the mobility of non-main charge carriers (NSC) - electrons - is 3 times higher than the mobility of holes.
  • NSC non-main charge carriers
  • the type of conductivity is conditionally called the first type
  • p conductivity is called the second type of conductivity (respectively: the region of the first conductivity type and the region of the second conductivity type).
  • ⁇ c is 0.5–0.9 V, which is quite enough to create highly efficient SCs.
  • BOP potential barrier
  • NRNZ h + in the n + layer is negligible, strongly depends on the diffusion conditions, and decreases due to the formation of dislocations and the allocation of excess phosphorus in the form of ⁇ S ⁇ -precipitates.
  • the + layer near the surface with a high content of SiP precipitates is usually called the dead layer, because this region is electrically inactive - phosphorus is not located at the sites of the silicon lattice.
  • this layer is not so electrically inactive: on the one hand, this is a short lifetime of A + ; in addition, due to scattering on precipitates, the diffusion velocity h + slows down so that the NRNs, in this case A + , formed due to the absorption of the most active, “blue” part of the spectrum, do not participate in the photocurrent, i.e. n + layer cuts off the high-frequency component of the elec- electromagnetic radiation spectrum (Ravy K. Defects and impurities in semiconductor silicon. Moscow, ed. Mir, 1984. 470 s).
  • the high content of free main charge carriers - electrons in the n + layer significantly changes the reflectivity of silicon: the higher the doping level, the higher the reflection coefficient (Zaveryukhin B.N., Zaveryukhina HH, Tursunkulov OM / Changes in the reflection coefficient of radiation from the surface of the semiconductor in the spectral range ⁇ 0.2 - 20 ⁇ m under the influence of ultrasonic waves // Letters to ZhTF, 2002, v.28, issue 18. Cl-12).
  • the high electron content in the l + layer is the reason for cutting off a significant part of the short-wavelength spectrum of electromagnetic radiation. Therefore, to increase the efficiency of the photomultiplier, this layer is made as thin as possible, which in turn can increase the internal resistance of the photomultiplier. That is, in the design of known photovoltaic photovoltaic devices, competing processes that fundamentally limit their effectiveness are initially incorporated in the photomultiplier.
  • JP 3206350 B2 presents an SE in which a p + layer is formed under the n + layer to increase the potential, i.e. e. open circuit voltage.
  • a constructive implementation can increase efficiency, but to a small extent.
  • Photovoltaics materials, technologies, prospects. // Electronics : science, technology, business. 2000. N ° 6. - P. 40-46) or the use of a transparent conductive layer I TCO or ITO (which is both an antireflective antireflection layer) and the use of a wire contact system under a layer of laminate (Untila G.G., Kost T.N., Sachs M.B. et al. / A new type of highly efficient double-sided silicon solar cells with external tires and wire contact mesh. // Physics and Technology of Semiconductors. 2005, vol. 39, vl. l l. ⁇ .1393-1398), as a result of which an efficiency of 17.7% was achieved.
  • a known converter (US Patent 6,998,288 Bl dated 02/14/2006) with a front repulsive layer and a rear (shadow) comb contact system, the efficiency of which reaches up to 20%.
  • the doped frontal layer does not participate in the collection of NRNZ, i.e. in the internal resistance of the element, so it can be formed thin and moderately alloyed.
  • the implementation of such systems is not technically difficult, but is associated with a number of conditions: Halogen-free base material, zone melting silicon, which must meet a number of stringent requirements (high lifetime and high uniformity). Those.
  • cascade converters are known (Alferov Zh.I., Andreev BM, Rumyantsev B.D. / Trends and Prospects for the Development of Solar Energy. // Physics and Technology of Semiconductors. 2004, v. 38, issue 8. C.937 - 948 ; Meytin M .. / Photovoltaics: materials, technologies, prospects. // Electronics: science, technology, business. 2000. N ° 6. - P. 40-46), the effectiveness of which reaches 36%.
  • Most SCs are based on single junction devices. In a single-junction element, free charge carriers are created only by those photons whose energy is greater than or equal to the band gap of the SCZ.
  • the efficiency of photomultiplier tubes from the prior art is limited, on the one hand, by the narrow part of the conversion spectrum of the incident EMP, and on the other hand, by the low technique of converting the EMP transducer entering the inside, i.e. a small value of the coefficient of internal transformation, due mainly to recombination processes and a large internal resistance of the element.
  • the aim of the invention was to provide highly efficient broadband converters having a high internal conversion of EMPs operating in a wide range of frequencies (from IR radiation to UV and above) and the intensities of incident EMP.
  • Such converters should also have higher efficiency and power than analogues known from the prior art and should have high accuracy and stability of the output electrical characteristics, and should also work in conditions of significant temperature and radiation fluctuations.
  • the converters must be not only technically, but also cost-effective, be relatively cheap and technologically adaptable to the modern level of semiconductor production. In this case, the implementation of these converters should take a minimal amount of semiconductor material.
  • the substrate has a second conductivity type so that these regions of the first conductivity type form N> with the substrate
  • 1 pn junctions connected in a current unit, outside the regions of the first conductivity type, isotype junctions are formed on the front side of the substrate, creating neo novnym charge carriers repulsive izotip- nye barriers.
  • At least part of the front side of the substrate can be textured.
  • an antireflective layer can be applied on the front side of the substrate.
  • local centers of absorption of electromagnetic radiation and injection of nonequilibrium charge carriers are introduced into the substrate, creating concentration gradients of nonequilibrium charge carriers.
  • doped in-depth isotypic deflecting regions are formed on the front side of the substrate outside the regions of the first type of conductivity, creating a concentration gradient of nonequilibrium charge carriers with respect to the region or regions of the second type of conductivity.
  • the regions of the first type of conductivity are preferably spaced from each other at distances commensurate with the diffusion length of the nonequilibrium charge carriers.
  • the back side of the substrate may contain doped, deep discrete collecting regions of the second type of conductivity, forming local isotype junctions with the substrate material, combined by local contacts and the rear conductive electrode into the back opposite current node.
  • the substrate on the back side may contain N> 1 discrete local collecting regions of the first type of conductivity and N discrete pn junctions connected by the second current collecting electrode to the second back current unit.
  • a dielectric layer having windows, at least in the regions where discrete local N regions with conductivity of the first type are located, providing contact of the first electrode with these regions.
  • N> 1 N regions with the conductivity of the first type on the front side of the substrate are made separate and of the same type, with the formation of N separate and of the same type pn junctions.
  • the indicated region with the conductivity of the first type may contain M> 1 doped connecting sections of the first type of conductivity in the form of separate rectangular thin stripes of the same type.
  • the specified region with the conductivity of the first type may contain M> 1 doped connecting sections of the first type of conductivity, located with the formation of the grid.
  • pn junctions with adjacent collecting regions are brought out to the side and front surfaces of the front side.
  • Each of these X doped deflecting regions may have a second type of conductivity
  • X deflecting regions may include regions of both the first and second type of conductivity, or each of these X doped deflecting regions has a first type of conductivity.
  • said doped deflecting regions are discrete, however, at least a portion of the doped deflecting regions with the same type of conductivity can be connected by connecting sections of the same type of conductivity into loops.
  • At least one of the N collecting regions with conductivity of the first type, made on the front side of the substrate, can be located in the circuit formed by the deflecting regions.
  • said X doped deflecting regions may be in the form of a continuous closed loop (ring or belt), and at least one of the N collecting regions may be located within said continuous closed loop.
  • N collecting doped regions with the first type of conductivity on the front side of the substrate and doped deflecting regions they are located in alternating discrete quantum recesses with a period of F ⁇ 2 /, where / is the diffusion length of nonequilibrium charge carriers, and these traps are made on the front side of the substrate, and the collecting regions of the first type are located in the same recesses, and the deflecting areas are in other recesses along the location of the recesses with the conductivity of the first type at a distance Heat-F from the nearest recess.
  • the converter further comprises an additional third (or second front) collector electrode connected to each or at least one of the indicated X doped deflecting regions with conductivity of the second type.
  • At least one deflecting field electrode is located on top of the dielectric layer.
  • the first collecting electrode connected to each of the N regions of the first type of conductivity can be expanded and overlapping in plan each individual specified region with the conductivity of the first type to which it is connected, and the first electrode can be connected to the deflecting field electrode to form a single expanded collecting - deflecting electrode.
  • the specified expanded collecting - deflecting electrode is preferably, but not necessarily made of optically transparent (or translucent) conductive material (for example, Si *, TCO, ITO).
  • the specified extended collecting - deflecting field electrode can also be made continuous on the entire front side of an optically transparent conductive material (for example, Si *, TCO, ITO).
  • the first electrode can be placed around the perimeter of each of the N collector regions on the front side, deflecting areas can be located around the perimeter of the first electrode.
  • a third electrode (or the first drift electrode on the front side) is formed outside the collecting - deflecting electrode along its perimeter, which forms a drift field when the bias potential is applied. Under the drift electrode, deflecting regions of the first type of conductivity can be located.
  • a field drift electrode (the second drift electrode on the front side) located above the deflecting regions of the second type of conductivity is also formed between the first and drift electrodes.
  • the second drift electrode on the front side is preferably electrically connected to the substrate.
  • Y> 1 thin electrodes are placed on the front side, combined into a current node and, moreover, the step between the electrodes is comparable with the diffusion length of nonequilibrium charge carriers.
  • the regions with the conductivity of the first type on the front side and the regions of the second type of conductivity on the front side can be coated with microlenses or microprisms.
  • the reverse side of the substrate with the conductivity of the second type contains W> 1 individual deflecting-collecting doped regions with the conductivity of the second type, combined into a current unit by means of a continuous second electrode.
  • These individual W> 1 doped deflecting-collecting regions are preferably made of the same type.
  • the reverse side may also contain V> 1 doped deflecting - collecting regions of the first type of conductivity, each of which is connected by the fourth electrode to the current node. Further, the reverse side may contain additional discrete deflecting regions of the first conductivity type located on the deflecting periphery of the collecting regions with conductivity of the second type and the first type or, alternatively, the reverse side may contain additional discrete deflecting regions of the second type of conductivity located between these discrete deflecting regions of the first type of conductivity.
  • the converter is preferably made on a semiconductor substrate with a thickness commensurate with or less than the diffusion length of the nonequilibrium charge carriers.
  • On the front or back side of the semiconductor substrate can be placed Z areas with a source of additional electromagnetic radiation, for example, station-90.
  • a battery comprising J> 1, where J is an integer, of converters made according to any of the previously described options having a polygonal shape of the outer edge and connected to each other in a series and parallel electrical circuit.
  • the outer edge of the transducers may have a hexagonal configuration.
  • a battery comprising J> 1, where J is an integer, of converters made according to any of the previously described embodiments having a pseudo-hexagonal shape of the outer edge and connected to each other in a series and parallel electrical circuit.
  • a battery comprising J> 1, where J is an integer of thin feed-through transducers, made according to any of the previously described options, arranged in a stack and connected together in series-parallel electrical circuit, and placed in a stack in this sequence that the upper layer or cascade converts the short-wave part of the spectrum of the incident radiation, and each subsequent lower cascade or layer in the foot converts a longer wave.
  • the conductivity of the first type means p-conductivity or p-conductivity
  • the conductivity of the second type respectively, opposite to the first - n conductivity or p-conductivity.
  • the invention is based on the control of recombination processes and the concentration gradient of NRNZ, the natural properties of materials associated with their natural discrete - heterogeneous structure and phenomena based on the targeted application of these properties and phenomena: the beam effect, or the current node, the effect of the ⁇ -shaped trajectory of the motion of charges in discrete converters, and other phenomena and properties.
  • Economic efficiency is achieved not only due to technical efficiency and increased efficiency, but also by the fact that the invention uses the optimal minimized design using the minimum amount of substrate material, and by using the optimal configuration of the elements and their placement in the battery.
  • the efficiency of the photomultiplier is increased both by expanding the range of the converted EMR spectrum, and by significantly improving the conversion technique by reducing the recombination losses, as well as reducing losses from radiation transmission without absorption, reducing losses from thermal scattering and reducing losses from the internal resistance of the converter.
  • the internal conversion coefficient (the ratio of the output power to the power that has got into the inside of the converter) in such solar cells is small and it coincides with the efficiency (the ratio of the output power to the incident power).
  • the coefficient of internal transformation (KVP) of modern highly efficient silicon converters is not more than 25%.
  • This technique is based on the breaking of a continuous layer of a single-junction SC and to a decisive transition from solid (continuous) single-junction converters to discrete multi-junction according to the invention.
  • the main reason for cutting off the UV part of the EMR spectrum is the high electron content in the n + layer located on the entire front surface of a continuous single-junction solar cell (Ravy K. Defects and impurities in semiconductor silicon. Moscow, ed. Mir, 1984. 470 s ) Therefore, in order for UV quanta to enter the semiconductor and be absorbed, it is necessary to open windows for them to pass inside the solar cell, i.e. it is necessary to break the continuous n layer or to design the front part of the converter with windows without an n + layer. This condition corresponds to the design of the converter that we propose with local discrete pn junctions and a torn collecting layer, in the continuity gaps of which optical windows are located.
  • the above-mentioned method of expanding the absorption range of the cold part of the EMR spectrum does not allow to expand towards the long-wave part.
  • the authors propose a local introduction of discrete multi-junction (heterojunction) structures into the semiconductor.
  • a multi-junction discrete structure in a semiconductor is formed upon the local introduction of impurity centers (either clusters, or bands, or nanoparticles, or absolutely black inhomogeneities) of absorption and injection of photons of various lengths from short-wave UV to long-wave IR.
  • impurity centers either clusters, or bands, or nanoparticles, or absolutely black inhomogeneities
  • This technique when applied locally, simultaneously creates the charge concentration gradient regions necessary for diffusion and movement of the generated charges to the current-collecting elements and further into the external circuit of the converter.
  • NCH nonequilibrium non-basic charge carriers
  • EHP EHP are formed — holes in a p-semiconductor and electrons in a p-semiconductor. In the presence of a concentration gradient, they diffuse to the pn junction, are picked up by its field and are thrown into a semiconductor of the opposite type of conductivity, in which they become the main carriers. In this case, the electrons will be localized in the p-type semiconductor, and the holes will be localized in the p-type semiconductor. As a result, the p-type semiconductor receives an excess positive charge, and the p-type semiconductor receives a negative.
  • the front side structure is a solid (integral without gaps) doped or diffusion region of the same name or region.
  • silicon carbide particles, gallium arsenide, indium compounds with copper, germanium, or oxygen, which forms a (-Si-O) bond with silicon can be introduced locally (not homogeneously!) -Si-) and a number of other compounds.
  • These compounds give a spectral absorption maximum for specific EMR lengths.
  • Wide-gap materials give a maximum of absorption in the short-wavelength, and narrow-gap materials in the long-wavelength region of the EMR spectrum.
  • two spectral absorption maxima appear: one in the region of 0.5 ⁇ m, and the other in the region of 0.7 ⁇ m.
  • the first of them relates to impurity, and the second to its own maximum absorption of silicon.
  • the presence of oxygen in silicon gives the maximum spectral absorption at an EMP length of 5-6 ⁇ m, etc.
  • oxygen is removed, however, according to our invention, it is necessary for absorption of the long-wavelength IR region of electromagnetic radiation.
  • a broadband PEC it is proposed, as an option, to use silicon as the base material (any other semiconductor can be used).
  • silicon any other semiconductor can be used.
  • a sufficiently large number of local discrete pn junctions are created (it is preferable that their number be N> 1 and N - 10) and open discrete p conductivity regions for penetration short-wave quanta, then, in any known manner, particles of material of various SCZs and sizes, up to nanoparticles, are introduced.
  • gallium arsenide, germanium or oxygen, or silicon carbide can be introduced. In this case, materials with a large SCZ are introduced into the upper layers of the substrate, and with a smaller band gap in the lower layers.
  • Discrete gallium arsenide particles having a SCZ larger than that of silicon are embedded in the upper surface layer on the front side of the substrate to a penetration depth of UV quanta of 3-5 ⁇ m, and germanium or oxygen are embedded in the lower layers of the substrate.
  • Gallium arsenide or another wide-gap semiconductor is needed to obtain a photoresponse to the short-wave, but high-energy UV part of the EMP spectrum.
  • the near-surface silicon layer filled with the addition of gallium arsenide to a depth of 3-5 ⁇ m, or another material with a larger than SCZ gallium arsenide, is a kind of trap for absorbing UV quanta.
  • the impurity local discrete filling of the photomultiplier substrate with narrow-band materials (for example, germanium, oxygen, or the KPT alloy - cadmium-mercury-tellurium - etc.) is a trap for long-wave infrared radiation.
  • the penetration depth of the EMP in such a pie is different depending on the length of the incident radiation.
  • UV photons will be absorbed forward. Then the photons are absorbed, which have less energy, but penetrate to a greater depth - they are purple photons.
  • violet photons are blue, yellow, orange, red, etc., and for the IR part of the EMR spectrum, base silicon will already be transparent, but it will be absorbed by narrow-gap germanium, or by the combination of silicon with oxygen, or other narrow-gap material that is doped below the gallium arsenide layer.
  • KPT alloys with ultra-narrow SHZZ further expands the range of EMR conversion up to medium and far infrared radiation.
  • the proposed semiconductor substrate filled with additional absorption centers will absorb EMR and generate electron-hole pairs (EHPs) in a wide range of incident radiation - from IR to UV and above.
  • FIG. 119 shows the experimental spectral characteristic of solar cells made of pure silicon and made of "dirty” technical silicon with an admixture of oxygen.
  • pure silicon has a fairly narrow conversion range compared to “dirty silica”. This allows only using “dirty silicon” to reduce the cost of the substrate material by a solar cell by one order of magnitude.
  • the expansion of the range of converted EMP waves is solved by a fundamentally new way of physically modifying the structure of semiconductors — by creating discrete local transitions by introducing additives that create a multi-junction structure and concentration gradient of NRNZ in the base semiconductor, which is necessary for diffuse advancement of NRNZ and current generation in the converter.
  • the design of the front discontinuity discontinuity transducer output to the front side of the substrate subjected to electromagnetic radiation, along with a doped collecting layer (doped collecting regions) of the first type conductivity (p-type or p-type) of portions of the second, opposite type of conductivity (respectively, p-type or p-type - the design "the displaced layer", "the easy-off layer”).
  • the regions of the second type of conductivity can be the regions of the substrate located between the doped collecting front regions of the first type of conductivity; alternation of doped regions of the first and second type of conductivity on the front side is also possible.
  • an isotype n + np + p back barrier is used, which reduces the surface recombination rate of minority NRHs at the ohmic contact.
  • This barrier is created, as a rule, by short-term diffusion of an additional amount of dopant from the back surface.
  • isotype transitions are not created in the opposite, but on the side, or in the plane of the location of the discrete local pn junctions.
  • the isotype n + np + p barrier can be formed in various ways: diffusion, ion doping, and a combination of these methods.
  • a near-surface layer of increased concentration may be induced by a charge embedded in a passivating dielectric and / or antireflective coating and / or field of a field electrode, as in the present invention.
  • highly doped layers of the second conductivity type are formed, which form isotype p + p transitions with regions of the second conductivity type. These isotype transitions create minority charge carriers of repulsive isotype barriers.
  • N discrete pn junctions form the first current node of the current lines of non-main nonequilibrium charge carriers, but the regions of highly alloyed discrete recesses with the second type of conductivity together with isotopic transitions and discrete local contacts of the rear side, the second current node forms the current lines of the main nonequilibrium charge carriers.
  • a jump-like drop in resistance occurs both due to the statistical spread (which will be discussed later on in the description) and the effect of the current node (or the beam effect), as well as to a decrease in the trajectory of movement of charges in the case of a ⁇ -shaped trajectory of motion of the NRNZ (Fig.
  • designs of solar cells with opposite current nodes are proposed by placing collecting regions with the first type of conductivity and N discrete transitions, not only on the front side, but also on the back side of the base region of the second type of conductivity.
  • Essentially in the invention is the reduction in the geometric dimensions of the pn junctions.
  • the linear dimensions of the transitions should be small (d - ⁇ ⁇ , where ⁇ is an infinitesimal value of the WBM), and their number up to N »l (ideally N - * • ⁇ , where oo is an infinitely large value of the WBM) and it is necessary to execute them from - sensible (not related to each other) and of the same type, i.e. essentially the same in size, configuration, and other technological conditions of manufacture.
  • the Converter is also characterized by the following new and different from the level of development of technology aspects:
  • SIPON local surface-volume inhomogeneities
  • SILON is formed by the local introduction of any inhomogeneities, including additives of various SCZs in the form of absorption and injection centers of electromagnetic radiation, affecting the concentration gradient of NSC.
  • local microlenses which concentrate (into a beam) EMR in local regions of the surface and volume of the semiconductor, increase the formation of the NRNZ gradient and thereby substantially increase the intensity of the incident radiation create a difference (gradient) in the concentration of NNRs in the absorbing region, which causes the intensification of the fundamental work FEP, diffusion (d ⁇ / d ⁇ ) component of current.
  • SILON is performed by any alternating local discrete surface-volumetric inhomogeneities, including opposite l + and p + regions in the surface structure and volume of the base semiconductor material (in this case, p-Si) and extends to any (semiconductor or other) materials that use diffusion - drift separation mechanisms of nonequilibrium NRNZ 4)
  • the authors use techniques aimed at localizing the process of conversion of the EHP and the creation of SIPON, which increases the efficiency of the diffusion component of the PEC current.
  • the invention uses an additional built-in field in the form of a drift field, as a result of which the converter efficiency is significantly increased.
  • the implementation of the invention is achieved by breaking the continuity of the collecting n + layer, incl. including the creation of local discrete areas of arbitrary shape and configuration, ohmically connected or not connected to each other and to the collecting electrode.
  • the collecting and + layer can be made in the form of a grid of discrete cells with the number N> 1 (as an option N »1) minimized by the size of cells of arbitrary shape and configuration (described above in the technique for localizing the EMR conversion process), or a surface-distributed comb structure , or any discrete elements.
  • any discrete element or cell is a localized region with an arbitrary configuration, combined by electrodes into one current node.
  • shaded zones on the front side of the transducer reduces the photosensitive absorption area (reducing the efficiency of the transducer), but on the other hand, enhances the concentration gradient of NRNZ, thereby increasing the magnitude and efficiency of the diffusion component of the current. It is preferable to make the shaded areas of a minimum size (for example, the size d of the conductive circuit, or the contacts, in width should tend to a sufficiently small value of ⁇ - to the size of the n + region). In the case of small linear dimensions, due to edge diffraction of electromagnetic radiation, shadowing will be practically absent.
  • Shaded areas can be / I + areas due to their increase in reflection coefficient, which depends on the concentration of free carriers in the reflective layer, as well as deflecting p + layers, metal buses and electrodes of the #i + collecting area, as well as any areas of the transducer front surface. Since the shading is carried out over the n + region or p + layers (which have a high reflectivity), the contribution of shading to a decrease in efficiency is reduced. Therefore, prevailing in increasing effective- One hundred transducers is the creation, due to shaded areas of heterogeneity, which ultimately creates the charge carrier concentration gradient (GKNZ) necessary for the process of charge diffusion and the photocurrent of the transducer. Shading areas can have any arbitrary configuration.
  • the heterogeneity zones should preferably be of the same type, separate and minimal, united by means of a conductor into one current node, and the configuration should be of arbitrary shape, and their number is preferably N »l.
  • the localization of the process of the conversion of the electron – hole converter and the associated decrease in the internal resistance of the pn junctions in the invention is solved by reducing the path of the charges along the ⁇ -shaped trajectory of the NRNZ motion and combining the set of N regions with the conductivity of the first type (for N > 1) into the first current node through the first electrode, which is adjacent to each of the indicated N regions and the second current node, by combining the reverse side of the high-alloyed depths in a parallel circuit with a conducting second electrode single regions of the second type of conductivity.
  • the second current node on the reverse side can be formed in bilateral discrete converters, combining in a parallel circuit junctions located on the back side.
  • each of the regions with conductivity of the first type under the first electrode the electrodes themselves can have any shape and configuration, in particular, they are rectangular, square, hexagonal (with different aspect ratios), octagonal (with different aspect ratios), etc.
  • N of regions with the conductivity of the first type to N »l, namely: (a) not less than 10, (b) not less than 50, (c) not less than 80, (d) not less than 100, (e) not less than 1000, (f) not less than 10,000, (g) not less than 100,000, (h) not less than 10,000,000, etc.
  • the size of the transition should tend to an infinitely small value, in the particular case, it should be pointwise.
  • the decrease in the internal resistance of the converter is, therefore, based on the use of new physical methods for modifying materials, leading to a decrease in the internal resistance R p and an increase in the sensitivity of the surface of the converter to EMR.
  • This simple but fundamentally new physical method of modification is based on the use of the beam or current node effect.
  • the effect of a beam or current node is realized for a sufficiently large number N> 1 (where N is an integer, the ideal case is when N - » • yes) of elements in the beam and that these elements are separate and of the same type.
  • the elements in this case, pn junctions with adjacent diffusion regions
  • the standard thickness of silicon wafers is preferably reduced from 300 to 400 microns to a thickness commensurate with the diffusion length NRNZ, for example, up to 70 microns or less.
  • the semiconductor material goes into a special physical state - a state with high values of physical characteristics. This is a manifestation of a common natural phenomenon - the large-scale effect of physical characteristics.
  • the physical characteristics of the substrate sharply improve: mechanical, electrical, thermal, etc.
  • the thickness of the silicon wafer must be reduced to achieve a technical and economic effect.
  • the consumption of semiconductor silicon as a whole can be reduced from 16 g / W - for a standard weight of a 100 mm ordinary solar wafer to 3-5 g / W.
  • the cost of one watt of energy only by saving the cost of the material can decrease from $ 6 / W to $ 3-4 / W.
  • silicon costs are further reduced when the hexagonal configuration of the arrangement and arrangement of solar cells is used in the invention (see below for a description of the arrangement of the converter according to the invention in a solar battery).
  • the scatter of the internal resistance of the pn junctions will be the greater, the smaller their geometric size and the adjacent diffusion regions. And the larger the spread and the number N of pn junctions, the greater the likelihood that in such a statistical sample (or in such a statistical beam) there will be pn junctions with zero or near zero values of the internal resistance pn transitions.
  • the total resistance will be lower than the lowest value according to the law of the shunt the resistance of an individual element of the circuit (i.e., the detected lowest value of resistance, which will be characterized by one - or several - of pn junctions in the circuit).
  • the variance of the resistance values decreases inversely with the number of pn junctions, i.e. the larger the number N pn junctions in these samples, the smaller the dispersion of the resistance values and the more stable the electrical parameters of such a semiconductor device.
  • the pn junctions should be separate and of the same type, and the size of the pn junctions in diameter should be minimal, i.e. pitted.
  • the pn junctions are discrete and the distances are comparable or less than the diffusion length of the NRN, so that their number tends to an infinitely large number, i.e. N ⁇ ⁇ , so that these transitions are of the same type, that they are separate, and linear dimensions (for example, diameter, in a circular configuration of diffusion and regions, i.e., pn junctions) of each of the N pn junctions would be sufficient small and ideally tended to an infinitely small value ⁇ - d- ⁇ ⁇ .
  • the total internal resistance of the pn junctions will tend to a minimum (zero) value. This is a consequence of a decrease in the active R (R ⁇ 0), capacitive C (C ⁇ 0) and inductive (L ⁇ 0) components of the total internal resistance R P pn junctions.
  • the quality factor Q in such a converter with an increase in the number N (N -> ⁇ ) of pn junctions tends to a sufficiently large value.
  • the boundary operating frequency, as well as the temperature resistance of the electrical parameters of the converter, together with a decrease in the values of R, C, L, will significantly increase.
  • the temperature resistance will increase up to a temperature close to the temperature of formation of the pn junction in semiconductor. Moreover, since the impedance decreases, the coefficient of internal conversion and the output power of the converter will increase. In the experiments of the authors, it was possible to obtain an internal conversion coefficient of more than 70-80%. Thus, increasing the number N and reducing the geometric dimensions of individual pn junctions, it is possible to perform a converter with a sufficiently high efficiency.
  • the drift of the resulting NRNs will accelerate and all that remains is to direct a small potential difference from the field of the transitions, which ultimately lead to a sharp increase in the current, power, and efficiency of the converter according to the invention.
  • the purposeful ordering of this movement suggests itself by supplying potential to the control electrode, which is done in a number of special cases (designs) of the present invention.
  • the third and fourth electrodes which are the control field electrodes.
  • the converters according to the invention can be made from a system of collector (current) receiving and deflecting (and guiding) field electrodes, which, using their own potential (0.3 - 0.5 V) pn junction create an accelerating field for the low voltage, i.e. .
  • a belt with a high-doped p + layer (or as an alternative n + layer) can be made, which is a deflecting and guiding system for NNZ.
  • a contact electrode system can be made on top of a highly alloyed belt from a transparent or other conductive material, to which a potential of not only 0.3-0.5 V from the converter itself is supplied, but also higher by a series connection of several separate elementary transducers.
  • the deflection system or element, if a potential difference is applied to it, is essentially a control field electrode (like control electrodes in MOS capacitors or transistors), which can be used to control the magnitude of the drift and total current at the output of the converter, i.e. .
  • the converter according to the invention in addition to everything else, can be a photocurrent amplifier.
  • As an interim option for reducing recombination according to the invention is created around and + deflecting belt of p + layer (or a combination of p + n + layers).
  • the front side offers, as an option, a contact electrode system made of undoped transparent conductive material, for example, Si * polysilicon, or from TCO or ITO (Untila G.G., Kost T.N., Sachs M.B. et al. / A New Type of High-Efficiency Double-Sided Silicon Solar Cells with External Busbars and Wire Contact Mesh. // Physics and Technology of Semiconductors. 2005, vol. 39, issue l l. C. 1393-1398) connected to a collecting metal electrode.
  • a contact electrode system made of undoped transparent conductive material, for example, Si * polysilicon, or from TCO or ITO (Untila G.G., Kost T.N., Sachs M.B. et al. / A New Type of High-Efficiency Double-Sided Silicon Solar Cells with External Busbars and Wire Contact Mesh. // Physics and Technology of Semiconductors. 2005, vol. 39, issue l l. C. 1393
  • NRNZ As another no less effective way to eliminate the recombination of NRNZ, as noted above, it is proposed to optimize the distance between the collector regions and elements, as well as the thickness of the base semiconductor Nika. To this end, it is proposed that these distances and the thickness of the substrate be performed with dimensions commensurate with the diffusion length of the NRNZ. Under these conditions, the charges will not recombine and reach their current collectors. Another way to eliminate recombination is to create isotopic transitions from both the rear and the front of the transducer, which are actually deflecting-collecting elements of the transducer.
  • the expansion of the converted frequencies in the direction of high-energy short-wave frequencies of electromagnetic radiation, as well as the reduction of surface and volume recombination of NRNZ can be carried out not only due to the above methods and effects, but also by creating deep quantum traps that provide capture and absorption short-wave frequencies not only on the surface, but also on the volume of the photomultiplier.
  • Quantum traps are pyramidal (truncated at the top of the pyramid) recesses located apex down. Any other geometric configuration can be tanned.
  • a collecting layer of the first type of conductivity is doped on the side inner surface of the pyramids. The areas of the first type of conductivity are adjoined by collector electrodes located along the depth of the trap, thereby ensuring the collection of charges from the depth of the converter substrate and eliminating surface and volume recombination. Between the pyramidal depressions with regions of the first conductivity type at a distance of step F, pyramidal depressions with regions of the second conductivity type are located.
  • the recesses on the JIC of the substrate with the conductivity of the second type of conductivity are arranged alternating between the regions of the first type of conductivity and the second type of conductivity with a period or step between them preferably equal to F ⁇ 2 / (where / is the diffusion length of the SCI). Thanks to this design, the depth and area of penetration of the high-energy short-wavelength part of the EMP spectrum into the semiconductor substrate increases. Moreover, the greater the depth of quantum traps, the more efficient is the capture of short-wave quanta over the volume of the transducer. Consequently, the deeper the quantum trap, the more short-wave high-energy quanta are captured by the volume of the converter and the greater will be the number of formed NRNs and the efficiency of the photomultiplier.
  • converters made according to the invention from traditional silicon semiconductors and filled with zone additives when the EDS conversion process is localized, by reducing the size (up to d ⁇ BMW) of diffusion n regions and increasing their number (up to N ⁇ BBV) will work in a wide frequency range EMR - from IR to UV, X-ray and above.
  • an additional source of electromagnetic radiation is built in - a layer with a radioactive chemical element with a sufficiently long half-life, which is currently used for biological purposes.
  • a thin layer for example, of radioactive strontium-90, emitting ⁇ -radiation with a half-life of 27.7 years, is deposited on the JlC converter (or alternatively on the OS), for example, under conductive circuits, buses or an electrode.
  • isotopes of chemical elements of the periodic system for example, the cesium isotope - cesium-137.
  • An additional built-in source is technically interesting in that the converter will practically function on it “forever”.
  • EMP electromagnetic radiation capable of forming nonequilibrium charge carriers in a converter.
  • the substrate (base) is a plate of any semiconductor material in which the elements of the transducer are formed.
  • a p-type conductivity substrate is taken as an example.
  • the front side of the JIC, the front side, the front surface is the side of the substrate that is exposed to or exposed to electromagnetic radiation.
  • the reverse side of the OS is the side of the substrate, opposite to the effect of EMP.
  • a photovoltaic photoelectric converter is a semiconductor device that converts EMR into electric current and photo emf.
  • the element of the transducer is an integral part of the transducer, a section (region) of the transducer having common functional properties. Collecting elements - doped sections (or regions) of the converter, forming p-p junctions with the substrate, providing current collection of NRNZ and having contact with external electrical circuits.
  • Deflecting elements - doped sections (or regions) of the converter which form and do not form pn junctions with the substrate, which ensure the deflection of the NRN.
  • Isotypic transitions are transitions created by the same (same type) regions or layers of conductivity, but with different impurity doping concentrations.
  • Field electrodes are electrodes to which the electric bias potential is applied.
  • Diffusion Transducer - A diffusion current based transducer.
  • Diffusion-drift transducer - a converter based on diffusion and drift current.
  • Photovoltaic cell Used synonyms: Photovoltaic cell, Solar cell - SC, Photovoltaic cell, Photovoltaic cell, Photoelectric converter - PEC, Electromagnetic radiation converter.
  • the regions of the first type of conductivity should be arbitrarily understood as n conductivity, and the regions of the second type are p conductivity. Accordingly, one should clearly understand the regions in the converter, each of which is characterized by p-conductivity (respectively, p-region) or, as an option, p-conductivity (respectively, p-region).
  • pn junctions made in the same way (under the same conditions) from the same materials (using the same impurities in the same concentrations), having essentially the same geometric dimensions, configuration and shape, as well as identical structurally sensitive physical (mechanical, electrical, electromagnetic, etc.) characteristics and properties.
  • the uniformity of the pn junctions is a necessary condition (i.e., the equivalent) of the homogeneity of regions with the same conductivity (p or p regions).
  • the same type of elements of the sections of the first electrode we mean the elements of this electrode made in the same way from the same material (of which the first electrode itself is actually made) and having essentially the same size and shape, as well as essentially the same structurally sensitive physical (mechanical, electrical, electromagnetic, etc.) characteristics and properties.
  • the use of the term “uniform” is due to the fact that, in any technological process, there are tolerances for individual parameters of the product obtained at the output, the case when all pn junctions or all the mentioned elements of the first electrode are completely identical is difficult to achieve in practice, although and is preferred. Further, a separate attribute, it means that the transitions are not connected with each other.
  • each of the pn junctions is located separately (separately) from the remaining pn junctions in the pre- educator. This is actually equivalent to the isolation of these regions with the same conductivity.
  • the separateness of the above-mentioned elements of the first electrode means their absence of overlapping or overlapping sections, which is achieved by the location between these elements of an oxide gap (in particular, an oxidized section of the first electrode) or a through hole (removing part of the first electrode between the said elements )
  • a common feature in all constructive variants of discrete beam converters is that discrete local pn junctions with adjacent collecting regions (elements) are connected through a parallel circuit into one beam or current node and therefore they are called beam converters as a feature, as well as the fact that all constructions on the front side represent “discontinuity” with the SIPON system.
  • standard semiconductor materials and technology are used, in particular conventional monocrystalline silicon and diffusion with photolithography. You can use any semiconductor.
  • you can use the usual massive silicon wafers with a standard thickness of 300 ⁇ m (or less) or alternatively a thickness of less than 70 ⁇ m with a diameter of 100 mm, 150 mm or 300 mm or pseudo-squares.
  • FIG. Ia Front side. A fragment of a planar beam discrete diffusion transducer with N> 1 pn junctions; view from above. Comb tire option.
  • FIG. 1. The front side. A fragment of a planar beam discrete diffusion transducer with N> 1 pn junctions; view from above. Cruciform tire option.
  • FIG. 7-10Ob Note: hereinafter in the fragments of FIG. 7-10Ob, for simplicity, busbars and 5ac circuits are not shown.
  • FIG. 2 Section A-A of FIG. one.
  • FIG. 3 The front side. Fragment of a cross-shaped configuration of collective elements, top view.
  • FIG. 4. The front side. Fragment of a discrete configuration of collective elements, top view.
  • FIG. 5. The front side. Fragment of a discrete - stripe configuration of collective elements, top view.
  • FIG. 6 The front side. Fragment of a discrete - mesh configuration of collective elements, top view.
  • FIG. 7 The front side. Fragment of a planar discrete diffusion transducer, top view.
  • FIG. 8 Section A-A of FIG. 7.
  • FIG. 9. The front side. Fragment. Connecting element 2c planar diffusion transducer, top view.
  • FIG. 10 Section A-A of FIG. 9. Fig 11. The front side. Fragment. Connecting element 2c of a mesplanar diffusion transducer, top view.
  • FIG. 13 The front side. Fragment. Strip connector 2c of the diffusion transducer.
  • FIG. 14 The front side. Fragment. Mesh connection element 2c diffusion transducer.
  • FIG. 15. The front side. Fragment of a mesplanar discrete diffusion transducer, top view. The collecting regions 2 and pn junctions 2a are brought out to the front surface JIC and the lateral surface JIC in the zone of direct EMR hit.
  • FIG. 17 The front side. Fragment of a combined discrete diffusion transducer, top view. The collecting areas 2 and pn junctions 2a are brought out to the outside on the front surface of the drug.
  • FIG. 19 The front side. Fragment. Grid planar single-layer transducer with closed loops, top view.
  • FIG. 20 Section A-A of FIG. 19.
  • FIG.21 Front side. Fragment. Strip (comb) planar single layer transducer, top view.
  • FIG. 23 The front side. Fragment. Grid planar two-layer transducer with closed loops, top view.
  • FIG. 24 Section A-A of FIG. 24.
  • FIG. 25 The front side. Fragment. Mesh mesplanar single-layer transducer with closed loops, top view.
  • FIG. 26 Section A-A FIG. 25.
  • FIG. 27 The front side. Fragment. Mesh mesplanar two-layer closed-loop transducer, top view.
  • FIG. 28 Section A-A FIG. 27.
  • FIG. 29 The front side. Fragment. Mesh combined two-layer transducer with closed loops, top view.
  • FIG. 30 Section A-A of FIG. 29.
  • FIG. 32 Section AA of FIG. 31.
  • FIG. 33 The front side. Fragment of a mesplanar bilayer diffusion transducer, top view.
  • FIG. 34 Section A-A of FIG.
  • Fig. 35 Front side. Fragment of a mesplanar multilayer diffuse transducer, top view.
  • FIG. 36 Section A-A of FIG. 35.
  • FIG.37 Front side. Fragment of a planar multilayer diffusion transducer with commutation of sublayer transitions, top view.
  • FIG. 38 Section A-A of FIG. 37.
  • FIG. 39 Front side. Fragment of a single-layer discrete planar transducer with the first type of conductivity of the deflecting elements, top view.
  • FIG. 40 Section A-A of FIG. 39.
  • Fig. 41 Front side. A converter with a conductivity of the second type of deflecting elements, top view.
  • FIG. 43 Front side. Fragment of a single-layer discrete planar transducer with extended deflecting regions of the second type of conductivity, top view.
  • FIG. 44 Section A-A of FIG. 43.
  • Fig 45 The front side. A fragment of the second type of conductivity of the deflecting regions of a discrete planar transducer, forming a closed loop; view from above.
  • FIG. 46 Section A-A of FIG. 45.
  • Fig. 47 Front side. Fragment with combined (with the first and second type of conductivity) deflecting regions of a planar discrete converter, top view.
  • FIG. 48 Section A-A of FIG. 47.
  • FIG. 49 The front side. Fragment of a combination converter with double etching, top view.
  • FIG. 50 Section AA FIG. 49.
  • Fig. 51 Front side. Fragment of a combined converter with double etching and deflecting regions of the second type of conductivity p + (13), top view.
  • FIG. 52 Section A-A of FIG. 51.
  • Fig. 53 Front side. Fragment of a combined transducer with etched collector electrode, top view.
  • FIG. 54 Section A-A of FIG. 53.
  • FIG. 55 The front side. Fragment of a combined transducer with etching of the collecting electrode and deflecting regions of the second type p +, top view.
  • FIG. 56 Section A-A of FIG. 55.
  • FIG. 57 Front side. Fragment of a combined converter with double etching.
  • FIG.58 Section A-A of Fig. 57.
  • FIG. 59 The front side. Fragment of a combined transducer with etched collector electrode, top view.
  • FIG. 60 Section A-A of FIG. 59.
  • FIG. 61 The front side. Fragment. An additional third (or second frontal) collecting electrode of a single-layer discrete planar transducer with a second type of conductivity and extended deflecting regions in the form of a closed loop; view from above.
  • FIG. 62 Section A-A of FIG. 61.
  • FIG. 63 The front side. Fragment. Field opaque expanded collecting-deflecting electrode 10 of a planar diffusion transducer, top view.
  • FIG. 64 Section A-A of FIG. 63.
  • FIG. 65 The front side. Fragment. Field expanded deflecting electrode 11 of an optically transparent conductive material of a planar diffusion transducer, top view.
  • FIG. 66 Section A-A FIG. 65.
  • FIG. 67 The front side.Scht. Solid field transparent deflecting electrode 11 of a planar diffusion transducer, top view.
  • FIG. 68 Section AA of FIG. 67.
  • FIG. 69 The front side. Fragment. Field transparent deflecting electrode 11 above the deflecting regions 12 and 13 of the first and second conductivity type, top view.
  • FIG. 70 Section A-A of FIG. 69.
  • FIG. 71 The front side. Fragment. Field deflecting electrode 5a around the perimeter of the collecting regions of a planar diffusion transducer, top view.
  • FIG. 72 Section A-A FIG. 71. Fig. 73. Front side. Fragment. Field deflecting electrode 5a around the perimeter of the collecting regions of a planar diffusion transducer with extended deflecting regions of the first and second type of conductivity in the form of a closed loop; view from above.
  • FIG. 74 Section A-A of FIG. 73.
  • FIG. 75 The front side. Fragment. Open solid collecting element, top view.
  • Fig. 76 Section A-A of FIG. 75.
  • FIG. 77 The front side. Fragment. Strip collecting element, top view.
  • FIG. 78 The front side. Fragment. Mesh collecting element, top view.
  • FIG. 79 The front side. Fragment. Diffusion - drift transducer with an expanded collecting-deflecting electrode 11 and a third electrode 11a (or the first field drift electrode on a LAN), top view.
  • FIG. 80 Section A-A of FIG. 79.
  • FIG. 81 The front side. Fragment. Diffusion - drift transducer with a field deflecting electrode 11 and a field drift electrode 11a passing over the deflecting regions of the first conductivity type 12, top view.
  • FIG. 82 Section A-A FIG.
  • FIG. 83 The front side. Fragment. Diffusion - drift transducer with a field deflecting electrode 11 and a drift electrode 11a, passing over the deflecting regions of the first conductivity type 12 and the second conductivity type 7, top view.
  • FIG. 84 Section A-A FIG. 83.
  • FIG. 85 The front side. Fragment. Diffusion - drift converter with a field deflecting electrode 11 and two drift electrodes 1 Ia and 1 Ib passing over the deflecting regions 7 and 12, top view.
  • FIG. 86 Section A-A of FIG. 85.
  • FIG. 87 The front side. Fragment. A diffusion-drift transducer with a field deflecting electrode 11 and two drift electrodes 1 Ia and 9 passing over the deflecting regions 7 and 12, in which the third collecting electrode 9 is used; view from above.
  • FIG. 88 Section A-A FIG. 87.
  • FIG. 90 The front side. Fragment. Scattering microlens of a discrete diffusion transducer, cross section.
  • FIG. 91 The reverse (back) side. Fragment of the converter. Discrete deflecting-collecting regions 3 combined into a current unit by a continuous electrode 5b. View from below.
  • Fig. 93 Back side. Fragment of the converter.
  • the second electrode 17 and the fourth electrode 20 Bottom view.
  • FIG. 94 Section A-A of FIG. 93.
  • FIG. 95 The reverse (back) side. Fragment of the converter.
  • FIG. 96 Section A-A of FIG. 95.
  • FIG. 97 The reverse (back) side. Fragment of the converter. The n + deviating regions of the first conductivity type and the expanded second electrode 17a with the expanded fourth electrode 20a. View from below.
  • FIG. 99 The reverse (back) side. Fragment of the converter. The deviating regions of the second type of conductivity p + (3, 22p) and the first type of conductivity n + (22) and the expanded electrodes of the reverse side 17a and 20a.
  • Fig. 100 Section A-A of FIG. 99.
  • FIG. 100a front side. Fragment. Beam transducer with transverse and longitudinal components of diffusion current.
  • FIG. 10Ob The cross section of FIG.
  • 109 a is a diagram of a multi-stage battery in series connection of an electrical circuit of feed-through converters.
  • FIG. 109 b is a diagram of a multi-stage battery with a mixed connection of the electrical circuit of the feed-through converters.
  • FIG. 110 Statistical distribution curves of the resistances of pn junctions of diode structures.
  • Fig. L l l Typical current-voltage characteristic for a control and according to the invention converter in red light.
  • the solar radiation spectrum AMO 0 (curve 29) and the spectral characteristics of the manufactured converters are as follows: 30 - for the control photomultiplier with continuous JIC; 31 - for beam diffusion according to the invention; 32 beam diffusion - drift according to the invention Fig. 113.
  • FIG. 115 Volt - ampere characteristics in white light. . The incident power of 3000 W / m 2. Temperature measurement 70 - 80 ° C.
  • FIG. 116 Power curves in white light. The incident power of 3000 W / m 2. Temperature measurement 70 - 80 ° C.
  • Fig. 117 Scheme of the T-shaped trajectory of the NRNZ motion in continuous single-transition PECs.
  • Fig.118 Scheme of the ⁇ -shaped trajectory of the NRNZ motion in beam discrete PECs.
  • Fig. 119 The spectral sensitivity of silicon solar cells based on pure silicon and “dirty” technical silicon mixed with oxygen and other additives.
  • N discrete pn junctions form the first current node of the current lines of minor non-equilibrium charge carriers;
  • Ia the front side of the JIC (or the front side) ;
  • Ib is the reverse (or shadow) side of the OS;
  • 2b — pn junction is mesplanar, the junction is brought to the side surface of the front side formed by etching the Si substrate through a mask; 2c - connecting element n + JIC to sections 2, doped section, combining elements 2, not forming with them a pn junction;
  • 3-1 deflecting highly alloyed region of the same conductivity as the substrate; p + p - isotype transition with the base region; 3- deflecting - collecting element p + of the shadow side, a region of the same conductivity as the substrate, with a higher degree of doping, providing current collection of nonequilibrium main charge carriers on the reverse side of the substrate;
  • 5ac conductive element, conductive circuit or bus
  • 5b second (first shadow or shadow side) electrode, Me (metal) to region 3 p + OS
  • a metal electrode to element 3 providing contact with external electrical circuits
  • the shadow electrode may be solid or mesh, or strip, or strip-mesh
  • 5ab switching element (or connection) of transitions in a multilayer converter
  • the expanded 1st Si * polysilicon electrode over the n + collecting element has electrical contact with the 5a electrode, creates a deflecting field in the region of the 2a pn junction and can be made continuous; conductive sections extending beyond the collection element 2 and the pn junction 2a, electrically connected to the first electrode 5 a;
  • 1 Ia - field electrode to n + may have an external bias
  • 1 Ib - field electrode to p + may have an external bias
  • the second electrode Me to 3 p + OS in the form of local areas; the second electrode Me to 3+ can be made in the form of strips;
  • 17a is an expanded second electrode creating a deflecting field
  • 20a is an expanded fourth electrode creating a deflecting field; 21 - microlens, JIC, SOPN;
  • Converters can be manufactured using standard semiconductor technology with standard semiconductor substrate materials in accordance with the designs shown in FIG. 1-10Ob.
  • FIG. Ia 1-2 is a diagram of the design of the converter according to one of the proposed embodiments of the invention.
  • a flat substrate 1 in particular, of single-crystal silicon with a standard diameter of 100 mm and a thickness of 270 - 460 ⁇ m
  • a flat substrate 1 in particular, of single-crystal silicon with a standard diameter of 100 mm and a thickness of 270 - 460 ⁇ m
  • impurities this is ensured, in particular, by the introduction of 3 impurities valence boron, or other 3-valence diffusant
  • p-conductivity due to the introduction, in particular, of 5-valence phosphorus, arsenic, antimony or other 5-valence diffusant
  • N N pn junctions 2a.
  • the configuration of regions 2 is different: it can be square, circular, cellular, or any other. In FIG. Ia and 1, a discrete square configuration of regions 2 with vanishingly small sizes is applied. The regions 2 are separated from each other by an oxide or other dielectric insulating layer 4, which can be used with traditional antireflection coatings.
  • the first electrodes 5a are formed with conductive buses 5ac, which provides contact with external electrical circuits.
  • the first electrode 5a with the bus 5ac combines in one current node N pn junctions 2a with adjacent N regions of the first type of conductivity p.
  • a diverging - collecting element 3 of the second type of conductivity p + is performed in a similar manner, i.e. this is the region of the same conductivity as the substrate, but with a higher degree of doping, providing current collection of nonequilibrium main charge carriers on the back of the substrate; a second electrode 5b adjacent to the collecting element 3, which is performed by spraying, chemical deposition, or silk-screen printing and can be continuous, strip, grid, or strip-grid.
  • Diffusion - drift converters are semiconductor devices that convert EMR to EMF, which fundamentally differ from the prior art in that they have a “broken layer” on the front side, and in addition, their front side, volume and back side are a surface system - volume inhomogeneities (SILON), assembled into current nodes.
  • SILON surface system - volume inhomogeneities
  • the electromagnetic radiation converter (Fig. Ia and Fig. L) contains on the illuminated (front, front) side Ia of the semiconductor p of the substrate 1 (base) of the second type of conductivity local (discrete small in linear dimensions) collecting n + regions 2 of the first type conductivity, separated from each other by a dielectric layer and forming transitions 2a, so-called transformation zones in which the separation of charges occurs with the formation of a contact potential difference.
  • the first collecting conductive electrode 5a is connected and adjacent to the collecting regions of the first type of conductivity.
  • the first (frontal) current-collecting conductive electrode 5a combines the collecting regions 2 of the first conductivity type into a parallel electrical circuit and into a beam - i.e. into a single current node (on this basis all designs the proposed converters are beam).
  • the conductive busbars of electrode 5a are isolated from the substrate by a dielectric layer 4.
  • p + doped deflecting region 3 is created, to which the second (back) current-collecting conductive contact is adjacent - electrode 56 (Fig. 2), which can be made in the form of a comb or grid with a single current node to reduce the resistance .
  • the collecting n + layer of the first type of conductivity is thus made not continuous, but in the form of discontinuities - alternating n + and p + discrete small sizes of regions, while on the front side Ia there are open optical windows - regions of the second type ( basic) p + (indicated in the drawing as 3-1) conductivity, forming the transmission zone of the EMP and providing access to the incident radiation. Including the short-wave part, in the volume of the converter.
  • shading zones under and + regions 2 and the first electrode 5a is insignificant, since because of the insignificance of the size of the shadows, the edge diffraction of electromagnetic waves occurs, and on the other hand, small shading zones increase the direction of the concentration gradient to the collecting regions 2, which activates the separation charges, i.e. diffusion component of current.
  • Each collective element 2 of the first type of conductivity can be transformed by differentiation into a separate current unit.
  • Derivative nodes can also be differentiated up to the limits of resolution of modern lithography levels. The higher the degree of differentiation, the higher the efficiency of the solar cells.
  • FIG. 3 shows a cross-shaped collecting element 2 in which part and + regions extend beyond the metallization 5a and do not create dimming zones, especially for medium- and long-wavelength radiation.
  • FIG. 4 shows a discrete configuration of the collecting elements 2, combined into current nodes by metallization 5 a.
  • the formation of insignificant dimming zones is compensated by the diffraction of electromagnetic radiation at small sizes of the metal bus, as well as by a high concentration gradient of the low-voltage component and a decrease in internal resistance due to small discrete values of pn junctions, combined into a single current node with adjacent areas of the first type of conductivity, standardization of their size and configuration, as well as an increase in the number N ⁇ ⁇ of collecting regions.
  • the configuration of the current collecting areas and the electrodes connected to them may be different.
  • FIG. 5 shows a discrete strip design of a collective element.
  • FIG. 5 shows a discrete strip design of a collective element.
  • FIG. 6 shows a discrete-grid design of a collective element, when p regions of the front side of the semiconductor substrate also become local.
  • the combination of such elements can be carried out not only by metallization, but also by any known methods, including transparent conductive materials, for example, polysilicon or TCO, or ITO.
  • Beam discrete converters in the general case are a system of surface-volume inhomogeneities (SILON) with various elements for various purposes.
  • SILON surface-volume inhomogeneities
  • N ⁇ l it is preferable that N »l and N— * ⁇
  • combining them into current nodes by means of connecting bars 5ac or planes of the front electrodes 5a in FIG. 7-10Ob not shown.
  • the distances between the collector elements are commensurate with the diffusion length of the nonequilibrium charge carriers.
  • the transducers can be formed both on thin plates with a thickness of less than 70 microns with a smooth or rough surface, and on massive smooth or textured plates with a thickness of more than 70 microns, for example, standard 300 - 450 microns. For simplicity of drawings, the texture of the surfaces on them is not shown. The thickness of the plate depends on the choice of design of the Converter. For diffusion-drift bilateral converters, massive plates with a thickness of more than 70 microns can be used.
  • Converters of this type have a collective element in the form of a single layer formed in a semiconductor substrate. Converters of this type are simple to manufacture and provide high efficiency compared to existing standard ones with a large solid front side. Elements of a planar discrete diffusion transducer are shown in FIG. 7, a top view and FIG. 8 is a section A-A. On the front side Ia of the semiconductor wafer, regions of the first type of conductivity 2 are created by doping through the mask with the output of the pn junction 2a to the front side of the semiconductor substrate of the second type of conductivity.
  • the collecting elements are shown schematically for simplicity and may have a different shape and configuration. 1.1.1.2. Connecting elements in FEP.
  • the collecting elements 2 are interconnected by a continuous, shallow, lightly doped region of the same conductivity 2c which is a connecting element that is not covered by metallization, i.e. transparent to external radiation.
  • Such a region creates an insignificant degree of shadowing, thereby, on the one hand, the light flux through the photomultiplier increases, and on the other hand, the internal resistance, determined by the depth and degree of doping of element 2, remains low.
  • the configuration of the connecting elements may be arbitrary, for example, strip or mesh, or cellular, or others. In the latter case, the depth and degree of alloying are not fundamental, since do not affect the absorbing - converting ability of the converter.
  • the connecting elements can have various configurations and lengths.
  • FIG. 13-14 strip and mesh versions of connecting elements are shown. In the latter cases, as in the examples of discrete collective elements, the depth and degree of alloying do not matter.
  • converters of this type are not limited to planar design - they can be embodied in the form of mesplanar and combined converters.
  • volumetric (mesplanar) FEP volumetric (mesplanar) FEP.
  • FIG. 15-16 volumetric (mesplanar) converters are presented in which the pn junctions 2a with adjacent current-collecting regions are brought out from the volume of the semiconductor substrate into the zone of direct EMR hit on the front and side surfaces of the transducer front side.
  • a mask is created through which the semiconductor is etched from the front side so that the pn junctions form a certain angle with the side surface of the front side.
  • the area of impact of EMP increases significantly.
  • volumetric mesplanar versions of the photomultiplier the working surface sensitive to EMP is significantly increased, due to which the total absorption of quanta and the efficiency of EMP conversion are increased.
  • the transition from plenary to volumetric transducers allows not only to increase the absorption surface by creating a regular structure, but also to optimize the thicknesses of regions and diffusion lengths of NSs, directing and improving their collection.
  • FIG. 17-18 a combined converter is presented in which the pn junctions 2a are removed from the volume of the semiconductor substrate outward to the front surface of the front side: after local doping of the front surface Ia, a mask is created through which the semiconductor surface is etched outside the doped regions.
  • a useful quantum-sensitive EMP the surface increases due to vertical recesses. These recesses can have any configuration, for example, pyramidal.
  • the external elements are made in various configurations, which ensures their high efficiency due to the current node and the expansion of the range of absorbed EMP both in the direction of redshift and in the direction of the violet and x-ray region.
  • FIG. 19-30 presents a planar transducer with a mesh collecting element.
  • FIG. 19-20 presents a planar grid converter.
  • FIG. 21 shows a planar strip converter.
  • FIG. 22 shows a combined planar strip-grid converter.
  • Strip - mesh converters can have not only a single layer, but also a multilayer structure (see below in the section multilayer converters).
  • FIG. 23-24 shows a variant of a planar grid two-layer converter.
  • FIG. 25-26 shows a variant mezplanar mesh single-layer Converter.
  • FIG. 27-28 shows a variant of a mesplanar grid two-layer converter.
  • FIG. 29-30 shows a variant of a combined grid two-layer transducer with a collective element in the form of recesses.
  • strip-to-mesh converters can be supplemented with deflecting elements (see the section of converters with deflecting elements below) of the first and second conductivity types (or combinations thereof), as well as with field electrodes according to the type of converters discussed above in the text.
  • the open circuit voltage of the converter can be achieved by increasing the contact potential difference by creating heavily doped n + p + transitions of the collective elements. Moreover, due to their discreteness, the additional doped layer does not create an optical barrier for the short-wavelength region of the spectrum.
  • FIG. 31-32 An example of a converter with n + p + junctions is shown in FIG. 31-32 in the planar and FIG. 33-34, in mesplanar designs, where an additional padded layer 6 is formed.
  • FIG. 33-34- presents a two-layer diffusion converter; on Fig 35-36 - presents a multilayer diffusion Converter.
  • Multilayer converters with or without transition switching are implemented in the design of the previously described mesplanar and combined converters.
  • One of the ways to increase the energy conversion efficiency of converters is to create a directional movement of NNZ by creating additional built-in fields.
  • alloyed regions can be used. These types of conductivity (n + or P + ), which are not electrically connected to the collecting elements, forming additional built-in internal fields.
  • Converters with deflecting elements of the first type of conductivity When, for example, p-type conductivity is formed in a substrate, local regions 12 of the same type with a collecting element 2 with the first type of conductivity (p-conductivity - Fig. 39-40) are formed by local p-n junctions. NNZ formed under the influence of EMR will be deflected by the SCR of p-junctions in the direction of the collective element.
  • the same type of deflecting elements can also be included in the SOPN mezaplanarngh and combined single-layer and multi-layer converters. The shape and configuration of these elements may be different.
  • Deflecting elements with a second type of conductivity can also be included in the SOPN mesoplanar and combined single-layer and multi-layer converters.
  • the shape and configuration of these elements may be different. They can also be combined into a circuit by means of connecting elements 8 (Figs. 45-46).
  • FIG. 47-48 show a variant of local combined deflecting elements consisting of elements of the first and second types of conductivities. Such a combination forms a combination of the built-in fields that form the SOPN and contribute to the efficient separation and collection of NCD in the converter. Combined deflecting elements can also be included in the SOPN mesoplanar and combined single-layer and multi-layer converters.
  • FIG. 49-56 combined converters are presented, with deep pyramidal (any configuration is possible, see, for example, a rectangular shape in Figs. 57-60) recesses (the top of the truncated pyramid pointing down), in which pn junctions 2a with regions of the first type of conductivity brought to the inner side surface of the pyramidal texture.
  • the collector electrodes 5a are adjacent to the surface of these regions of the first type of conductivity located throughout the depth of the trap, thereby collecting from the depth of the substrate of the transducer and eliminating surface and volume recombination.
  • the collection electrodes can be made of optically transparent or opaque conductive material.
  • the recesses on JlC are arranged with alternating regions of the first type of conductivity and the second type of conductivity with a period or step between them equal to F. Thanks to this design, the depth and area of penetration of the high-energy short-wavelength part of the EMP spectrum increase. At the same time, the depth of quantum traps ensures the capture of short-wave quanta over the volume of the transducer. The deeper the quantum trap, the more short-wave high-energy quanta are captured by the volume of the transducer and the greater will be the number of produced NPS and the efficiency of the photomultiplier.
  • Converters with deflecting regions of the second type of conductivity and the third collector electrode can play the role of a front (front) current collection electrode, as shown in FIG. 61-62.
  • the configuration and continuity of the p + region can be arbitrary.
  • the third (or second front) collector electrode contributes to the collection efficiency of nonequilibrium carriers formed by the short-wavelength part of the spectrum in the near-surface region of the transducer.
  • the second current-collecting electrode from the front (front) side facilitates the efficient collection of low-voltage objects formed by the short-wavelength part of the spectrum in the near-surface region of the converter.
  • the field electrodes of the transducers are used to deflect the NCD from the surface of the semiconductor, where they can actively recombine, to the collective elements.
  • FIG. 63-64 presents a field electrode made in the form of protruding beyond the pn junction of part 10 of the metal electrode 5a to the collecting element. Having the same potential as element 2, such an electrode deflects the NSC from the surface, preventing their recombination.
  • FIG. 65-66 a similar field electrode 11 is shown having contact with the electrode 5a made of an EMP transparent material, for example, polysilicon, or ITO, which reduces the shading area of the converter.
  • EMP transparent material for example, polysilicon, or ITO
  • the field electrode 11 is made in the form of a continuous transparent region having ohmic contact with the collecting regions and the collector electrode 5 a.
  • the electrode also combines the functions of a collector electrode.
  • the field electrode can overlap both the first and second types of conductivity, and co-biased deflecting elements (Fig. 69-70).
  • the first electrode is located on the periphery (around the perimeter) of the collecting element 2 of the first type of conductivity, forming a deflecting field electrode.
  • the collecting region 2 of the first type of conductivity itself may not be continuous, as shown in FIG. 73-74 and complemented by the same type and (or) heterogeneous deflecting elements.
  • such a converter can also be made in the form of a multilayer structure.
  • the configuration of the collecting elements 2 may be different.
  • FIG. 75-76 show a variant of open collecting elements 2, when their central parts are free from the r ⁇ layer and represent a window for short-wave radiation.
  • FIG. 77-78 are options for strip and mesh collective elements 2.
  • FIG. 79-80 shows an example of a diffusion - drift transducer.
  • the drift electrode 11a is made in the form of an optically transparent conductive layer isolated from the front surface of the transducer Ia by a dielectric layer 4, and from the current collecting busbars of the first electrode by a dielectric layer 15.
  • a corresponding bias is applied to the electrode 11a, the electric The physical field not only deflects the NSC from the surface, but also informs them of an additional drift component of the current.
  • diffusion - drift converters can be used of the same type (Fig. 81-82), heterogeneous and combined (Fig. 83-84) deflecting elements that create internal built-in fields.
  • the drift electrode can be divided into electrically unconnected sections 11a and Hb so that each of them passes over the deflecting elements of a certain type of conductivity (Fig. 85-86).
  • the second drift electrode 1 Ib can play the role of the second front collector electrode (Fig 87-88).
  • drift electrodes can be different, with each of them being supplied with a separate potential, which creates an accelerating field in the direction of the collecting element.
  • Drift electrodes can be included in all previously considered transmitter options.
  • Example 3 Beam microlens diffusion-drift converters. Front side.
  • a change in the concentration gradient of NEC in the transducer can be achieved by creating optical inhomogeneities on the front side by creating dimming zones near the collecting elements, texturing the surface, or locally etching it, as in the case of previously discussed mesplanar bulk (significantly increasing the irradiating surface of the transducer) and combined transducer designs.
  • microlenses or other optical devices, for example, microprisms, concentrating or changing the direction of electromagnetic radiation.
  • Microlenses can be used in combination not only with any of the converter elements considered earlier, but also in traditional converters: by changing the optical path of the rays, they contribute to an increase in the concentration of electromagnetic radiation in the semiconductor and localization of the generation process even under a uniform continuous collective layer, converting a single-junction converter into a beam one.
  • FIG. 89 illustrates an example of a diffusion transducer with a focusing lens 21 formed over an expanded portion of the first face electrode 5a. In this case, the maximum concentration of NNZ falls in the region of focusing radiation.
  • the intensity of the entire spectrum of EMP increases sharply, especially the region of medium and far infrared radiation.
  • the microlenses sections overlapping metallization 5a direct concentrated high-energy rays (i.e., a beam of rays, or a beam of electromagnetic waves) to the absorption zone (indicated by arrows schematically in FIGS. 89-90), thereby reducing the dimming zone to zero formed by metallization.
  • FIG. 90 shows an example of a diffusion transducer with a scattering lens 21, which changes the ray path so that the generation of low-voltage neutrons will occur in the immediate vicinity of the collecting electrode 2, thereby reducing the diffusion path, and, consequently, the recombination losses.
  • Microlenses can be used in combination with any of the transducer elements considered earlier.
  • the second shadow electrode was implicitly supposed to be made in the classic solid version.
  • the shadow electrode is not continuous, but in the form of small grids, or thin strips (combs), or small strip-mesh figures, which also have a single current node as transitions on the front side.
  • An example of current nodes is shown in FIG. Ia 16.
  • An example configuration of stripe-mesh figures was given in Fig.77.78.
  • the shapes of the cutouts on the shadow electrode can be any, for example, not only strip, but also in the form of circles, polygons or other. Example 4.
  • Bilateral beam diffusion-drift converters Backside.
  • the following embodiments describe transducers with elements on the front and back sides.
  • the use of both sides (front and shadow) of the semiconductor substrate makes it possible to fully use the diffusion and drift components of the currents and completely eliminate the recombination of Lffl3 both on the front surface and in the volume and on the back of the converter, which will unpredictably significantly increase the energy efficiency of the photomultiplier.
  • Bilateral converters can use any design and front-side elements shown in FIGS. 1 to 90.
  • a feature of two-sided converters is that up to four current opposite nodes are formed in them due to the parallel connection of collecting and deflecting elements. For further modernization and diversification of the solar cells, it is possible to use any elements or the front of the structure or their combinations from FIGS. 1-90 and transfer them to the opposite side.
  • the converter is a modification on the front side of the converter of FIG. 88, but with the difference that instead of a solid highly alloyed deflecting p + layer 3, deflecting discrete p + sections 3 are placed, electrically connected by means of a turned contact 16 b to the electrode 5b. Between the continuous second electrode of the back sides and the deflecting p + sections, there is a dielectric layer 16 with exemptions at the points of contact with these deflecting regions.
  • This design of the converter allows to reduce the volume and surface recombination of charges on the back (shadow) side.
  • the continuous metallization of the shadow side 5b contributes to the reflection of radiation back into the volume of the transducer, which increases the sensitivity in the long wavelength part of the spectrum, especially in the case of volume transducers, when due to total internal reflection from the front surface, the radiation returns to the semiconductor volume.
  • the combination of these effects allows us to switch to ultrathin substrates.
  • FIG. 93-94 presents a diffusion - drift transducer with local (not continuous) banded metallization of the rear side 17, which allows it to be used as a two-sided one.
  • Non-continuous metallization can also be used in converters with a continuous deflecting electrode.
  • FIG. 93-94 presents a diffusion - drift transducer with local (not continuous) banded metallization of the rear side 17, which allows it to be used as a two-sided one.
  • Non-continuous metallization can also be used in converters with a continuous deflecting electrode.
  • FIG. 93-94 presents a diffusion - drift transduc
  • the solid electrode 5b is replaced by a strip electrode 17 made in the form of narrow long strips 17.
  • Metallization 17 does not have to repeat the configuration of electrode 3 and can have any configuration including striped mesh or comb. Between the strip electrodes 17 and the deflecting sections, a dielectric layer 16 is placed with partial withdrawals (openings) at the contact points of the electrodes with the deflecting sections 3. This design ensures high efficiency in reducing charge recombination in the bulk and near-surface layer of the shadow side.
  • a back collector element 18 can be used, with which a fourth (or second shadow) collector electrode 20 contacts through the window 19 in the dielectric 16. An example of such a converter is shown in FIG. 95-96.
  • the collection elements 18 and the deflecting regions 3 may have connecting regions 18a and 3a.
  • Metalization may be in the form of expanded deflecting electrodes 20a and 17a.
  • n + sections 18 are added, to which fourth (or second shadow) electrodes 20 are connected via contact 19, providing current collection with the OS, which further enhances the converter’s energy conversion efficiency.
  • extended second electrodes 17a and expanded fourth (or second shadow) electrodes 20a are also introduced.
  • the expanded electrode further eliminates the recombination of charges near the n + p + zones.
  • an additional n + sections 22 are introduced on the back side. The efficiency of such a converter increases even more.
  • the embodiment of FIGS. 91-92 is a combined design in which p + deflecting elements 22p are added on the back side.
  • discrete deflecting p + sections 3 are connected into extended strips through a connecting element.
  • the process of reducing the recombination of charges in the volume and near-surface layer of the reverse side of the converter is further enhanced.
  • Example 5 beam diffusion-drift converters with built-in radiation sources. Shadow side and front side.
  • IRI can, for example, be applied to a collecting collector layer, or to a dielectric 15, 16 of a converter, for example, with FIG. 100.
  • the source of radiation is weak radioactive drugs currently used for biomedical purposes. Converters with built-in sources of radioactive radiation will operate for a long time and the life of such converters depends on the number of built-in converters. For example, the use of preparations based on strontium-90 with a half-life of 27.7 years will freely allow the converter to operate for 100 years.
  • Example 6 Beam converters with a transverse and longitudinal component of diffusion current.
  • the current converters have 5ac collector bars up to a width of 150-250 microns, spaced from each other with a period or pitch of 2-3 mm.
  • a layered concentration gradient along the X axis is practically constant, so that the diffusion component of the current is due to a change in concentration along the Y axis and the field of region 2 (i.e., due to the transverse component of the diffusion current) and is directed along the Y axis (Figs. 100a and 10Ob).
  • the transverse component of the diffusion current is proportional to the area of the illuminated surface and the magnitude of the transverse current is limited by this surface.
  • a current collection system is used in the form of often distributed narrow contacts 4a in the insulator 4 and narrow current collector metallized buses 5ac, combining the N electrodes 5a of the front side into one current node and located with a period or step of at a distance of F ⁇ 2 / (where / is the diffusion length of the NRNZ).
  • the system of dimming areas not only creates a longitudinal component of the current, but also positively affects the internal resistance of the converter, practically without affecting the total area of shading.
  • this simple FEP optimization technique removes restrictions on the thickness and degree of doping of the “dead” layer 2, and therefore it can be infinitely thin since charge carriers are collected mainly in the contact area under metallization, and thus the lateral component of the current flowing through layer 2 decreases by a factor of ⁇ lm.
  • the described technique is applied not only in the case of the converter illustrated in FIG. 100a - 10Ob, but in almost all examples of photomultipliers in Figs. 1-100, especially in configurations where the distance between the collecting electrodes 2 and metallization is comparable to the diffusion length of the NRN.
  • Example 7 Flat Batteries and Modules Based on Beam Converters. Hexagonal configuration of elements and the placement of solar cells in the battery. In the state of the art, unit cells of transducers are placed on silicon wafers in the form of complete elements of a circular configuration or so-called pseudo-squares, and then the complete elements are assembled into a flat battery or module or panel for subsequent direction to the consumer.
  • the SE in the invention is proposed to be placed in an optimal economically and technically feasible configuration compared to the prior art in hexagonal and pseudo-hexagonal form.
  • SB solar cells
  • SC solar cells
  • SB with monocrystalline silicon with high efficiency are formed from solar cells made on a round plate; the following configurations are possible, having their positive (+) and negative (-) sides (see Figs. 101–109 and table l): 1. circle: minimal silicon loss (+); low degree of filling with SB area elements (-);
  • Table 1 Estimated losses of the area of the solar cell (solar cell) and battery (SB) when it is assembled with different structures for the same solar cell area cut from a plate with a diameter of 100 mm.
  • Fig. 101 is a square; Fig - pseudo-square; Fig. 95 is a hex; Fig - pseudohex; Fig - layout SB in circles; Fig - layout SB with pseudo-squares; Fig - layout SB security hexes; Fig - layout of the SB pseudohexes.
  • the degree of filling with solar converters (SC) of the solar battery (SB) depends on the configuration of the SC. Losses of plate area during cutting are shown in Table 1 and Fig. 109, which shows the dependence of geometric losses on the area of solar cells of various configurations.
  • FIG. 109 shows the area loss of the plate during cutting: Si q - pseudo-squadrate, Si cs - pseudohex; losses of the solar battery during the layout: Sat sq pseudo-squares - SB cs - pseudohexes.
  • the optimum loss for pseudo-figures occurs at the intersection points of the Si - SB curves
  • Example 8 Multistage batteries or modules based on feed-through converters.
  • the use of ultra-thin plates can significantly reduce losses from bulk recombination. However, not all incident energy is absorbed, especially in the energy region close to the band gap of the semiconductor, which reduces the sensitivity of the converter in this region. This can be avoided by a multi-stage arrangement of so-called feed-through converters.
  • a feed-through converter is any of the types of converters previously considered according to the invention, made on thin plates of semiconductor material made for a specific absorption peak.
  • the multistage converter is designed in such a way that, at the beginning, the short-wavelength part of the spectrum is absorbed and converted below the band gap of the semiconductor, and in each of the subsequent stages it is longer-wavelength.
  • each of the previous elements in addition to performing the transforming properties, is an optical filter for the subsequent element.
  • the proposed battery is performed, unlike standard cascade converters, by simple mechanical laying in a plane-parallel stack of feed-through converters.
  • the proposed battery or module and its assembly with a series connection of the elements provides for the operation of each of the elements on its load resistance Rn (see Fig. 109a). If, for example, the long-wavelength part of the spectrum is absent, and the Eg 3 element does not work, then the potential at the resistance RH 3 becomes close to zero and the current in the external circuit is determined by the resistances RH 2 and RH 1.
  • this approach allows balancing the load resistances for each from cascades.
  • the elements in such a circuit must be voltage aligned by connecting them in series in series.
  • the areas of the elements and their number are selected in such a way that the voltages at each link, caused not only by the band gap of the semiconductor used, but also by the level of incident radiation are aligned.
  • each converter consists, in fact, of a statistical sample of N elements that are pn junctions.
  • the size of the pn junctions substantially small, the same and the same, and the number N should be large enough (ideally, it should tend to an infinitely large number) .
  • the semiconductor substrates with a thickness of less than 70 ⁇ m.
  • the values of the internal resistance R, the capacitance of the transition C, the inductance L become stable, the decrease effect is enhanced. It should also be noted that the stability of the electrical parameters is also observed when the temperature changes (both when reduced to low values, and when increased to high temperatures). The measurements were carried out in the range from 173 K to 573 K.
  • transducers were made.
  • the first electrode in such a converter is located around the perimeter of the pn junctions, which are combined into one current node by means of rare conducting busbars.
  • the second electrode is solid.
  • the transitions were even more localized.
  • cross-shaped discrete p-n junctions of 10 microns x 10 microns were used.
  • the first electrode in this converter is made in the form of crosses, under which there are discrete pn junctions connected by the first electrode and the collector bus into a beam, i.e. into one current node.
  • the second electrode is solid.
  • PECs made according to the invention were compared with control PECs with a continuous pn junction, with a solid front side (without breaking the continuity) and standard antireflective tantalum oxide coatings.
  • the short-circuit current and the open circuit voltage were measured, from which the maximum power values of the converters were calculated.
  • a typical current-voltage characteristic for a control and according to the invention converter in red light is shown in FIG. 111.
  • the upper curve 28 corresponds to the data for the solar cells according to the invention, and the lower curve 27 corresponds to the control sample of the solar cells.
  • the PEC according to the invention in the entire tested range of EMR, the short circuit current and the open circuit potential are significantly higher than that of the control ones.
  • the converters according to the invention significantly expanded the range of converted frequencies of EMP.
  • control PECs with one continuous pn junction in the EMR region below 220 nm (ultraviolet range) and above 1000 nm (infrared range) do not generate EMF, unlike the transducers according to the invention.
  • the beam-type discrete diffusion converters according to the invention thus operate both in the normal visible range of the EMP and above and below.
  • Converters of this design in which the electrodes are placed along the perimeter of the pn junctions, generate a photocurrent both in the visible range (from 1000 nm to 220 nm), and in the invisible, above the violet part of the EMR spectrum - in the X-ray region and IR region of radiation.
  • the control converters as can be seen from table 2, have technical characteristics significantly lower in all tested frequency ranges of EMP.
  • FIG. 112 shows the solar radiation spectrum AMO 0 (curve 29) and the spectral characteristics of the manufactured converters: 30 — for the control photomultiplier with continuous JIC; 31 - for beam diffusion according to the invention; 32 beam diffusion - drift according to the invention. Of of this FIG.
  • the photomultipliers according to the invention are sensitive both in the field of visible light and invisible in the field of UV and IR radiation of the sun.
  • the diffusion-drift converters according to the invention have an even greater spectral sensitivity than diffusion ones.
  • the transducers according to the invention operate when the temperature changes up to 573 K and above.
  • the converter according to the invention retains the magnitude and stability of the currents and voltages. In control samples with continuous collecting regions, with one large continuous transition at these temperatures, the values of currents and voltages drop to zero.
  • the converters according to the invention generate a photocurrent not only at frequencies below the average IR, but also in the X-ray range up to gamma radiation.
  • FIG. 113 shows the dependences of the short-circuit current Ikz of the control (curve 33) and experimental (curves 34 - 36) samples:
  • 33 is a variant of the standard control sample with a continuous pn junction with a busbar width of 200 ⁇ m and the distance between the busbars 2000 microns, with a degree of blackening of metallization of 8.4%;
  • 34 is a sample with a continuous collector layer according to the embodiment of FIG. 100a and 10Ob with a width of collector bars 18 microns and a distance between collector buses of 200 microns, the degree of dimming metallization of 8.2%;
  • 35 is a sample with crosswise collector layers 2 according to the embodiment of FIG.
  • Curve 33 in FIG. 113 shows the saturation of the short-circuit current at 60 mA for a solid sample due to the high internal resistance of the “dead” layer 2: minority carriers formed in the volume of the transducer below the “dead” layer move towards this layer, collect them further along this layer - to the 5ac electrode.
  • Curves 34-36 illustrate the effect of the longitudinal component of the diffusion current, which, in contrast to the transverse component of the diffusion short-circuit current, is not proportional to the area of the pn junction. How It can be seen from FIG. 113 that curves 34-36 characterizing the effect of the longitudinal component of the diffusion current are located substantially higher along the current axis.
  • This longitudinal current effect also positively affects the temperature dependences of converters 35 with small, relative to 33 - 34 areas of pn junctions: the voltage drop of the no-load current when they are heated is much less than for converters with continuous junctions.
  • the experimental results indicate that in order to obtain the maximum effect of current collection, it is necessary to artificially create a system of volumetric-surface inhomogeneities - SOPN, which in the general case is not only an alternation of n + and p + regions, but also a system of shaded areas on the JIC FEP increasing the concentration gradient of charge carriers.
  • the analysis of the photomultipliers performed in accordance with Figs. 3–4, as well as 10Oa-IOOb, indicates that under the action of a radiation quantum, the formation of ⁇ occurs anywhere in the substrate: at least in the p layer, even in the p layer. Therefore, it is necessary to create a gradient of the concentration of charges, to separate them by the field of (built-in) discrete N pn junctions and to efficiently assemble the corresponding strip-grid design of electrodes, providing the creation of a current node with the resistance of the pn junctions.
  • Curve 37 discrete beam transducer with optimized transition sizes up to 4x4 microns; reflection coefficient 45%; Curve 38 is a high-efficiency continuous-flow converter manufactured by Soup Roweg; reflection coefficient 1 - 2%; Curve 39 is a high-performance converter with a continuous transition of space purposes; reflection coefficient of 8%.
  • FIG. 114-116 the results of optimization of pn junctions and regions of the first type of conductivity to sizes in the cross section of 4 ⁇ m x 4 ⁇ m are presented.
  • Samples were made from single-crystal electron silicon under serial industrial conditions. For comparison, highly effective solar rover solar cells and standard space applications.
  • the absorption coefficient of the incident radiation of the elements was: SP-mopo - 98%, Srace - 92%, beam according to the invention - 55%.
  • the coefficient of internal conversion of the elements was measured depending on the power of the incident radiation.
  • the internal conversion coefficient of all elements decreases with increasing incident power.
  • the highest reduction is observed for highly efficient solid converters - from 15 - 20% (under normal conditions) to 3-5%.
  • this decrease is not so catastrophic - it decreases from 40% to 23%.
  • the high coefficient of internal conversion of the beam elements according to the invention indicates their high efficiency compared to converters from the prior art.
  • discrete beam converters show high efficiency and with the simultaneous action of temperature and light flux intensity.
  • a discrete solar cell With an incident power of 3000 W / m 2 and a measuring temperature of 70 - 80 ° ⁇ , a discrete solar cell generates more than 800 W (curve 37), while highly efficient companies such as Space Rover and space-based elements are four and two times smaller, respectively (see curves 38 and 39 Fig. 116). And these results were obtained without anti-reflex coating. The forecast shows that eliminating the reflection in discrete elements will double these results.
  • the converters according to the invention For the manufacture of the converters according to the invention, a standard semiconductor technology with standard semiconductor substrate materials can be used, and the assembly of the converters into batteries (modules) can be carried out by a specialist on the basis of the information given in the description.
  • the converters and batteries according to the invention can be successfully used in energy, other industries, in particular as a source of electromotive force.

Landscapes

  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для изготовления высокоэффективных широкополосных преобразователей электромагнитного излучения, напрямую преобразующих падающее излучение как в оптически видимом, так и в невидимом оптически диапазоне частот в электродвижущую силу. Преобразователь электромагнитного излучения по изобретению содержит полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой сформированы N≥1 дискретных, локальных областей первого типа проводимости, подложка имеет второй тип проводимости так что указанные области первого типа проводимости образуют с подложкой N≥1 р-п переходов, объединенных в токовый узел. При этом вне областей первого типа проводимости на лицевой стороне подложки сформированы изотипные переходы, создающие неосновным носителям заряда отталкивающие изотипные барьеры. Указанное выполнение преобразователя обеспечивает его работу в более широком диапазоне частот электромагнитного излучения, способствует повышению его КПД и мощности по сравнению с известными из уровня техники аналоги, а также позволяет достичь высокой точности и стабильности его выходных характеристик. Описаны также батареи, сформированные из преобразователей указанного типа.

Description

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
И БАТАРЕЯ.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к широкополосным преобразователям электромаг- 5 нитного излучения (ЭМИ), а также к батареям или модулям на их основе, напрямую преобразующих падающее излучение в электродвижущую силу (ЭДС) как в оптически видимом, так и в невидимом, в ИК, УФ, рентгеновском диапазоне частот и выше.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
10 Известные в уровне техники (см. например, Алферов Ж.И., Андреев B.M.,
Румянцев B.Д.. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. C.937 - 948; Мейтин M.. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000 . Ns 6. - С. 40-46; Константинов П.Б., Концевой Ю.A., Мак-
15 симов Ю.А. Кремниевые солнечные элементы. Москва: изд. МИРЭА, 2005. 70 с.) фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на полупроводниковых материалах преобразовывают узкую часть спектра ЭМИ Солнца. Это видимый диапазон частот (1014 - 1015 Гц), включая ограниченную часть из ИК (чуть ниже 1014 Гц) и УФ диапазона (немного выше 1015 Гц), достигающих поверхности Земли при хоро-
,, 20 ших метеоусловиях в освещенное время суток (Алферов Ж.И., Андреев B.M., Py- t, мянцев B.Д.. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. С.937 - 948). Следовательно, значительная часть ЭМИ, падающего на Землю остаются вне сферы преобразования. При этом длинноволновая, ИК часть солнечного спектра ЭМИ (ниже 101
25 Гц), составляет значительную долю, достигая до 43,5%. Поэтому ИК часть ЭМИ представляет практический интерес. Для земной солнечной энергетики этот интерес особый потому, что часть ИК спектра длиной до 4 мкм в виде лучистой энергии свободно без потерь достигают Земли. Для преобразования ИК спектра в уровне техники используют преобразователи, основанные на термоэлектрических
30 эффектах, открытых в 1821 г. Зеебеком.
Коротковолновая часть спектра ЭМИ, в частности, УФ излучение, несмотря на малую его долю в солнечном спектре (около 5 %) представляет из-за высокой величины энергии фотонов не меньший интерес. Если энергия фотонов в видимой
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ части света достигает до 3,3 эВ, то УФ область имеет 3,3 - 120 эВ, причем фотоны с энергией 3,3 -5,5 эВ (для которых озоновый слой Земли не помеха) без препятствий достигают земной поверхности. Поэтому коротковолновая часть, особенно для таких полупроводников, как кремний, для которых один из спектральных максимумов поглощения находится в коротковолновой области, представляет значительный интерес как для космических, так и наземных конструкций СЭ.
Недостатками всех современных преобразователей, основанных как на фо- товольтаических эффектах, так и термоэлектрических, являются их низкая эффективность. Современный промышленный уровень техники преобразования по КПД составляет: для ФЭП из аморфного кремния 5-6 %, из монокристаллического кремния 12-15 %, из арсенида галлия 20-24 %, а каскадных преобразователей - 36 %. При этом стоимость последних отличаются, более чем на порядок. Эффективность преобразователей на термоэлектрических эффектах составляет также малую величину - 3-5 %. Основными причинами, ограничивающими КПД полупроводниковых солнечных элементов являются (Алферов Ж.И., Андреев B.M., Румянцев B.Д.. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. C.937 - 948; Мейтин M.. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000 . JSГ° 6. - С. 40-46; Константинов П.Б., Концевой Ю.A., Максимов Ю.А. Кремниевые солнечные элементы. Москва: изд. МИРЭА, 2005. 70 с): 1) отражение ЭМИ от поверхности преобразователя; 2) прохождение части ЭМИ через преобразователь без поглощения в нём; 3) рассеяние ЭМИ на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов; 4) рекомбинация образовавшихся ЭДП на поверхностях и в объёме преобразователя; 5) внутреннее сопротивление преобразователя.
Солнечный элемент или ФЭП изготавливается на основе пластины (подложки), выполненной из полупроводникового материала, например, кремния.
В пластине с определённым типом проводимости (т.е. или р или п типа) пу- тем легирования создается электронно- дырочный переход примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного типа.
Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты, причем нижний контакт к теневой стороне - как правило, сплошной, а верхний, к освещаемой выполняется в виде гребенчатой структуры (полосы шириной 150-250 мкм, размещенные друг от друга на расстоянии 2000-3000 мкм из расчета 5-10 % затенения JIC и соединенные с более широкой шиной). Контакт р и п полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, иrраю- щего важную роль в работе солнечного элемента.
Для создания отталкивающего поля и улучшения омического контакта поверхность пластины с теневой стороны дополнительно подлегируется.
При соединении в одном монокристалле полупроводников р- и п-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника п-типа в полупро- водник р-типа и, наоборот, поток дырок из р- в п-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к р-п переходу часть полупроводника р-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к р-п переходу часть полупроводника п- типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи р-п перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процес- су диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из п-области в р-область, а поле заряженного слоя, наоборот,- вернуть электроны в п-область. Аналогичным образом поле в р-п переходе противодействует диффузии дырок из р в п область. В результате устанавливается равновесное состояние: в области р-п перехода возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из п-полупроводника и дырки из р- полупроводника должны затратить определенную энергию.
Стандартные, сплошные однопереходные преобразователи, как отмечено выше, выполняются на полупроводнике р-типа или и-типа проводимости. В результате преобладания диффузионной составляющей тока и в виду различий в подвижности электронов е и дырок A+ преимущество отдается подложкам из р типа кремния, в котором подвижность не основных носителей заряда (ННЗ) - электронов - в 3 раза превышает подвижность дырок. Дальнейшие рассуждения справедливы для любого полупроводника (Ge, Si, GaAs и т.п.) р или п типа проводимости, однако в силу различий в подвижности h+ и е в описываемой модели предпочтительно остановиться на кремнии р типа проводимости. При этом при обсуждении вариантов преобразователя согласно изобретения для простоты из- ложения п тип проводимости условно назван первым типом, а р проводимость - вторым типом проводимости (соответственно: область первого типа проводимости и область второго типа проводимости).
В стандартной однопереходной структуре п+p'p+ типа, в условиях термодинамического равновесия, ФЭП или СЭ представляет собой обычный р-п переход с присущими ему свойствами. В силу диффузии основных носителей заряда (ОНЗ) из п+ и p+ областей на границе их раздела остается область пространственного заряда (ОПЗ) с образованием электрического поля напряженностью E сила которого F=qE препятствует диффузионному перемещению дырок h+ из р в л область и электронов е из п области в р. В результате этих конкурирующих процессов соз- дается контактная разность потенциалов φc, которая тем больше, чем сильнее отличаются уровни легирования р и и областей. Для большинства кремниевых р-п переходов φc составляет 0,5-0,9 В, что вполне достаточно для создания высокоэффективных СЭ. Однако, чем выше контактная разность потенциалов, тем сильнее она препятствует диффузионному току через р-п переход т.к. НрНЗ приходит- ся преодолевать более высокий потенциальный барьер (ПБ), т.е. НрНЗ с энергией меньше ПБ не смогут его преодолеть и будут бесполезно рекомбинировать в объеме полупроводника.
Время жизни НрНЗ h+ в п+ слое ничтожно мало, сильно зависит от условий диффузии и уменьшается вследствие образования дислокаций и выделения избы- точного фосфора в виде ιSϊР-преципитатов. Слой и+ вблизи поверхности с высоким содержанием SiР-преципитатов обычно называют мертвым слоем, т.к. эта область электрически неактивна - фосфор не располагается в узлах решетки кремния. Однако этот слой не так уж и электрически неактивен: с одной стороны это малое время жизни A+; кроме того, в силу рассеяния на преципитатах диффу- зионная скорость h+ замедляется так, что НрНЗ, в данном случае A+, образованные за счет поглощения наиболее активной, «гoлyбoй» части спектра, не принимают участия в фототоке, т.е. п+ слой отсекает высокочастотную составляющую элек- тромагнитного спектра излучения (Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Москва, изд. Мир, 1984. 470 с). Высокое содержание свободных основных носителей зарядов - электронов в п+ слое существенно изменяет отражающую способность кремния: чем выше уровень легирования, тем выше коэф- фициент отражения (Заверюхин Б.H., Заверюхина H.H., Турсункулов О.М. /Изменения коэффициента отражения излучения от поверхности полупроводника в спектральном диапазоне λ = 0,2 - 20 μm под воздействием ультразвуковых волн. //Письма в ЖТФ, 2002, т.28, вып.18. C.l-12).
Таким образом, высокое содержание электронов в л+ слое является причи- ной отсекания значительной части коротковолнового спектра электромагнитного излучения. Поэтому для увеличения эффективности ФЭП этот слой делают по возможности тонким, что в свою очередь может увеличивать внутреннее сопротивление ФЭП. То есть в конструкцию известных в уровне техники ФЭП изначально заложены конкурирующие процессы, принципиально ограничивающие их эффективность.
В патентной литературе известны различные конструкции и технические приемы направленные на преодоление этих факторов, ограничивающих КПД.
С помощью довольно изощренных и сложных технологических приемов, удавалось в лабораторных условиях достичь КПД кремниевых солнечных элемен- тов до 25 % (Gгееп М.А еt аl. 25 % Еffiсепt Lоw-Rеsistiviу Si Сопсепtгаtоr Sоlаr Сеlls. IEE Еlесtгоп Dеviсе Lеttегs. 1986, PP. 583-585.).
Особое внимание в проектировании и производстве гомогенных СЭ уделяется оптимизации собирающего /ι+cлoя.
Известен метод оптимизации параметров слоя п+ (Константинов П.Б., Кон- цевой Ю.A., Максимов Ю.А. Кремниевые солнечные элементы. Москва: изд. МИРЭА, 2005. 70 с). Он выполняется с тонким и невысоким уровнем легирования: диффузионно достаточно сложно избавиться от SiP преципитатов и обеспечить оптимальный уровень примеси. Внедрение фосфора ионным легированием позволяет обойти указанное препятствие, однако, возникающие при этом наруше- ния в кремнии заметно снижают время жизни НрНЗ е в р слое ограничивая тем самым длинноволновую, красную часть спектра. Однако, глубину залегания и степень легирования п+ слоя нельзя уменьшать до сверхмалых значений, посколь- ку при этом увеличивается т.н. «cлoeвoe» сопротивление (сопротивление растекания) и, следовательно, последовательное сопротивление СЭ.
Известен метод увеличения контактной разности потенциалов φc за счет создания слоя /Λ под п слоем: в патенте JP 3206350 B2 (приоритет от 26.01.1995 г.) представлен СЭ в котором под п+ слоем сформирован p+ слой для увеличения потенциала, т.е. напряжения холостого хода. Как показывают расчеты, такое конструктивное выполнение может способствовать повышению КПД, но незначи- тельн. Расчетные значения φc для приемлемых с точки зрения отражающих свойств Si концентраций примесей N составляют: φc = 0,73 В для Nsi-п+ = Ю19 и NSi-P+ = Ю18; φc = 0,53 В для Nsi-п+ = Ю19 и Nsi-p+ - Ю15, соответствующей удельной электропроводности р-Si р = 10 Ом см;
В действительности, в силу генерационно-рекомбинационных процессов на границе высоко легированных областей эта разность окажется меньше.
Известен способ снижения рекомбинации (см. RU 2139601 Cl, приоритет 04.12.1998) путем увеличения времени жизни ННЗ при термических процессах: одновременная диффузия бора и фосфора из нанесенных источников (гетериро- вание); текстурирование лицевой поверхности; создание мелкой и+coбиpaющeй области; КПД достигнуто до 16,6%.
Известен способ увеличения КПД за счет уменьшения последовательного сопротивления преобразователя путем создания заглубленного л** слоя под собирающим /I+ слоем (Gооdriсh J., Сhарlе-Sоkоl., Аllепdоге G., Frank R. Тhе еtсhеd multiрlе vеrtiсаl juпсtiоп siliсоп рhоtоvоltаiс сеll //Sоlаг Сеlls. 1982. Vol.6, N 1. P. 87- 101); авторам удалось поднять КПД до 18,5%.
Известен технический прием снижения рекомбинационных потерь на по- верхности путем реализации схемы металлизации типа «тoчeчныe кoнтaкты»(
Аbеriе A.G., Аltегmаtt P.P., Неizег G, Robinson SJ. Limitiпg lоss mесhапisms iп 23 % еffiсiепt siliсоп sоlаг сеlls/Я.Аррl. Рhуs. 1995. VoI. 77, N 7. P/ 3491), в результате чего достигнут КПД 23 %.
Известен способ увеличения КПД (DE 10127382 Al, приоритет 06.06.2001) путем уменьшения оптических потерь методом фотолитографического текстури- рования поверхности: использованы зонный кремний с высоким временем жизни ННЗ и высококачественный термический оксид; КПД достигнут до 23-25%. Известен также прием снижения оптических потерь путем нанесения на лицевую поверхность антиотражающих или просветляющих, или антирефлекторных покрытий на основе SiзN4, TiO2 или других пленок с показателем преломления более 1,8 (Алферов Ж.И., Андреев B.M., Румянцев B.Д.. /Тенденции и пер- спективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. С.937 - 948; Мейтин M.. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000 . N° 6. - С. 40- 46) или использования прозрачного токопроводящего слоя TCO или ITO (являющегося одновременно антиотражающим просветляющим слоем) и использования проволочной контактной системы под слоем ламината (Унтила Г.Г., Кост Т.Н., Закс М.Б. и др. /Новый тип высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов с внешними шинами и проволочной контактной сеткой. //Физика и техника полупроводников. 2005, т.39, вьш.l l. С.1393-1398), в результате чего достигнут КПД 17,7 %. Снижение оптических потерь за счет антиотражающих покрытий хорошо отлаженный прием. Практически полностью удается снизить отражение падающего света. Однако это не приводит к существенному улучшению преобразования попавшего во внутрь ЭМИ, а КПД в лучшем случае повышается на несколько процентов. Известен преобразователь с вертикальными канавками: и+ область сплошная, требует высокого времени жизни НрНЗ для обеспечения хорошей эффективности в «гoлyбoй» области — неравновесным электронам приходится проделать длительный путь до достижения я+ слоя; основные недостатки - это сложность технологии изготовления и дороговизна (Gооdriсh J., Сhарlе-Sоkоl., Аllепdоге G., Frank R. Тhе еtсhеd multiрlе vеrtiсаl juпсtiоп siliсоп рhоtоvоltаiс сеll //Sоlаг Сеlls. 1982. Vol.6, N 1. P. 87-101); КПД достигнут 18,5 %.
Известен преобразователь (Патент US 6,998,288 Bl от 14.02.2006 г.) с лицевым отталкивающим слоем и тыльной (теневой) гребенчатой контактной системой, КПД которого достигает до 20 %. В данном случае легированный фронталь- ный слой не участвует в токосборе НрНЗ, т.е. во внутреннем сопротивлении элемента, поэтому он может быть сформирован тонким и умеренно легированным. Реализация таких систем технически не сложна, но связана с рядом условий: до- рогостоящий базовый материал, кремний зонной плавки, который должен отвечать ряду жестких требований (высокое время жизни и высокую однородность). Т.е. требуется соблюдение всех технологических мер по сохранению времени жизни НрНЗ в противном случае эффективность, в коротковолновой области спектра будет утеряна т.к. при малых диффузионных длинах образовавшиеся НрНЗ рекомбинируют в объеме не достигнув токосборных электродов, потребуется уменьшение толщины базового полупроводника, что в свою очередь повлечет потерю в длинноволновой области спектра.
Наконец известны каскадные преобразователи (Алферов Ж.И., Андреев B.M., Румянцев B.Д.. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. C.937 - 948; Мейтин M.. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000 . N° 6. - С. 40-46), эффективность которых достигает 36 %. Большинство СЭ, как отмечено выше основаны на однопереходных устройствах. В однопереходном элементе свободные носители зарядов создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны ШЗЗ. Фотоэлектрический отклик таких СЭ ограничен частью солнечного спектра, энергия которых выше ШЗЗ, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более СЭ с раз- личной ШЗЗ. Такие элементы были названы каскадными или многопереходными. Основные недостатки — это сложность технологии изготовления и дороговизна на данный уровень развития техники. Однако исследователи (Алферов Ж.И., Андреев B.M., Румянцев B.Д.. /Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики. //Физика и техника полупроводников. 2004, т.38, вып.8. C.937 - 948; Мейтин M.. / Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000 . N° 6. - С. 40-46) пророчат будущность каскадных преобразователей.
Необходимо особо отметить, что в уровне техники, во всех без исключения конструкциях преобразователей, присутствует один общий элемент - сравнитель- но большой по площади сплошной (целостный без разрывов) собирающий и+ слой, которые ограничивают КПД из-за большого слоевого сопротивления. Кроме того, во всех преобразователях генерируемый ток представляет собой диффузионную составляющую полного тока.
Следствием низкого КПД является высокая себестоимость электроэнергии, производимой с использованием таких преобразователей. Теоретически, за ис- ключением каскадных преобразователей, уровень КПД не может в них превышать 25 % поглощаемой энергии. При этом за чертой преобразования остаются: наиболее энергетичная УФ и выше часть спектра и длинноволновая ИК область . ЭМИ. Между тем преобразование УФ части солнечного спектра и выше, особенно в области жесткого УФ и рентгеновского излучения - и есть принципиальное ре- шение энергетического голода космических аппаратов; а преобразование низких частот (НЧ) длинноволнового диапазона ЭМИ могло бы привести к решению земных энергетических проблем и в целом расширение спектра преобразуемых частот приведет к кардинальному снижению себестоимости «aльтepнaтивнoй» электроэнергии. Сегодня на мировом рынке стоимость одного ватта «aльтepнaтивнoй» (т.е. произведенной путем преобразования ЭМИ) электроэнергии составляет 6-7 долларов США. При этом около половины этой стоимости составляет стоимость кремния. В настоящее время только несколько стран могут позволить себе кардинально развивать альтернативную солнечную энергетику - это такие страны, как Германия, Япония, США. Считается, что если стоимость одного ватта произведенной «aльтepнaтивнoй» электроэнергии будет меньше 3-х долларов США, а КПД достигнет выше 25 %, то в солнечной энергетике наступит мировой прорыв. Таким образом, эффективность ФЭП из уровня техники ограничена, с одной стороны, узкой частью спектра преобразования падающего ЭМИ, а с другой - низкой техникой преобразования попадающего во внутрь преобразователя ЭМИ, т.е. малым значением коэффициента внутреннего преобразования, обусловленного в основном рекомбинационными процессами и большим внутренним сопротивлением элемента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ В связи с вышесказанными недостатками, присущими решениям, известным из уровня техники, целью изобретения явилось создание высокоэффективных широкополосных преобразователей, имеющих высокий коэффициент внутренне- го преобразования ЭМИ, работающих в широком диапазоне частот (от ИК- излучения до УФ и выше) и интенсивностей падающего ЭМИ.
Такие преобразователи должны также обладать более высоким КПД и мощностью, чем известные из уровня техники аналоги и должны иметь высокую точ- ность и стабильность выходных электрических характеристик, а также должны работать в условиях значительных перепадов температур и радиации. Кроме того, преобразователи должны быть не только технически, но и экономически эффективными, быть сравнительно дешевыми и технологически адаптируемыми в современный уровень полупроводникового производства. При этом на выполне- ние этих преобразователей должно уходить минимальное количество полупроводникового материала.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе электромагнитного излучения, содержащем полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой сформированы N>1 дискретных, локальных областей первого типа про- водимости, подложка имеет второй тип проводимости так что указанные области первого типа проводимости образуют с подложкой N>1 р-п переходов, объединенных в токовый узел, согласно первому аспекту изобретения, вне областей первого типа проводимости на лицевой стороне подложки сформированы изотип- ные переходы, создающие неосновным носителям заряда отталкивающие изотип- ные барьеры.
В частном случае по крайней мере часть лицевой стороны подложки может быть текстурирована.
В частном случае на лицевой стороне подложки может быть нанесен антирефлекторный слой. В частном случае в подложку внедрены локальные центры поглощения электромагнитного излучения и инжекции неравновесных носителей заряда, создающие градиенты концентрации неравновесных носителей зарядов.
В частном случае на лицевой стороне подложки вне областей первого типа проводимости сформированы легированные углубленные изотипные отклоняю- щие области, создающие градиент концентрации неравновесных носителей заряда по отношению к области или областям второго типа проводимости. Области первого типа проводимости предпочтительно расположены друг от друга на расстояниях, соизмеримых с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
В частном случае тыльная сторона подложки может содержать легирован- ные углубленные дискретные собирающие области второго типа проводимости, образующие с материалом подложки локальные изотипные переходы, объединенные посредством локальных контактов и тыльного проводящего электрода в тыльный противоположный токовый узел.
В частном случае подложка с тыльной стороны может содержать N>1 дис- кретных локальных собирающих областей первого типа проводимости и N дискретных р-п переходов, объединенных вторым токосборным электродом во второй тыльный токовый узел.
В частном случае на лицевой стороне подложки расположен слой диэлектрика, имеющий окна, по меньшей мере, в зонах расположения дискретных ло- кальных N областей с проводимостью первого типа, обеспечивающие контакт первого электрода с указанными областями.
В частном случае N>1 , причем указанные N областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки выполнены отдельными и однотипными, с образованием N отдельных и однотипных р-п переходов. В частном случае N=I, причем выполненная на лицевой стороне подложки область с проводимостью первого типа может содержать К > 1, где К - целое число - участков первого типа проводимости, соединенных между собой посредством M > 1 соединительных элементов с проводимостью первого типа. В частном случае M = I, т.е. указанная область с проводимостью первого типа содержит один легированный соединительный элемент первого типа проводимости в виде одной сплошной прямоугольной полоски.
В другом частном случае указанная область с проводимостью первого типа может содержать M>1 легированных соединительных участков первого типа проводимости в виде отдельных однотипных тонких полосок прямоугольной формы. Указанная область с проводимостью первого типа может содержать M > 1 легированных соединительных участков первого типа проводимости, расположенных с образованием сетки. В частном случае р-п переходы с прилегающими к ним собирающими областями выведены, на боковую и фронтальную поверхности лицевой стороны.
В частном случе под каждой из N областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположен легированный слой с проводимостью второго типа.
В частном случае под каждой из указанных областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположена стопа из G > 1 последовательно чередующихся слоев с проводимостью второго типа и проводимостью первого типа. При этом области первого и второго типа проводи- мости в указанной стопе могут быть последовательно или параллельно скоммути- рованы (соединены), в частности - посредством легированных соединительных элементов того же типа проводимости. При этом по крайней мере, часть указанных соединительных элементов или все указанные соединительные элементы могут образовывать замкнутые контуры. В частном случае на лицевой стороне подложки расположено X > 1 дополнительных легированных отклоняющих областей, отдельных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа. Каждая из указанных X легированных отклоняющих областей может иметьпроводимость второго типа, X отклоняющих областей могут включать в себя области, как с первым, так и со вто- рым типом проводимости или же каждая из указанных X легированных отклоняющих областей имеет проводимость первого типа. Предпочтительно указанные легированные отклоняющие области выполнены дискретными, однако по крайней мере, часть легированных отклоняющих областей с одинаковым типом проводимости могут быть объединены соединительными участками того же типа прово- димости в контуры. По меньшей мере, одна из N собирающих областей с проводимостью первого типа, выполненная на лицевой стороне подложки, может быть расположена в образованном отклоняющими областями контуре.
В частности указанные X легированных отклоняющих областей могут быть выполнены в виде непрерывного замкнутого контура (кольца или пояса), а по меньшей мере, одна из N собирающих областей может быть расположена внутри указанного непрерывного замкнутого контура. В частном случае N собирающих легированных областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки и легированные отклоняющие области расположены в чередующихся дискретных квантовых ловушках-углублениях с периодом F< 2/ , где /- диффузионная длина неравновесных носителей заря- дов, а указанные ловушки выполнены на лицевой стороне подложки, причем собирающие области первого типа расположены в одних углублениях, а отклоняющие области - в других углублениях вдоль расположения углублений с проводимостью первого типа на расстоянии периода F от ближайшего углубления.
В частном случае преобразователь далее содержит дополнительный третий (или второй лицевой) токосборный электрод, соединенный с каждой или хотя бы одной из указанных X легированных отклоняющих областей с проводимостью второго типа.
В частном случае поверх слоя диэлектрика расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод. При этом на лицевой стороне подложки расположено X > 1 дополнительных легированных отклоняющих областей, отдельных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа, а поверх слоя диэлектрика в зоне расположения по крайней мере одной из указанных X легированных отклоняющих областей может быть расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод. Первый собирающий электрод, соединенный с каждой из N областей первого типа проводимости, может быть выполнен расширенным и перекрывающим в плане каждую отдельно взятую указанную область с проводимостью первого типа, с которой он соединен, причем первый электрод может быть соединен с отклоняющим полевым электродом с образованием единого расширенного соби- рающе - отклоняющего электрода.
Указанный расширенный собирающе - отклоняющий электрод предпочтительно, но не обязательно выполнен из оптически прозрачного (или полупрозрачного) токопроводящего материала (например, Si*, TCO, ITO).
Указанный расширенный собирающее - отклоняющий полевой электрод может быть также выполнен сплошным на всю лицевую сторону из оптически прозрачного токопроводящего материала (например, Si*, TCO, ITO). В частном случае первый электрод может быть размещен по периметру каждой из N токосборных областей на лицевой стороне, отклоняющие области могут быть расположены по периметру первого электрода.
Еще в одном частном случае вне собирающе - отклоняющего электрода вдоль его периметра сформирован третий электрод (или первый дрейфовый электрод на лицевой стороне), образующий при подаче потенциала смещения дрейфовое поле. Под дрейфовым электродом могут быть расположены отклоняющие области первого типа проводимости. Также между первым и дрейфовым электродами сформирован полевой дрейфовый электрод (второй по счету дрей- фовый электрод на лицевой стороне), расположенный над отклоняющими областями второго типа проводимости. При этом второй дрейфовый электрод на лицевой стороне предпочтительно электрически соединен с подложкой.
В частном случае на лицевой стороне размещены Y > 1 тонких электродов, объединенных в токовый узел и, причем шаг между электродами соизмерим с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
В частном случае области с проводимостью первого типа на лицевой стороне и области второго типа проводимости на лицевой стороне могут быть покрыты микролинзами или микропризмами.
В частном случае обратная сторона подложки с проводимостью второго типа содержит W > 1 отдельных отклоняюще - собирающих легированных областей с проводимостью второго типа, объединенных в токовый узел посредством сплошного второго электрода. Указанные отдельные W > 1 легированные отклоняющее - собирающие области предпочтительно выполнены однотипными.
Обратная сторона может также содержать V > 1 легированных отклоняю- щее - собирающих областей первого типа проводимости, каждые из которых соединены четвертым электродом в токовый узел. Далее обратная сторона может содержать дополнительные дискретные отклоняющие области первого типа проводимости, расположенные по периферии отклоняющее - собирающих областей с проводимостью второго типа и первого типа или, как вариант, обратная сторона содержит дополнительные дискретные отклоняющие области второго типа проводимости, расположенные между указанными дискретными отклоняющими областями первого типа проводимости. Преобразователь предпочтительно выполнен на полупроводниковой подложке толщиной соизмеримой или меньше диффузионной длины неравновесных носителей зарядов.
На лицевой или обратной стороне полупроводниковой подложки могут быть размещены Z областей с источником дополнительного электромагнитного излучения, например, cтpoнция-90.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается батарея, содержащая J > 1, где J целое число, преобразователей, выполненных по любому из ранее описанных вариантов, имеющих многоугольную форму наружной кромки и со- единенных между собой в последовательную и параллельную электрическую цепь. При этом в частности наружная кромка преобразователей может иметь гексагональную конфигурацию.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается батарея, содержащая J > 1, где J целое число, преобразователей, выполненных по любому из ранее описанных вариантов, имеющих псевдогексагональную форму наружной кромки и соединенных между собой в последовательную и параллельную электрическую цепь.
Согласно следующему аспекту изобретения заявляется батарея, содержащая J > 1, где J целое число, тонких проходных преобразователей, выполненных по любому из ранее описанных вариантов, расположенных в стопе и соединенных между собой в последовательно-параллельную электрическую цепь, причем размещенных в стопе в такой последовательности, что верхний слой или каскад преобразует коротковолновую часть спектра падающего излучения, а каждый последующий нижний каскад или слой в стопе преобразует более длинноволновую. В целях однозначного понимания описании изобретения принято следующее толкование типов проводимости полупроводников: под проводимостью первого типа понимается р-проводимость или п-проводимость, а под проводимостью второго типа, соответственно, противоположная первой - п проводимость или р- проводимость. Методологически поставленная в изобретении задача решается в изобретении использованием принципиально новых физических явлений, закономерностей и свойств, открытых и обнаруженных авторами изобретения, новейшими j конструктивными решениями, а также использованием в этих конструкциях апробированных технических приемов.
В частности, в основу изобретения положены управление рекомбинацион- ными процессами и градиентом концентрации НрНЗ, естественные свойства ма- териалов, связанные с их природной дискретно - гетерогенной структурой и явлениями, основанных на целенаправленном применении этих свойств и явлений: эффект пучка, или токового узла, эффекта γ-образной траектории движения зарядов в дискретных преобразователях и др. явлений и свойств.
Экономическая эффективность достигается не только за счет технической эффективности и увеличения КПД, но и тем, что в изобретении используется оптимальная минимизированная конструкция, использующая минимальное количество материала подложки, и за счет использования оптимальной конфигурации элементов и их размещения в батарее.
Рассмотрим приемы повышения эффективности преобразователей элек- тромагнитного излучения, использованные в изобретении.
В предлагаемом изобретении эффективность ФЭП повышается как расширением диапазона преобразуемого спектра ЭМИ, так и существенным улучшением техники преобразования за счет снижения рекомбинационных потерь, а также снижения потерь от прохождения излучения без поглощения, снижения потерь от теплового рассеяния и снижения потерь от внутреннего сопротивления преобразователя.
Приемы снижения отражения падающего излучения за счет антирефлекторных покрытий в мировой практике хорошо изучены. Однако предельное снижение отражения до 1 % и меньше дает прибавку КПД всего лишь на 3-4%. В стан- дартных кремниевых преобразователях со сплошным р-п переходом не удается получить КПД свыше 25%. Основной причиной здесь являются рекомбинацион- ные потери и потери на внутреннем сопротивлении, результатом которого является насыщение ФЭП по току и напряжению. Как показали измерения авторов изобретения стандартных СЭ из уровня техники, в силу высокого внутреннего со- противления, их вольт амперные характеристики выпрямляются, как при больших интенсивностях падающего излучения и температурах, так и при низких уровнях освещенности. Современная однопереходная сплошная структура СЭ не справляется с большим потоком энергии, попавшей во внутрь преобразователя. Поэтому коэффициент внутреннего преобразования (отношение выходной мощности к мощности, попавшей во внутрь преобразователя) в таких ФЭП мал и он совпадает с ко- эффициентом полезного действия (отношение выходной мощности к падающей мощности). Как показали измерения авторов настоящего изобретения коэффициент внутреннего преобразования (КВП) современных высокоэффективных кремниевых преобразователей составляет не более 25%. Отсюда и следует вывод: КПД сплошных однопереходных солнечных элементов не может быть боль- ше 25%! Все усилия авторов изобретения, поэтому направлены на увеличение, прежде всего, коэффициента внутреннего преобразования. Для этого необходимо, прежде всего, устранить рекомбинацию ННЗ и снизить внутреннее сопротивление ФЭП.
Повышение эффективности за счет расширения спектрального диапа- зона в сторону коротковолновой УФ области ЭМИ.
Этот прием основан на разрыве сплошного слоя однопереходного СЭ и к решающему переходу от сплошных (непрерывных) однопереходных преобразователей к дискретным многопереходным согласно изобретения.
Как показано выше, основной причиной отсекания УФ части спектра ЭМИ является высокое содержание электронов в п+ слое, расположенном на всей лицевой поверхности сплошного однопереходного солнечного элемента (Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. Москва, изд. Мир, 1984. 470 с). Поэтому для того, чтобы УФ кванты вошли вовнутрь полупроводника и поглотились необходимо открыть им окна для прохождения вовнутрь СЭ, т.е. необ- ходимо разорвать сплошной п слой или сделать конструкцию лицевой части преобразователя с окнами без п+ слоя. Такому условию соответствует предлагаемая нами конструкция преобразователя с локальными дискретными р-п переходами и разорванным собирающим слоем, в разрывах сплошности которых расположены оптические окна. Локальные дискретные переходы одновременно и сущест- венно снижают внутреннее сопротивление преобразователя. Это связано как с проявлением в дискретных преобразователях, названных пучковыми, статистических эффектов, так и снижением траектории движения НрНЗ. В современных сплошных преобразователях большие внутренние сопротивления обусловлены, как с объемом полупроводника, так и с большим слоевым сопротивлением, связанные с большой длиной Т-образной траектории движения НрНЗ (см.фиг. 117). В дискретных же преобразователях объемное сопротивление мало, но и слоевое со- противление также мало - за счет γ-образной траектории движения зарядов (см. фиг 118). Поэтому в дискретных преобразователях суммарное внутреннее сопротивление гораздо меньше, чем у сплошных.
Однако, выше упомянутый способ расширения диапазона поглощения холодной части спектра ЭМИ, не позволяет расшириться в сторону длинноволновой части. Для расширения как в сторону коротковолновой, так и в сторону длинноволновой области ЭМИ авторами предлагается локальное внедрение в полупроводник дискретных многопереходных (гетеропереходных) структур.
Повышение эффективности за счет расширения спектрального диапазона в сторону коротковолновой УФ и длинноволновой ИК области ЭМИ. Многопереходная дискретная структура в полупроводнике образуется при локальном внедрении в него примесных центров (или кластеров, или зон, или на- ночастиц, или абсолютно черных тел, или любых других неоднородностей) поглощения и инжекции фотонов различной длины - от коротковолновых УФ до длинноволновых ИК. Этот прием при локальном внедрении одновременно созда- ет и области градиента концентрации зарядов, необходимые для диффузии и движения генерированных зарядов до токособирающих элементов и дальше во внешнюю цепь преобразователя.
При поглощении ЭМИ в полупроводнике образуются неравновесные не основные носители зарядов (НрНЗ) или ЭДП - дырки в п-полупроводнике и элек- троны в р-полупроводнике. При наличии градиента концентрации они диффундируют к р-п переходу, подхватываются его полем и выбрасываются в полупроводник противоположного типа проводимости, в котором они становятся основными носителями. При этом электроны будут локализоваться в полупроводнике п-типа, а дырки - в полупроводнике р-типа. В результате полупроводник р-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник п-типа - отрицательный. Между п и р областями преобразователя возникает разность потенциалов - фото ЭДС, или напряжение в режиме холостого хода. Поскольку процессы возникновения и разделения неравновесных не основных носителей зарядов (НрНЗ), или электронно-дырочных пар (ЭДП), в преобразователях является конкурирующими с процессами их рекомбинации на поверхности и в объеме полупроводника и причем поверхностная рекомбинация превос- ходит объемную, для ее снижения, в уровне техники, во всех без исключения преобразователях, конструкция лицевой стороны представляет собой сплошную (целостную без участков разрывов) легированную или диффузионную одноименную область или участок.
Для поглощения ЭМИ полупроводником и генерации ЭДП требуется со- блюдение условий: величина энергии падающей волны, по крайней мере, в случае собственного поглощения E = hv (где h - постоянная Планка, а v - частота падающей волны) должна соответствовать или быть больше ширины запрещенной зоны (ШЗЗ) ΔЕ полупроводника, т.е. hv > Δ.
В качестве примесных гетерогенных зон поглощения-инжекции могут быть локально (не гомогенно!) внедрены, к примеру, частицы карбида кремния, арсе- нида галлия, соединения индия с медью, германий, или кислород, образующий с кремнием связь типа (-Si-O-Si-) и целый ряд других соединений. Эти соединения дают спектральный максимум поглощения для определенных длин ЭМИ. Широкозонные материалы дают максимум поглощения в коротковолновой, а узкозон- ные - в длинноволновой области спектра ЭМИ. В обычном монокристаллическом кремнии, к примеру, как показывают экспериментальные измерения, проявляются два спектральных максимума поглощения: один в области 0,5 мкм, а другой - в области 0,7 мкм. Первый из них относится к примесным, а второй - к собственному максимуму поглощения кремния. Наличие в кремнии кислорода дает мак- симум спектрального поглощения при длине ЭМИ в 5-6 мкм и т.д. Обычно при очистке кремния кислород удаляется, однако, согласно нашего изобретения он необходим для поглощения длинноволновой ИК области ЭМИ.
Локальное легирование подложки ФЭП дискретными добавками, имеющих различную ШЗЗ приводит к появлению спектральных максимумов поглощения в различных областях длин ЭМИ. С другой стороны, локальное внедрение различных добавок создают в объеме подложки центры продольно-поперечных градиен- тов концентрации зарядов, которые необходимы для диффузии зарядов и дальнейшего продвижения их во внешнюю цепь ФЭП.
Таким образом, при разрыве сплошного однопереходного слоя СЭ и локальном физическом внедрении той или иной зонной дискретной добавки в под- ложку полупроводника увеличивается его спектральная чувствительность, расширяется диапазон преобразуемого спектра ЭМИ и образуется градиент концентрации НрНЗ. При этом для создания центров поглощения-инжекции ЭМИ возможно применение абсолютно черных тел, являющихся хорошими не только источниками поглощения и инжекции ЭМИ, но и областями градиента концентра- ции НрНЗ.
Для различных материалов, используемых в полупроводниковой технике, ШЗЗ составляет: карбид кремния (SiC) - ΔЕ = 2,5эB - 3.5 эВ; теллурид кадмия (CdTe) - ΔЕ = 1.44 эВ; арсенид галлия (GaAs) - ΔЕ = 1,43 эВ; диселенид меди и индия (CuInSeOB2) - ΔЕ = 1 эВ; кремний - ΔЕ = 1,1 эВ; германий (Ge ) - ΔЕ = 0,66 эВ; InGaAsSb - ΔЕ = 0,5 - 0,6 эВ; InAsPSb - ΔЕ = 0,36-0,6 В и т.д.
Для создания широкополосного ФЭП предлагается, как вариант, использовать в качестве базового материала кремний (можно использовать любой другой полупроводник). Для изготовления широкополосного ФЭП в подложке кремния р проводимости (как вариант п проводимости) создают достаточно большое коли- чество локальных дискретных р-п переходов (предпочтительно, чтобы их число было N>1 и N— юо) и открытых дискретных р областей проводимости для проникновения коротковолновых квантов, затем внедряют любым известным способом частицы материала различной ШЗЗ и размеров, вплоть до наночастиц В частности, можно внедрить арсенид галлия, германий или кислород, или карбид кремния. При этом материалы с большим ШЗЗ внедряются в верхние слои подложки, а с меньшей шириной запрещенной зоны в нижних слоях.
Дискретные частицы арсенида галлия, имеющие ШЗЗ больше, чем у кремния внедряются в верхнем поверхностном слое на лицевой стороне подложки на глубину проникновения УФ квантов - 3-5 мкм, а германий или кислород внедря- ются в нижних слоях подложки. Арсенид галлия или другой широкозонный полупроводник нужен для получения фотоотклика на коротковолновую, но высокоэнергетичную УФ часть спектра ЭМИ.
Приповерхностный слой кремния, начиненный добавками арсенида галлия на глубину 3-5 мкм, или другого материала с большей, чем арсенид галлия ШЗЗ, является своеобразной ловушкой для поглощения УФ квантов. Примесная локальная дискретная начинка подложки ФЭП узко зонными материалами (например, германием, кислородом, или сплавом KPT - кадмий-ртуть-теллур - и т.д.) являются ловушкой для длинноволнового ИК излучения. При падении ЭМИ на поверхность такого мнόгоперехоного кремниевого пирога с открытыми окнами для проникновения коротковолновых квантов и гетерогенной «зoннoй» начинкой будет поглощаться широкий спектр ЭМИ от дальнего ИК до УФ и выше. Глубина проникновения ЭМИ в таком пироге в зависимости от длины падающего излучения различна. При падении ЭМИ на фотоприемную часть ФЭП вперед будут поглощаться УФ фотоны. Затем поглощаются фотоны, имеющие меньшую энергию, но проникающие на большую глубину - им являются фиолетовые фотоны. Вслед за фиолетовыми фотонами идут синие, желтые, оранжевые, красные, и т.д., а для ИК части спектра ЭМИ базовый кремний уже будет прозрачным, но он поглотится узкозонным германием, или соединением кремния с кислородом, или другим узкозонным материалом, который легирован ниже слоя арсенида галлия. Внедрение сплавов KPT со сверхузким ШЗЗ еще более расширяет диапазон преобразования ЭМИ вплоть до среднего и дальнего ИК излучения. Предлагаемая полупроводниковая подложка, начиненная дополнительными центрами поглощения будет поглощать ЭМИ и генерировать элек- тронно-дырочные пары (ЭДП) в широком диапазоне падающего излучения - от ИК до УФ и выше.
На фиг. 119 приведена экспериментальная спектральная характеристика СЭ, из чистого кремния и выполненного из «гpязнoгo» технического кремния с примесью кислорода. Как видно, у чистого кремния довольно узкий диапазон преобразования по сравнению с «гpязным кpeмниeм». Это позволяет только на использовании «гpязнoгo кpeмния» снизить стоимость материала подложки ФЭП на один порядок. Таким образом, согласно изобретения, расширение диапазона преобразуемых волн ЭМИ решается принципиально новым способом физической модификации структуры полупроводников - созданием дискретных локальных переходов за счет внедрения добавок, создающих в базовом полупроводнике многопереход- ную структуру и градиент концентрации НрНЗ, необходимый для диффузнного продвижения НрНЗ и образования тока в преобразователе.
Дальнейшее улучшение эффективности ФЭП в рамках настоящего изобретения решается внедрением в структуру поверхности и объема подложки встроенных электрических полей, оптимизацией расстояний между токосборными ши- анми.
Во всех частных случаях осуществления изобретения принципиально новым и отличным от известных в уровне техники решений является применение в конструкции преобразователя разрывов сплошности лицевой стороны - вывод на лицевую сторону подложки, подвергаемую воздействию ЭМИ, наравне с легиро- ванным собирающим слоем (легированными собирающими областями) первого типа проводимости (р-типа или п-типа) участков второго, противоположного типа проводимости (соответственно, п-типа или р-типа - конструкция «paзopвaнный cлoй», «the bгоkеп-оff layer»). В наиболее простом случае участками второго типа проводимости могут являться участки подложки, расположенные между легиро- ванными собирающими лицевыми областями первого типа проводимости; возможно также чередование легированных областей первого и второго типа проводимости на лицевой стороне.
Принципиально новым является достижение в преобразователе по изобретению эффекта скачкообразного снижения сопротивления р-п переходов практи- чески до нуля за счет γ-образной траектории движения зарядов (см. фиг 118) и выполнения малых по геометрическим размерам N>1 дискретных локальных областей с первым типом проводимости с образованием достаточно большого количества N дискретных р-п переходов и объединением указанных N отдельных областей в пучок (в параллельную цепь) или в первый токовый узел посредством первого токосборного проводящего электрода и второго токового узла путем параллельного соединения проводником локальных контактов и высоколегирован- ных точечных углублений второго типа проводимости на обратной стороне ФЭП, создающих p+p изотипные переходы.
В уровне техники в кремниевых СЭ применяется изотипный n+n p+p тыльный барьер, который уменьшает скорость поверхностной рекомбинации неоснов- ных НрНЗ на омическом контакте. Этот барьер создается, как правило, посредством кратковременной диффузии дополнительного количества легирующей примеси со стороны тыльной поверхности. В отличии от уровня техники в преобразователе согласно изобретения изотипные переходы создаются не в противоположной, а на стороне, или в плоскости расположения дискретных локальных р-п переходов.
Изотипный n+n p+p барьер может быть сформирован различными способами: диффузией, ионным легированием и комбинацией этих способов. Кроме этого, приповерхностный слой повышенной концентрации может быть индуцирован зарядом, встроенным в пассивирующий диэлектрик и (или) антирефлекторное по- крытие и (или) полем полевого электрода, как в настоящем изобретении. В связи с этим в разрывах сплошности между чередующимися дискретными областями первого типа проводимости сформированы высоколегированные слои второго типа проводимости, образующие с областями второго типа проводимости изотипные p+p переходы. Эти изотипные переходы создают неосновным носителям за- ряда отталкивающие изотипные барьеры.
На фиг.120 для наглядности показан вариант дискретного пучкового преобразователя, согласно изобретения, с двумя противоположными токовыми узлами: N дискретные р-п переходы образуют линиям тока не основных неравновесных носителей заряда первый токовый узел, а области высоколегированных дискрет- ных углублений проводимостью второго типа вместе с изотопными переходами и дискретными локальными контактами тыльной стороны образуют линиям тока основных неравновесных носителей заряда второй токовый узел. Скачкообразное падение сопротивления происходит как за счет статистического разброса (о чем будет сказано в дальнейшем по тексту описания) и эффекта токового узла (или эффекта пучка), так и снижения траектории движения зарядов при γ -образной траектории движения НрНЗ (фиг. 118 и фиг. 120). В изобретении, как вариант предлагаются не только два противоположных токовых узла, но и конструкции с четырьмя противоположными токовыми узлами: два токовых узла на лицевой стороне и два на тыльной стороне, образованных параллельным соединением токособирающих и отклоняющих областей (элемен- тов). Примеры выполнения конструкций таких преобразователей приведены далее по тексту.
Как вариант предлагаются конструкции солнечных элементов с противоположными токовыми узлами за счет размещения собирающих областей с первым типом проводимости и N дискретных переходов, не только с на лицевой стороне, но и с тыльной стороны базовой области второго типа проводимости.
Существенно важным в изобретении является снижение геометрических размеров р-п переходов. Линейные размеры переходов должны быть малыми (d -→ δ, где δ - бесконечно малая величина БМВ), а их число до N»l (в идеале N — *• ∞, где оо - бесконечно большая величина ББВ) и необходимо выполнять их от- дельными (не связанными друг с другом) и однотипными, т.е. по существу одинаковыми по размерам, конфигурации и др. технологическим условиям изготовления.
В различных случаях осуществления изобретения преобразователь характеризуется также следующими новыми и отличными от уровня развития техники аспектами:
1) Создание в дискретном преобразователе «paзopвaнный cлoй», в разрывах сплошности, между чередующимися дискретными локальными областями первого типа проводимости, высоколегированных областей проводимости второго типа проводимости, образующие с базовой областью второго типа проводимости изо- типные p+ р переходы, которые являются оптическими окнами, для доступа ЭМИ во внутрь преобразователя, и одновременно изотопными отклоняющими областями.
2) Локализация процесса преобразования ЭМИ и создание системы локальных поверхностно-объемных неоднородностей (СИПОН), представляющих собой локальные дискретно чередующиеся на поверхности и в объеме ФЭП гетерогенности, включая противоположные #i+ и р области, сдвигающих чувствительность преобразователя в сторону ИК области и в противоположную - в сторону УФ и рентгеновского излучения;
3) СИЛОН образуется путем локального введения любых неоднородностей, включая добавки различной ШЗЗ в виде центров поглощения и инжекции ЭМИ, влияющих на градиент концентрации ННЗ. В простейшем случае повышению образования градиента НрНЗ приводят локальные микролинзы, концентрирующие (в пучок) ЭМИ в локальных областях поверхности и объема полупроводника и тем самым существенно увеличивая интенсивность падающего излучения создают в поглощающей области перепад (градиент) концентраций ННЗ, обусловли- вающий интенсификацию основополагающей в работе ФЭП, диффузионной (dп/dх) составляющей тока. Использование системы микролинз или микропризм на порядок и более увеличивают интенсивность падающего потока ЭМИ, существенно увеличивая мощность и эффективность работы преобразователя. СИЛОН выполняется любыми чередующимися локальными дискретными поверхностно- объемными неоднородностями, включая противоположные л+ и p+ области в структуре поверхности и объема базового полупроводникового материала (в рассматриваемом случае р-Si) и распространяется на любые (полупроводниковые или др.) материалы, использующие диффузионно - дрейфовые механизмы разделения неравновесных НрНЗ 4) Применение в конструкции преобразователя, наряду с диффузионными полями (поперечных и продольных составляющих), источников дрейфовых отклоняющих полей, представляющих собой области в виде поясов первого типа проводимости (как вариант второго типа проводимости) или разнотипные (первого и второго типа проводимости) вокруг числа N областей с проводимостью пер- вого типа на лицевой и обратной стороне преобразователя, ускоряющих движение НрНЗ и увеличивающих собираемость зарядов на токосборниках; применение в конструкции преобразователя, наряду с диффузионными полями, дополнительных дрейфовых отклоняющих (и собирающего на электродах НрНЗ) полей преобразователя путем внедрения (легирования) вокруг N областей с первым ти- пом проводимости поясов из локальных N слоев со вторым типом проводимости на лицевой и обратной стороне преобразователя практически устраняющих ре- комбинацию зарядов как в объеме, так и на поверхности (с лицевой и обратной стороны);
5) Применение в конструкции преобразователя «paзopвaнный cлoй» управляющих полевых электродов на лицевой и обратной стороне подложки; 6) Применение в конструкции преобразователя «paзopвaнный cлoй» способа повышения контактной разности потенциалов за счет внедрения под областью с первым типом проводимости поддиффузионного к ней слоя со вторым типом проводимости т.к. после локализации размеров р-п переходов поддиффузионные слои уже не препятствуют проникновению излучения в активный объем полупро- водника; еще больший эффект повышения потенциала наблюдается, если к N поддиффузионным областям с проводимостью второго типа размещается стопка из G > 1 последовательно чередующихся слоев с двумя (первого и второго) типами проводимости таким образом, что под каждым слоем n+ прилегает p+ слой, а под ним снова слой n+ и т.д., причем поддиффузионные области со стопкой чере- дующихся р-п переходов последовательно или параллельно могут быть скомму- тированы. При последовательной коммутации в структуре преобразователя образуются N умножителей потенциала, а при параллельной коммутации - N умножителей тока;
7) Применение в конструкции преобразователя «paзopвaнный cлoй» глубо- ких диффузионных и+p+пepexoдoв с травлением поверхности с последующей диффузией (мезапланарные конструкции ФЭП), существенно снижающие сопротивление р-п перехода, увеличивающие поверхность поглощения и степень поглощения преобразователя и концентрацию ННЗ в объеме;
8) Применение в конструкции преобразователя «paзopвaнный cлoй» глубо- ких квантовых ловушек, обеспечивающих существенное снижение сопротивления р-п переходов, а также существенное поглощение и преобразование высокоэнер- гетичной коротковолновой части ЭМИ и длинноволновой части ЭМИ;
9) Применение в конструкции преобразователя «paзopвaнный cлoй» для снижения внутреннего объемного сопротивления р-п переходов, как вариант, тон- ких полупроводниковых подложек толщиной менее диффузионной длины НрНЗ, усиливающих эффект снижения объемного сопротивления р-п переходов (по сравнению со стандартными пластинами толщиной 300 мкм и более) и позво- ляющего в 5-6 раз сократить расход материала и увеличить экономический и технический эффект; применение в конструкции лицевой и обратной стороны преобразователя (для дополнительного снижения сопротивления) электродов полоско- во-сеточной конструкции, создающих эффект токового узла (или пучка; 10) Двустороннее (на JlC и ОС) размещение чередующихся п+p+ областей в конструкции преобразователя на полупроводниковой подложке, позволяющее в полной мере использовать диффузионную и дрейфовую составляющих токов и полностью устранить рекомбинацию ННЗ как на поверхности, так и в объеме преобразователя; 11) Применение в конструкции преобразователя «paзopвaнный cлoй» дополнительных встроенных и постоянных (работающих в любое время суток) источников ЭМИ - слабых радиоактивных излучающих веществ, например, стронция — 90 и др. химических соединений и элементов.
12) Применение оптимальной гексагональной и псевдогексагональной кон- фигурации преобразователей при размещения и компоновки в солнечных системах - батареях, позволяющий сэкономить материал подложки; применение каскадной компоновки батарей в стопу проходных СЭ на сверхтонких пленках с различной глубиной диффузионного слоя с параллельной или последовательной их коммутацией. Изобретение применимо к любому из известных в настоящем уровне развития техники типов преобразователей, или фотовольтаических ячеек, включая ге- теропереходные, на любом материале, способных преобразовывать ЭМИ в ЭДС и ко всем способам формирования преобразователей. Следует отметить, что для простоты дальнейшее изложение сущности изобретения и конкретных примеров его осуществления будет проводиться для случая кремниевой подложки с р- проводимостью и лицевых собирающих N легированных областей с п- проводимостью (n+-пpoвoдимocтью), хотя специалисту будет очевидно, что с равным успехом для реализации настоящего изобретения может использоваться подложка с п-проводимостью и лицевые собирающие области с р-проводимостью (p+ - проводимостью).
В предлагаемом изобретении авторами используются приемы, направленные на локализацию процесса преобразования ЭДП и создание СИПОН, которая повышает эффективность диффузионной составляющей тока ФЭП. В то же время в изобретении кроме диффузионной составляющей тока преобразователя применяется дополнительное встроенное поле в виде дрейфового, в результате которого КПД преобразователя существенно повышается. . Во всех случаях осуществление изобретения достигается разрывом сплошности собирающего п+ слоя, в т.ч. включая создание локальных дискретных областей произвольной формы и конфигурации, омически связанных или не связанных между собой и с собирающим электродом. Собирающий и+ слой может быть выполнен в виде сетки дискретных с числом N>1 (как вариант N » 1) минимизи- рованных по размеру ячеек произвольной формы и конфигурации (описанной выше в техническом приеме локализации процесса преобразования ЭМИ), или поверхностно распределенной гребенчатой структуры, или любых дискретных элементов. В целом, любой дискретный элемент или ячейка представляют собой локализованную область с произвольной конфигурацией, объединенных электро- дами в один токовый узел.
Создание на лицевой стороне преобразователя затененных зон, с одной стороны, снижает светочувствительную площадь поглощения (снижая эффективность преобразователя), но с другой стороны, усиливает градиент концентрации НрНЗ, повышая тем самым величину и эффективность диффузионной состав- ляющей тока. Предпочтительно затененные участки сделать минимального размера (например, размер d токопроводящей цепи, или контактов, по ширине должен стремиться к достаточно малому значению δ - к размеру n+ области). В случае малых линейных размеров в силу краевой дифракции ЭМИ затенение практически будет отсутствовать. Затененными зонами могут быть /I+ области в силу увеличения ими коэффициента отражения, зависящего от концентрации свободных носителей в отражающем слое, а также отклоняющие p+ слои, металлические шины и электроды собирающей #i+ области, а также любые области лицевой поверхности преобразователя. Поскольку затенение осуществляется над п+ областью или p+ слоями, (обладающими большой отражательной способностью) вклад затенения в снижение эффективности снижается. Поэтому, превалирующим в повышении эффективно- ста преобразователя является создание, за счет затененных участков гетероген- ностей, создающего в конечном счете, градиент концентрации носителей зарядов (ГКНЗ) необходимого для процесса диффузии зарядов и протекания фототока преобразователя. Области затенения могут иметь любую произвольную конфигу- рацию. Зоны неоднородностей должны быть предпочтительно однотипными, отдельными и минимальными, объединенными с помощью проводника в один токовый узел, а конфигурация - произвольной формы, а их число предпочтительно N»l.
Локализация процесса преобразования ЭДП и связанного с ним сниже- ния внутреннего сопротивления р-п переходов в изобретении, как уже отмечалось, решается за счет снижения пути движения зарядов по γ-образной траектории движения НрНЗ и объединения множества N областей с проводимостью первого типа (при N > 1) в первый токовый узел посредством первого электрода, который прилегает к каждой из указанных N областей и второй токовый узел за счет объединения в параллельную цепь проводящим вторым электродом обратной стороны высоколегированных углубленных областей второго типа проводимости. Второй токовый узел с обратной стороны может быть образован в двусторонних дискретных преобразователях, объединением в параллельную цепь переходов, размешенных на тыльной стороне. В результате такого параллельного соединения и объединения р-п переходов с прилегающими к ним диффузионными и областями (как вариант р областями) с проводимостью первого типа в один первый токовый узел или пучок и второй токовый узел с тыльной стороны, общее сопротивление р-п переходов в цепи снижается практически до нулевого значения. При этом для того, чтобы эффект γ-образной траектории движения НрНЗ был боль- шим, необходимо с одной стороны снижать расстояние между дискретными переходами, а с другой - необходимо снижать толщину базовой подложки преобразователя. Оптимальным будет. Если расстояния и толщина будут соизмеримы или будут меньше диффузионной длины НрНЗ.
Снижение внутреннего сопротивления до значения, близкого к нулевому усиливает ток в цепи, снижает объемную и поверхностную рекомбинацию зарядов и тепловые потери в объеме преобразователя, что в итоге увеличивает его мощность и КПД. При этом каждая из областей с проводимостью первого типа под первым электродом и сами электроды могут иметь любую форму и конфигурацию, в частности, выполняются прямоугольными, квадратными, шестиугольными (с различным соотношением размеров сторон), восьмиугольными (с различным соотношением размеров сторон) и т.д. Для дальнейшего снижения величины полного внутреннего сопротивления преобразователя целесообразно увеличивать число N областей с проводимостью первого типа до N»l, а именно: (а) не менее 10, (б) не менее 50, (в) не менее 80, (г) не менее 100, (д) не менее 1000, (е) не менее 10000, (ж) не менее 100000, (з) не менее 10000000 и т.д. При этом размер перехода должен стремиться к бесконечно малому значению, в частном случае, он должен быть точечным.
Снижение внутреннего сопротивления преобразователя основано, таким образом, на применении новых физических способов модификации материалов, приводящих к снижению величины внутреннего сопротивления Rp и увеличению чувствительности поверхности преобразователя к ЭМИ. Этот простой, но прин- ципиально новый физический способ модифицирования основан на использовании эффекта пучка, или токового узла. Эффект пучка или токового узла реализуется при достаточно большом числе N > 1 (где N - целое число, идеальный случай когда N — »• да) элементов в пучке и чтобы эти элементы были отдельными и однотипными. Кроме того, для реализации эффекта усиления или ослабления в пучке элементы (в данном случае р-п переходы с прилегающими диффузионными областями) предпочтительно выполнять достаточно малыми по размеру d, т.е. должно соблюдаться условие стремления Геометрического размера р-п перехода к бесконечно малому значению d —> δ. И еще, кроме того, для снижения полного внутреннего сопротивления р-п переходов согласно изобретения предлагается, в качестве одного из вариантов, снизить толщину полупроводникового материала, в частности, стандартную толщину кремниевых пластин предпочтительно снизить с 300 - 400 мкм до толщины соизмеримой с диффузионной длиной НрНЗ, например, до 70 мкм и менее.
Как показывают проведенные авторами эксперименты, при толщине менее 70 мкм полупроводниковый материал переходит в особое физическое состояние - в состояние с высокими значениями физических характеристик. Это проявление общего природного феномена - масштабного эффекта физических характеристик. В тонких пластинах-подложках, особенно при толщинах менее 70 мкм, резко улучшаются физические характеристики подложки: механические, электрические, тепловые и т.д.
Таким образом, толщину кремниевой пластины, как один из вариантов, не- обходимо снижать для достижения технического и экономического эффекта. Расход полупроводникового кремния в целом можно снизить с 16 г/W - для стандартного веса 100 миллиметровой обычной пластины СЭ до 3-5 г/W. В этом случае стоимость одного ватта энергии только за счет экономии стоимости материала может снизиться с 6$/W до 3-4 $/W. Кроме того, расходы кремния дополнительно снижаются при использовании в изобретении гексагональной конфигурации размещения и компоновки СЭ (см. ниже описание компоновки преобразователя согласно изобретения в солнечную батарею).
Согласно полученным авторами изобретения экспериментальным статисти- ческим данным разброс значений внутреннего сопротивления р-п переходов будет тем больше, чем меньше их геометрический размер и прилегающих к ним диффузионных областей. И чем больше будет разброс и число N р-п переходов, тем больше вероятность того, что в такой статистической выборке (или в таком статистическом пучке) будут присутствовать р-п переходы с нулевыми или близ- кими к нулю значениями внутреннего сопротивления р-п переходов. В такой статистической выборке, если элементы, которыми являются сопротивления р-п переходов с прилегающими диффузионными областями, соединить в параллельную электрическую цепь и объединить их в один токовый узел или пучок с помощью шины или токовых электродов, общее сопротивление будет по закону шунта ниже наименьшего значения сопротивления отдельного элемента цепи (т.е. выявленного наименьшего значения сопротивления, которым будет характеризоваться один - или несколько - из р-п переходов в цепи). Кроме того, в таких статистических выборках дисперсия значений сопротивления снижается обратно пропорционально числу р-п переходов, т.е. чем больше будет число N р-п переходов в этих вы- борках, тем меньше будет дисперсия значений сопротивлений и тем стабильнее будут электрические параметры такого полупроводникового прибора. Поэтому согласно настоящему изобретению в полупроводниковых структурах при их изготовлении целесообразно использовать достаточно большое число р-п переходов с достаточно малыми геометрическими размерами. Кроме того, для реализации наибольшего эффекта снижения сопротивления и величины его раз- броса, р-п переходы должны быть отдельными и однотипными, а размер р-п переходов в диаметре должен быть минимальным, т.е. точечным.
Таким образом, для увеличения эффекта снижения объемного сопротивления во внутренней цепи полупроводниковой диодной структуры предпочтительно, чтобы р-п переходы были дискретными и расстояния были соизмеримыми или были менее диффузионной длиы НрНЗ, чтобы их число стремилось к бесконечно большому числу, т.е. N→ ∞, и чтобы эти переходы были однотипными, чтобы они были отдельными, а линейные размеры (например, диаметр, при круговой конфигурации диффузионных и областей, т.е. р-п переходов) каждого из N р-п переходов были бы достаточно малыми и в идеале стремились к бесконечно малой величине δ - d-→ δ.
К существенному снижению сопротивления преобразователя ведет также использование вместо сплошных тыльных электродов дискретных точечных контактов, или контактов в виде тонких полосок с поперечной шиной образующим второй токовый узел, или сеточной конфигурации, или полосково-сеточной, или иной другой конфигурации создающим второй токовый узел с обратной стороны преобразователя.
При соблюдении указанных условий в преобразователе, согласно изобретения, имеющем диодную структуру, как будет ниже показано, полное внутреннее сопротивление р-п переходов будет стремиться к минимальному (нулевому) зна- чению. Это является следствием снижения активной R (R → 0), емкостной С (С → 0) и индуктивной (L → 0) составляющих полного внутреннего сопротивления RP р-п переходов. Величина добротности Q в таком преобразователе с увеличением числа N (N —> ∞) р-п переходов стремится к достаточно большой величине. В результате граничная рабочая частота, а также температурная стойкость электри- ческих параметров преобразователя вместе с уменьшением величин R, С, L будут существенно увеличиваться. Температурная стойкость будет увеличиваться вплоть до температуры близкой к температуре формирования р-п перехода в по- лупроводнике. При этом поскольку полное сопротивление снижается, то коэффициент внутреннего преобразования и выходная мощность преобразователя будут увеличиваться. В экспериментах авторов удавалось получить коэффициент внутреннего преобразования свыше 70-80%. Таким образом, увеличивая число N и снижая геометрические размеры отдельных р-п переходов можно выполнить преобразователь с достаточно высокой эффективностью.
В условиях локализации процесса образования ЭДП и снижения внутреннего сопротивления преобразователя дрейф возникших НрНЗ ускорится и остается лишь направить на этот дрейф небольшую разность потенциалов от поля тех жер- п переходов, которые в итоге приведут к резкому усилению тока, мощности и КПД преобразователя согласно изобретения.
Для увеличения дрейфовой составляющей тока преобразователя прежде всего необходимо эффективно разделять образовавшиеся носители заряда. При поглощении кванта излучения ННЗ в той или иной мере образуются во всем объеме р - Si, диффузионно мешая друг другу достичь собирающего л+ перехода: если бы они образовывались в какой-то локальной области, как в случае монохромного облучения, тогда бы за счет разности концентраций создался бы направленный диффузионный поток; спектр излучения Солнца широк, т.е. ННЗ образуются во всем активном объеме полупроводника и дрейф напоминает скорей не дрейф, а Броуновское движение. Следовательно, напрашивается целенаправленное упорядочивание этого движения путем подачи потенциала на управляющий электрод, что и сделано в целом ряде частных случаев (конструкций) настоящего изобретения. Таким образом, в конструкции преобразователя появляются: третий и четвертый электроды, являющиеся управляющими полевыми элек- тродами.
Таким образом, снижение рекомбинации ЭДП согласно изобретению предлагается производить за счет создания в структуре преобразователя дополнительных отклоняющих полей и дополнительных ускоряющих дрейфовых электрических полей, отклоняющих заряды и тем самым препятствующего рекомби- нации электронно-дырочных пар на поверхности и в объеме преобразователя. В обычных сплошных однопереходных преобразователях ННЗ, образовавшиеся при поглощении кванта излучения, разделяются посредством диффузии, создавая диффузионную составляющую тока. Преобразователи согласно изобретения могут быть выполнены из системы токосборных (токовых) приемных и отклоняющих (и направляющих) полевых электродов, которые, используя собственный потенциал (0,3 - 0,5 В) р-п перехода создают ускоряющее поле для ННЗ, т.е. к диф- фузионной добавляется дрейфовая составляющая тока, что повышает собираемость ННЗ на токовых электродах. Конструктивно в преобразователях согласно изобретения вокруг H+ области (как вариант P+) может выполняться пояс с высоколегированным p+ слоем (или как вариант п+ слоем), являющийся отклоняющей и направляющей системой для ННЗ. Сверху высоколегированного пояса может быть выполнена контактно-электродная система из прозрачного или иного токо- проводящего материала, на который подается потенциал не только величиной 0,3-0,5 В от самого преобразователя, но и выше путем последовательной схемы соединения нескольких отдельных элементарных преобразователей. Таким образом, отклоняющая система, или элемент, если на него подать разность потенциа- лов, в сущности является управляющим полевым электродом (подобно управляющим электродам в МОП конденсаторах или транзисторах), которым можно регулировать величину дрейфового и общего тока на выходе преобразователя, т.е. предлагаемый согласно изобретения преобразователь в дополнение ко всему может быть усилителем фототока. В качестве промежуточного варианта для снижения рекомбинации согласно изобретения создается, вокруг и+, отклоняющий пояс из p+ слоя (или комбинации p+п+ слоев). В предлагаемых конструкциях преобразователей для снижения оптических потерь на затенении с лицевой стороны предлагается, в качестве варианта, контактно-электродная система из нелегированного прозрачного токопроводяще- го материала, например, поликремния Si*, или из состава TCO или ITO (Унтила Г.Г., Кост Т.Н., Закс М.Б. и др. /Новый тип высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов с внешними шинами и проволочной контактной сеткой. //Физика и техника полупроводников. 2005, т.39, вып.l l. С.1393- 1398), соединенного с собирающим металлическим электродом. В качестве другого не менее эффективного способа устранения рекомбинации НрНЗ, как отмечено выше, предлагается оптимизировать расстояния между токосборными областями и элементами, а также толщину базового полупровод- ника. Для этого предлагается эти расстояния и толщину подложки выполнять с размерами соизмеримыми диффузионной длине НрНЗ. При таких условиях заряды не будут рекомбинироваться и достигнут своих токосборников. Другим способом устранения рекомбинации, является создание изотопных переходов, как с тыльной, так и лицевой стороны преобразователя, которые фактически являются отклоняюще-собирающими элементами преобразователя.
Кроме того, в настоящем изобретении расширение преобразуемых частот в сторону высокоэнергетичных коротковолновых частот ЭМИ, а также снижение поверхностной и объемной рекомбинации НрНЗ может быть осуществлено не только за счет указанных выше способов и эффектов, но и за счет создания глубоких квантовых ловушек, обеспечивающих захват и поглощение коротковолновых частот не только по поверхности, но и объему ФЭП.
Квантовые ловушки представляют из себя пирамидальные (усеченные у вершины пирамиды) углубления, расположенные вершиной вниз. Возможны уг- дубления любой другой геометрической конфигурации. На боковой внутренней поверхности пирамид легирован собирающий слой первого типа проводимости. К областям первого типа проводимости примыкают токосборные электроды, расположенные по глубине ловушки, обеспечивающие тем самым сбор зарядов с глубины подложки преобразователя и устраняющие поверхностную и объемную ре- комбинацию. Между пирамидальными углублениями с областями первого типа проводимости на расстоянии шага F расположены пирамидальные углубления с областями второго типа проводимости. Углубления на JIC подложки с проводимостью второго типа проводимости расположены с чередованием областей первого типа проводимости и второго типа проводимости с периодом или шагом ме- жду ними предпочтительно равным F < 2/ (где / - диффузионная длина ННЗ). Благодаря такой конструкции увеличивается глубина и площадь проникновения высокоэнергетичной коротковолновой части спектра ЭМИ в полупроводниковую подложку. При этом, чем больше глубина квантовых ловушек, тем эффективнее захват коротковолновых квантов по объему преобразователя. Следовательно, чем глубже квантовая ловушка, тем больше коротковолновых высокоэнергетичных квантов захватываются объемом преобразователя и тем больше будет количество образовавшихся НрНЗ и эффективность ФЭП. Практически преобразователи, изготовленные согласно изобретению из традиционных полупроводников типа кремний и начиненные зонными добавками, при локализации процесса преобразования ЭДП, путем снижения размеров (до d → БМВ) диффузионных п областей и увеличения их числа (до N → ББВ) будут работать в широком диапазоне частот ЭМИ - от ИК до УФ диапазона, рентгена и выше.
Далее, в связи с этим в преобразователях согласно изобретения, в одном из вариантов, встраивается дополнительный источник ЭМИ - слой с радиоактивным химическим элементом с достаточно большим периодом полураспада, используе- мых в настоящее время для биологических целей. С этой целью на JlC преобразователя (или как вариант на ОС), к примеру, под токопроводящими цепями, шинами или электродом наносится тонкий слой, например, из радиоактивного строн- ция-90, излучающего β-излучение с периодом полураспада 27,7 лет. Возможно применение других изотопов химических элементов периодической системы, на- пример, изотопа цезия - цезия- 137. Дополнительный встроенный источник технически интересен тем, что преобразователь на нем будет практически функционировать «вeчнo».
Термины, условные обозначения и определения, используемые в настоящем описании. ЭМИ - электромагнитное излучение, способное образовать неравновесные носители зарядов в преобразователе.
Подложка (база) - пластина из любого полупроводникового материала, в которой формируются элементы преобразователя. В описании взята для примера подложка р типа проводимости. Лицевая сторона JIC, фронтальная сторона, лицевая поверхность - сторона подложки, которая подвергается воздействию или облучению ЭМИ.
Обратная сторона ОС (или теневая сторона, или тыльная сторона) — сторона подложки, противоположная воздействию ЭМИ.
Фотоэлектрический преобразователь ФЭП, преобразователь — полупро- водниковое устройство, преобразующее ЭМИ в электрический ток и фото ЭДС.
Элемент преобразователя - составная часть преобразователя, участок (область) преобразователя, обладающие общими функциональными свойствами. Собирающие элементы - легированные участки (или области) преобразователя, образующие с подложкой р-п переходы, обеспечивающие токосбор НрНЗ и имеющие контакт с внешними электрическими цепями.
Отклоняющие элементы - легированные участки (или области) преобра- зователя, образующие и не образующие с подложкой р-п переходы, обеспечивающие отклонение НрНЗ.
Изотипные переходы - переходы созданные одинаковыми (однотипными) областями или слоями проводимости, но разной концентрации легирования примеси. Полевые электроды — электроды, к которым подается потенциал электрического смещения.
Диффузионный преобразователь - преобразователь основанный на диффузионном токе.
Диффузионно-дрейфовый преобразователь - преобразователь основан- ный на диффузионном и дрейфовом токе.
Используемые синонимы: Фотовольтаическая ячейка, Солнечный элемент - СЭ, Фотоэлемент, Фотогальванический элемент, Фотоэлектрический преобразователь - ФЭП, Преобразователь электромагнитного излучения.
В полупроводниковых устройствах традиционно рассматривается два ос- новных вида проводимости - п проводимость и р проводимость. Поэтому в настоящем изобретении под областями первого типа проводимости следует условно понимать п проводимость, а областями второго типа - р проводимость. Соответственно следует однозначно понимать области в преобразователе, каждая из которых характеризуется р-проводимостью (соответственно, р-область) или, как ва- риант, п-проводимостью (соответственно, п-область).
Согласно уровня техники (Карташов Э.M., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с. Тsоi В., Каrtаshоv Е.М. апd Shеvеlеv V.V. THE SТАТISТIСАL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS. Utrесht-Воstоп. Вrill Асаdеmiс Рublish- еrs/VSР. 2004. 522 р.; Цой Б., Лаврентьев В.В. /Диэлектрический материал для изделий, работающих в СВЧ диапазоне. //Патент RU 2 273 969) Цой Б., Лаврентьев В.В. Карташов, Э.M., Шевелев В.В. Электроизоляционный материал. //Патент RU 2 284593, приоритет от 26.10.2004 г.), в рамках настоящего изобретения, под статистическим пучком (или стопой, или тросом) или просто пучком следует понимать многоэлементную статистическую структуру, образованную из числа N > 1 (где N - целое число) отдельных однотипных индивидуальных составляющих элементов-сопротивлений (в данном случае сопротивлений р-п переходов с прилегающими к ним р и п областями), собранных в параллельную электрическую цепь и объединенных с помощью проводника (общего электрода) в один токовый узел - пучок. Соответственно преобразователь содержащий большое число переходов, объединенных в токовый узел или пучок назван пучковым преобразова- телем.
Далее, под однотипными понимаются р-п переходы, выполненные одинаковым способом (в одинаковых условиях) из одних и тех же материалов (с использованием одних и тех же примесей в одинаковых концентрациях), имеющие по существу одинаковые геометрические размеры, конфигурацию и форму, а также одинаковые структурно-чувствительные физические (механические, электрические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства. Однотипность р-п переходов является необходимым условием (т.е. эквивалентом) однотипности областей с одноименной проводимостью (р или п областей). Аналогично под однотипными элементами участков первого электрода понимаются элементы этого электрода, выполненные одинаковым способом из одного и того же материала (из которого выполнен, собственно, сам первый электрод) и имеющие по существу одинаковые размеры и форму, а также по существу одинаковые структурно- чувствительные физические (механические, электрические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства. Использование термина «oднoтипныe» обуслов- лено тем, что в силу наличия в любом технологическом процессе допусков на отдельные параметры получаемого на выходе продукта случай, когда все р-п переходы или все упомянутые элементы первого электрода получаются абсолютно идентичными, на практике трудно достижим, хотя и является предпочтительным. Далее, признак отдельный он означает не связанность переходов друг с дру- гом. Кроме того, под отдельностью р-п переходов понимается отсутствие у них пересекающихся или перекрывающих друг друга участков, т.е. каждый из р-п переходов располагается обособленно (отдельно) от остальных р-п переходов в пре- образователе. Это фактически эквивалентно обособленности (отдельности) указанных областей с одноименной проводимостью. Аналогично, под отдельностью упомянутых выше элементов первого электрода понимается отсутствие у них пересекающихся или перекрывающих друг друга участков, что достигается распо- ложением между этими элементами оксидного зазора (в частности, оксидированного участка первого электрода) либо сквозного отверстия (изъятия части первого электрода между упомянутыми элементами).
При дальнейшем описании изобретения будут приводиться ссылки на прилагаемые чертежи, на которых приведены фрагменты различных вариантов пре- образователей по изобретению в планарном и мезапланарном исполнении. Преобразователи по изобретению - это дискретные пучковые преобразователи с разорванным сплошным слоем = в зависимости от типа генерируемого ими тока условно разделены на несколько примеров - пучковые диффузионные преобразователи, пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи, пучковые микролин- зовые диффузионно- дрейфовые преобразователи, двусторонние пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи, пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи со встроенными источниками излучения, пучковые преобразователи на поперечных и продольных составляющих диффузионного тока. В свою очередь их можно подразделить в зависимости от конструктивного решения на различные группы или подгруппы.
Общим во всех конструктивных вариантах дискретных пучковых преобразователей является то, что дискретные локальные р-п переходы с прилегающими собирающими областями (элементами) объединены через параллельную цепь в один пучок или токовый узел и поэтому признаку они названы пучковыми преоб- разователями, а также то, что все конструкции с лицевой стороны представляют «paзopвaннyю cплoшнocть» с системой СИПОН. Для выполнения СЭ по изобретению используются стандартные полупроводниковые материалы и технология, в частности, обычный монокристаллический кремний и диффузия с фотолитографией. Можно использовать любой полупроводник. Кроме того, при выполнении преобразователей можно использовать обычные массивные кремниевые пластины стандартной толщины в 300 мкм (или меньше) или как вариант толщиной менее 70 мкм диаметром 100 мм, 150 мм или 300 мм или псевдоквадраты. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. Ia. Лицевая сторона. Фрагмент планарного пучкового дискретного диффузионного преобразователя с N>1 р-п переходов; вид сверху. Вариант гребенчатой шины. Фиг. 1. Лицевая сторона. Фрагмент планарного пучкового дискретного диффузионного преобразователя с N>1 р-п переходов; вид сверху. Вариант крестообразной шины.
Примечание: в дальнейшем на фрагментах фиг. 7-10Ob, для простоты, токопроводящие шины и цепи 5ac не показаны. Фиг. 2. Сечение A-A фиг. 1.
Фиг. 3. Лицевая сторона. Фрагмент крестообразной конфигурации собирательных элементов, вид сверху.
Фиг. 4. Лицевая сторона. Фрагмент дискретной конфигурации собирательных элементов, вид сверху. Фиг. 5. Лицевая сторона. Фрагмент дискретно - полосковой конфигурации собирательных элементов, вид сверху.
Фиг. 6. Лицевая сторона. Фрагмент дискретно - сетчатой конфигурации собирательных элементов, вид сверху.
Фиг. 7. Лицевая сторона. Фрагмент планарного дискретного диффузионно- го преобразователя, вид сверху.
Фиг. 8. Сечение A-A фиг. 7.
Фиг. 9. Лицевая сторона. Фрагмент. Соединительный элемент 2с планарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 10. Сечение A-A фиг. 9. Фиг 11. Лицевая сторона. Фрагмент. Соединительный элемент 2с мезапла- нарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг.12. Сечение A-A фиг.l 1.
Фиг 13. Лицевая сторона. Фрагмент. Полосковый соединительный элемент 2с диффузионного преобразователя. Фиг. 14. Лицевая сторона. Фрагмент. Сетчатый соединительный элемент 2с диффузионного преобразователя. Фиг. 15. Лицевая сторона. Фрагмент мезапланарного дискретного диффузионного преобразователя, вид сверху. Собирающие области 2 и р-п переходы 2а выведены наружу на фронтальную повехность JIC и боковую поверхность JIC в зону прямого попадания ЭМИ. Фиг. 16. Сечение A-A фиг.15 9.
Фиг. 17. Лицевая сторона. Фрагмент комбинированнного дискретного диффузионного преобразователя, вид сверху. Собирающие области 2 и р-п переходы 2а выведены выведены наружу на фронтальную поверхность ЛС.
Фиг 18. Сечение A-A фиг. 17. Фиг. 19. Лицевая сторона. Фрагмент. Сеточный планарный однослойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 20. Сечение A-A фиг. 19.
Фиг.21. Лицевая сторона. Фрагмент. Полосковый (гребенчатый) планарный однослойный преобразователь, вид сверху. Фиг.22. Лицевая сторона. Фрагмент. Комбинированный планарный однослойный преобразователь, вид сверху.
Фиг. 23. Лицевая сторона. Фрагмент. Сеточный планарный двухслойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 24. Сечение A-A фиг. 24. Фиг. 25. Лицевая сторона. Фрагмент. Сеточный мезапланарный однослойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 26. Сечение A-A Фиг. 25.
Фиг. 27. Лицевая сторона. Фрагмент. Сеточный мезапланарный двухслойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху. Фиг. 28. Сечение A-A Фиг.27.
Фиг. 29. Лицевая сторона. Фрагмент. Сеточный комбинированный двухслойный преобразователь с замкнутыми контурами, вид сверху.
Фиг. 30. Сечение A-A фиг. 29.
31. Лицевая сторона. Фрагмент планарного двухслойного (слой 2 и слой 6) диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 32. Сечение A-A фиг. 31. Фиг. 33. Лицевая сторона. Фрагмент мезапланарного двухслойного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг.34. Фиг. 18. Сечение A-A фиг.ЗЗ.
Фиг.35. Лицевая сторона. Фрагмент мезапланарного многослойного диффу- знойного преобразователя, вид сверху.
Фиг.36. Сечение A-A фиг. 35.
Фиг.37. Лицевая сторона. Фрагмент планарного многослойного диффузионного преобразователя с коммутацией подслойных переходов, вид сверху.
Фиг. 38. Сечение A-A фиг 37. Фиг.39. Лицевая сторона. Фрагмент однослойного дискретного планарного преобразователя с первого типа проводимостью отклоняющих элементов, вид сверху.
Фиг. 40. Сечение A-A фиг. 39.
Фиг.41. Лицевая сторона. Преобразователь с проводимостью второго типа отклоняющих элементов, вид сверху.
Фиг.42. Сечение A-A фиг. 41
Фиг.43. Лицевая сторона. Фрагмент однослойного дискретного планарного преобразователя с протяженными отклоняющими областями второго типа проводимости, вид сверху. Фиг. 44. Сечение A-A фиг. 43.
Фиг 45. Лицевая сторона. Фрагмент второго типа проводимости отклоняющих областей дискретного планарного преобразователя, образующих замкнутый контур; вид сверху.
Фиг.46. Сечение A-A фиг. 45. Фиг.47. Лицевая сторона. Фрагмент с комбинированными (с первым и вторым типом проводимости) отклоняющими областями планарного дискретного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 48. Сечение A-A фиг. 47.
Фиг. 49. Лицевая сторона. Фрагмент комбинированного преобразователя с двойным травлением, вид сверху.
Фиг.50. Сечение A-A фиг 49. Фиг.51. Лицевая сторона. Фрагмент комбинированного преобразователя с двойным травлением и отклоняющими областями второго типа проводимости p+ (13), вид сверху.
Фиг. 52. Сечение A-A фиг.51. Фиг.53. Лицевая сторона. Фрагмент комбинированного преобразователя с травлением собирательного электрода, вид сверху.
Фиг. 54. Сечение A-A фиг. 53.
Фиг. 55. Лицевая сторона. Фрагмент комбинированного преобразователя с травлением собирательного электрода и отклоняющим областями второго типа p+, вид сверху.
Фиг.56. Сечение A-A фиг. 55.
Фиг.57. Лицевая сторона. Фрагмент комбинированного преобразователя с двойным травлением.
Фиг.58. Сечение A-A фиг.57. Фиг. 59. Лицевая сторона. Фрагмент комбинированного преобразователя с травлением собирательного электрода, вид сверху.
Фиг. 60. Сечение A-A фиг 59.
Фиг. 61. Лицевая сторона. Фрагмент. Дополнительный третий (или второй фронтальный) собирательный электрод однослойного дискретного планарного преобразователя со второго типа проводимостью и протяженными отклоняющими областями в виде замкнутого контура; вид сверху.
Фиг. 62. Сечение A-A фиг.61.
Фиг. 63. Лицевая сторона. Фрагмент. Полевой непрозрачный расширенный собирающе-отклоняющий электрод 10 планарного диффузионного преобразова- теля, вид сверху.
Фиг. 64. Сечение A-A фиг.63.
Фиг. 65. Лицевая сторона. Фрагмент. Полевой расширенный отклоняющий электрод 11 из оптически прозрачного токопроводящего материала планарного диффузионного преобразователя, вид сверху. Фиг. 66. Сечение A-A Фиг. 65.
67. Лицевая сторона. Фрагсент. Сплошной полевой прозрачный отклоняющий электрод 11 планарного диффузионного преобразователя, вид сверху. Фиг. 68. Сечение A-A фиг. 67.
Фиг. 69. Лицевая сторона. Фрагмент. Полевой прозрачный отклоняющий электрод 11 над отклоняющими областями 12 и 13 первого и второго типа проводимости, вид сверху. Фиг. 70. Сечение A-A фиг. 69.
Фиг. 71. Лицевая сторона. Фрагмент. Полевой отклоняющий электрод 5а по периметру собирающих областей планарного диффузионного преобразователя, вид сверху.
Фиг. 72. Сечение A-A Фиг. 71. Фиг.73. Лицевая сторона. Фрагмент. Полевой отклоняющий электрод 5а по периметру собирающих областей планарного диффузионного преобразователя с протяженными отклоняющими областями первого и второго типа проводимости в виде замкнутого контура; вид сверху.
Фиг.74. Сечение A-A фиг. 73. Фиг. 75. Лицевая сторона. Фрагмент. Открытый сплошной собирательный элемент, вид сверху.
Фиг.76. Сечение A-A фиг. 75.
Фиг. 77. Лицевая сторона. Фрагмент. Полосковый собирательный элемент, вид сверху. Фиг. 78. Лицевая сторона. Фрагмент. Сетчатый собирательный элемент, вид сверху.
Фиг. 79. Лицевая сторона. Фрагмент. Диффузионно - дрейфовый преобразователь с расширенным собирающе-отклоняющим электродом 11 и третьим электродом 11а (или первым полевым дрейфовым электродом на ЛС), вид сверху. Фиг. 80. Сечение A-A фиг. 79.
Фиг. 81. Лицевая сторона. Фрагмент. Диффузионно - дрейфовый преобразователь с полевым отклоняющим электродом 11 и полевым дрейфовым электродом 11а, проходящим над отклоняющими областями первого типа проводимости 12, вид сверху. Фиг. 82. Сечение A-A Фиг.81.
Фиг. 83. Лицевая сторона. Фрагмент. Диффузионно - дрейфовый преобразователь с полевым отклоняющим электродом 11 и дрейфовым электродом 11а, проходящим над отклоняющими областями первого типа проводимости 12 и вто- рогоь типа проводимости 7, вид сверху.
Фиг. 84. Сечение A-A Фиг. 83.
Фиг. 85. Лицевая сторона. Фрагмент. Диффузионно - дрейфовый преобра- зователь с полевым отклоняющим электродом 11 и двумя дрейфовыми электродами 1 Ia и 1 Ib, проходящим над отклоняющими областями 7 и 12, вид сверху.
Фиг. 86. Сечение A-A фиг. 85.
Фиг. 87. Лицевая сторона. Фрагмент. Диффузионно - дрейфовый преобразователь с полевым отклоняющим электродом 11 и двумя дрейфовыми электро- дами 1 Ia и 9, проходящим над отклоняющими областями 7 и 12, в котором применен третий собирающий электрод 9; вид сверху.
Фиг. 88. Сечение A-A Фиг. 87.
Фиг.89. Лицевая сторона. Фрагмент. Фокусирующая микролинза дискретного диффузионного преобразователя, сечение. Фиг. 90. Лицевая сторона. Фрагмент. Рассеивающая микролинза дискретного диффузионного преобразователя, сечение.
Фиг. 91. Обратная (тыльная) сторона. Фрагмент преобразователя. Дискретные отклоняюще-собирающие области 3, объединенные в токовый узел сплошным электродом 5b. Вид снизу. Фиг. 92. Сечение A-A фиг.91.
Фиг.93. Обратная сторона. Фрагмент преобразователя. Второй электрод 17 и четвертый электрод 20. Вид снизу.
Фиг. 94. Сечение A-A фиг. 93.
Фиг. 95. Обратная (тыльная) сторона. Фрагмент преобразователя. Расши- ренный второй электрод 17а и расширенный четвертый электрод 20а с соединительными областями За и 18а. Вид снизу.
Фиг. 96. Сечение A-A фиг. 95.
Фиг. 97. Обратная (тыльная) сторона. Фрагмент преобразователя. Отклоняющие n+ области первого типа проводимости и расширенный второй электрод 17а с расширенным четвертым электродом 20а. Вид снизу. Фиг. 98. Сечение A-A фиг. 97.
Фиг. 99. Обратная (тыльная) сторона. Фрагмент преобразователя. Отклоняющие области второго типа проводимости p+ (3, 22p) и первого типа проводимости n+ (22) и расширенные электроды обратной стороны 17а и 20а. Фиг.100. Сечение A-A фиг. 99.
Фиг. 100а. лицевая сторона. Фрагмент. Пучковый преобразователь с поперечной и продольной составляющей диффузионногог тока.
Фиг. 10Ob. Сечение фиг 100а.
Фиг.101. Квадрат Фиг.102. Псевдоквадрат.
Фиг.103. Геке
Фиг.104. Псевдогекс
Фиг.105. Компоновка СБ кругами
Фиг.106. Компоновка СБ псевдоквадратами Фиг.107. Компоновка СБ гексами
Фиг.108. Компоновка СБ псевдогексами
Фиг.109. Зависимость геометрических потерь от площади солнечных элементов; потери площади пластины при вырезке: Si кв - псевдоквадрата, Si гке - псевдогекса; потери площади солнечной батареи при компоновке: СБ кв - псевдо- квадаратми, СБгкс - псевдогеквами.
109 а- схема многокаскадной батареи при последовательном соединении электрической цепи проходных преобразователей.
109 b - схема многокаскадной батреи при смешанном соединении электрической цепи проходных преобразователей. Фиг. 110. Статистические кривые распределения сопротивлений р-п переходов диодных структур.
Фиг.l l l. Типичная вольт-амперная характеристика для контрольного и согласно изобретения преобразователя в красном свете.
Фиг.112. Спектр солнечного излучения AMO 0 (кривая 29) и и приведенные спектральные характеристики изготовленных преобразователей: 30 - для контрольного ФЭП со сплошной JIC; 31 - для пучковых диффузионных согласно изобретения; 32 пучковых диффузионно - дрейфовых согласно изобретения Фиг.113. Зависимости тока короткого замыкания Iкз контрольного (кривая 33) и опытных (кривые 34 - 36) образцов: 33 - вариант стандартного контрольного образца со сплошным р-п переходом с шириной токосборной шины 200 мкм и расстоянием между токосборными шинами 2000 мкм, со степенью затемнения металлизацией 8,4%; 34 - образец со сплошным токосборным слоем по варианту фиг. 100а и 10Ob с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень, затемнения металлизацией 8,2%; 35 - образец с крестообразными токосборными слоями 2 по варианту фиг. 3, полностью закрытых металлизацией, как показано на фиг. 4, с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень затемнения металлизацией 18,0%; 36 - вариант фиг. 3 с частично открытыми дискретными крестообразными элементами. Степень затемнения 8,2%
Фиг.114. Зависимости коэффициентов внутреннего преобразования от мощности падающего излучения для дискретного пучкового преобразователя. Фиг. 115. Вольт - амперные характеристики в белом свете. . Падающая мощность 3000 Bт/м2.Teмпepaтypa измерений 70 - 80° С.
Фиг. 116. Кривые мощности в белом свете. Падающая мощность 3000 Bт/м2.Teмпepaтypa измерений 70 - 80° С.
Фиг.117. Схема Т-образной траектории движения НрНЗ в сплошных одно- переходных ФЭП.
Фиг.118. Схема γ-образной траектории движения НрНЗ в пучковых дискретных ФЭП.
Фиг.119. Спектральная чувствительность кремниевых солнечных элементов на чистом кремнии и «гpязнoм» техническом кремнии с примесью кислорода и других добавок.
Фиг.120 - Пример дискретного пучкового преобразователя с двумя противоположными токовыми узлами: N дискретные р-п переходы образуют линиям тока неосновных неравновесных носителей заряда первый токовый узел; области дискретных высоколегированных углублений проводимостью второго типа вме- сте с изотопными p+-p переходами и дискретными локальными контактами с тыльной стороны образуют линиям тока основных неравновесных носителей заряда второй токовый узел Таблица 1.Оптимальные размеры СЭ, вырезанных из стандартной пластины диаметром 100 мм.
Таблица 2. Значения сопротивлений R, емкости С, индуктивности L и добротности Q пучковых диодных структур. Таблица 3. Характеристики СЭ выполненных согласно изобретения.
На чертежах соответствующими позициями обозначены следующие элементы.
1 - подложка, пластина из любого полупроводникового материала. Ia - лицевая сторона JIC (или фронтальная сторона);. Ib - обратная (или теневая) сторона ОС;
2 - собирающие элементы n+;
2а - р-п переход планарный, выведен на планарную поверхность JIC;
2b - р-п переход мезапланарный, переход выведен на боковую поверхность лицевой стороны, образованную травлением подложки Si через маску; 2с - соединительный элемент n+ JIC к участкам 2, легированный участок, объединяющий элементы 2, не образующий с ними рп-переход;
3-1 - отклоняющая высоколегированная область той же проводимости, что и подложка; p+p - изотипный с базовой областью переход; 3- отклоняюще - собирающий элемент p+ теневой стороны, область той же проводимости, что и подложка, с более высокой степенью легирования, обеспечивающая токобор неравновесных основных носителей заряда на обратной стороне подложки;
За - локальная отклоняющая область p+, область той же проводимости, что и подложка выполнена в виде дискретных элеменов;
4 - диэлектрик; прозрачный для ЭМИ диэлектрический слой;
4а - контакт к собирающему элементу 2 n+, окно в диэлектрике 4, обеспечивающее электрический контакт элементов 2 и 5а;
5а - первый (первый лицевой или с лицевой стороны) электрод, Me (металл) к слою 2 n+ JIC; металлический электрод к элемену 2, обеспечивающий контакт с внешними электрическими цепями;
5ac - токопроводящий элемент, токопроводящая цепь или шина; 5b - второй (первый теневой или с теневой стороны) электрод, Me (металл) к области 3 p+ ОС; металлический электрод к элемену 3, обеспечивающий контакт с внешними электрическими цепями; теневой электрод может выполнен сплошным или сетчатым, или полосковым, или полосково-сетчатым; 5ab - элемент коммутации (или соединения) переходов в многослойном преобразователе;
6 - области подлегирования n+ p+, дополнительный p+ слой для увеличения контактной разности потенциала р-п перехода; дополнительно легированные области с повышенной по отношению к подложке концентрацией примеси; 7 - лицевые отклоняющие участки (p+ слои); второй отклоняющий элемент; участки преобразователя, с высокой по отношению к подложке концентрацией примеси, не образующие с подложкой р-п переходы и не обеспечивающие токоз- бор неравновесных носителей заряда;
8 - соединительный элемент p+ JlC, к участкам 7, образующий с ними об- ласть однотипной с подложкой проводимости; легированный участок, объединяющий элементы 7 (13), не образующий с ними р-п переход;
9 - третий электрод Me; металлический электрод к элемену 7, обеспечивающий токосбор с лицевой стороны и контакт с внешними электрическими цепями; 10 - расширенный 1-й электрод Me, к 2 n+ JIC создает отклоняющее поле в области 2а рп-перехода;
11 - отклоняющий полевой электрод электрод над собирающим элементом; расширенный 1-й электрод из поликремния Si* над n+ собирающим элементом, имеет электрический контакт с 5а электродом создает отклоняющее поле в облас- ти 2а р-п перехода и может быть выполнен сплошным; токопроводящие участки, выходящие за пределы собирающего элемента 2 и рп-перехода 2а, электрически скоммутированные с первым электродом 5 а;
1 Ia - полевой электрод к n+, может иметь внешнее смещение; 1 Ib - полевой электрод к p+, может иметь внешнее смещение; 12 — отклоняющие участки n+ в виде дискретных неоднородностей;
13 - отклоняющие участки p+ в виде дискретных неоднородностей;
14 - контакт к лицевым отклоняющим участкам 7 p+, третий электрод; 15 - диэлектрик над Si*;
16 - изолирующий диэлектрик; lбb - контакт к 3 p+, в диэлектрике 16 в виде локальных областей; точечный контакт к 3 p+, в диэлектрике 16 для снижения рекомбинационных потерь; 17 - второй электрод Me к 3 p+ ОС в виде локальных областей; второй электрод Me к 3+ может быть выполнен в виде полос;
17а - расширенный второй электрод, создающий отклоняющее поле,
18 - собирающие участки n+, противоположной к подложке проводимости, образующие с ней р-ιt переход; 18а - соединительный элемент n+ ОС к участкам 18, образующий с ними область противоположной к подложке проводимости;
19 - контакт к 18 n+ в диэлектрике 16;
20 - четвертый электрод Me к 18, обеспечивающий токосбор с ОС;
20а - расширенный четвертый электрод, создающий отклоняющее поле; 21 - микролинза, JIC, СОПН;
22 - отклоняющие элеменыт n+ ОС в виде дискретных неоднородностей; 22p - отклоняющие элементы p+ ОС в виде дискретных неоднородностей;
23 - кремниевые преобразователи с одним р-п-переходом N=I, площадь каждого из которых S составляет 300 кв. мкм; 24 - кремниевые преобразователи со ста р-п-переходами N=IOO, площадь каждого из которых S составляет 300 кв. мкм;
25- кремниевые преобразователи с одним р-п-переходом N=I, площадь каждого из которых составляет 30 кв. мкм;
26 - кремниевые преобразователи со ста р-п-переходами N=IOO, площадь каждого из которых составляет 30 кв. мкм.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Способ изготовления. Для изготовления преобразователей может использоваться стандартная полупроводниковая технология со стандартными полупро- водниковыми материалами подложки в соответствии с конструктивными решениями, представленными на фиг. 1-10Ob. К примеру, на фиг. Ia, 1-2 приведена схема конструктивного исполнения преобразователя по одному из предлагаемых вариантов осуществления изобретения. На лицевой стороне Ia, воспринимающей поток ЭМИ плоской подложки 1 (в частности, из монокристаллического кремния стандарного диаметра 100 мм и толщиной 270 - 460 мкм), имеющей за счет внедрения примесей р-проводимость (что обеспечивается, в частности, внедрением примесей 3-х валентного бора, или другого 3-х валентного диффузанта) или п- проводимость (за счет внедрения, в частности, 5-и валентного фосфора, мышьяка, сурьмы или другого 5-валентного диффузанта), путем трафаретной печати либо другими методами, в т.ч. традиционными для полупроводниковой техники методами фотолитографии (с использованием фотошаблонов) вскрываются окна в маскирующем диэлектрике, например SiO2, в которые вводится примесь, образующая противоположную подложке проводимость (первый тип проводимости) в результате чего образуются N однотипных по составу, размерам и иным характеристикам собирающих областей 2 с проводимостью первого типа. Эти N отдельных однотипных собирающих областей 2 с проводимостью первого типа образу- ют N р-п переходов 2а. В зависимости от конструктивного решения конфигурация областей 2 выполняется различной: может быть квадратной, круговой, сотовой, или любой другой. На фиг. Ia и 1 применена дискретная квадратная конфигурация областей 2 с исчезающе малыми размерами. Области 2 отделяются друг от друга оксидным или другим диэлектрическим изолирующим слоем 4, в качестве кото- рого могут использоваться традиционные просветляющие покрытия.
Далее, например, методом фотолитографии, на лицевой стороне подложки над областями 2 вскрываются контакты 4а и формируются первые электроды 5а с токопроводящими шинами 5ac, обеспечивающим контакт с внешними электрическими цепями. Таким образом, первый электрод 5а с шиной 5ac объединяет в один токовый узел N р-п переходов 2а с прилегающими к ним N областями первого типа проводимости п.
На обратной стороне подложки аналогичным образом выполняют откло- няюще - собирающий элемент 3 второго типа проводимости p+, т.е. это область той же проводимости, что и подложка, но с более высокой степенью легирования, обеспечивающая токосбор неравновесных основных носителей заряда на обратной стороне подложки; к собирающему элементу 3 примыкает второй электрод 5b, который выполняется методами напыления, химического осаждения либо шелкографии и может быть сплошным, полосковым, сеточным, или полосково- сеточным.
Диффузионно - дрейфовые преобразователи представляют собой полупроводниковые устройства, преобразующее ЭМИ в ЭДС, принципиально отли- чающиеся от уровня техники тем, что конструктивно они имеют на лицевой стороне «paзopвaнный cлoй», и кроме того их лицевая сторона, объем и обратная сторона представляют собой систему поверхностно-объемных неоднородностей (СИЛОН), собранных в токовые узлы. В уровне техники все существующие ФЭП основаны, как было отмечено выше, на эффектах диффузионной составляющей тока, а согласно изобретения основаны на двух составляющих - диффузионной и дрейфовой, что существенно увеличивает эффективность энергоконверсии СЭ.
Как уже отмечалось ранее, все приводимые рассуждения справедливы для любого полупроводника (Ge, Si, GaAs и т.п.) р или п типа проводимости, однако в силу различий в подвижности дырок h+ и электронов е в описываемых моделях рассматривается ФЭП на кремнии р типа проводимости. Рассмотренные ниже конструкции пучковых преобразователей согласно изобретения разделены на диффузионные и диффузионно-дрейфовые, которые в свою очередь делятся на подгруппы с различными конструкциями и конфигурациями элементов на лицевой и обратной стороне преобразователя. Пример l.Пучковые диффузионные преобразователи, лицевая сторона.
1.1. Дискретные диффузионные преобразователи
Преобразователь электромагнитного излучения (фиг. Ia и фиг.l), содержит на освещаемой (лицевой, фронтальной) стороне Ia полупроводниковой р подложки 1 (базы) второго типа проводимости локальные (дискретные малые по линей- ным размерам) собирающие п+ области 2 первого типа проводимости, отделенные друг от друга диэлектрическим слоем и образующие с подложкой р-п переходы 2а, т.н. зоны преобразования, в которых происходит разделение зарядов с образованием контактной разности потенциала. К собирающим областям первого типа проводимости соединен и прилегает первый собирающий проводящий электрод 5а. Первый (фронтальный) токосборный проводящий электрод 5а объединяет собирающие области 2 первого типа проводимости в параллельную электрическую цепь и в пучок - т.е. в единый токовый узел (по такому признаку все конструкции предлагаемых преобразователей являются пучковыми). Проводящие шины электрода 5а изолируются от подложки слоем диэлектрика 4.
С обратной (тыльной) стороны создается p+ легированная отклоняющая область 3, к которой прилегает второй (тыльный) токосборный проводящий контакт - электрод 56 (фиг.2), который для большего снижения сопротивления может быть изготовлен в виде гребенки или сетки с единым токовым узлом.
В таком преобразователе собирающий п+ слой первого типа проводимости, таким образом, выполнен не сплошным, а в виде разрывов сплошности - чередующихся n+ и p+ дискретных малых размеров областей, при этом на лицевой стороне Ia остаются открытые оптические окна - области второго типа (базовой) p+(нa чертеже обозначено как 3-1) проводимости, образующие зоны пропускания ЭМИ и обеспечивающие доступ падающего излучения. Включая коротковолновую часть, в объем преобразователя. Образование зон затенения под и+ областями 2 и первым электродом 5 а, незначительно - поскольку из-за незначительности размеров затенений происходит краевая дифракция ЭМВ, а с другой стороны небольшие зоны затенения приводят к увеличению и направленности градиента концентрации к собирающим областям 2, что активизирует разделение зарядов, т.е. диффузионную составляющую тока.
Каждый собирательный элемент 2 первого типа проводимости путем диф- ференциации может быть преобразован в отдельный токовый узел. Производные узлов также могут быть дифференцированы вплоть, до пределов разрешения современных уровней литографии. Чем выше степень дифференциации, тем выше эффективность ФЭП.
Конфигурация собирательных элементов 2 и их комбинация в токовые узлы также могут быть различными. На фиг. 3 представлен крестообразный собирательный элемент 2 в котором часть и+ области выступает за пределы металлизации 5а и не создают зон затемнения, особенно, для средне- и длинноволнового излучения.
На фиг. 4 представлена дискретная конфигурация собирающих элементов 2, объединенные в токовые узлы посредством металлизации 5 а. Образование незначительных зон затемнения компенсируется как дифракцией ЭМИ при малых размерах металлической шины, так и высоким градиентом концентрации ННЗ и снижением внутреннего сопротивления за счет малых дискретных значений р-п переходов, объединенных в единый токовый узел с прилегающими к ним областями первого типа проводимости, стандартизации их размеров и конфигурации, а также увеличения числа N →∞ собирающих областей. Конфигурация токособирающих областей и соединенных к ним электродов может быть различной. На фиг. 5 представлено дискретно - полосковое исполнение собирательного элемента. На фиг. 6 представлено дискретно - сеточное исполнение собирательного элемента, когда локальными становятся и р области лицевой стороны полупроводниковой подложки. Объединение таких элементов может выполняться не только посредством металлизации, но и любыми известными способами, включая прозрачными токо- проводящими материалами, например, поликремнием или TCO, или ITO.
Пучковые дискретные преобразователи в общем случае представляют собой систему поверхностно-объемных неоднородностей (СИЛОН) с теми или иными элементами различного назначения.
В дальнейшем для простоты представлены только фрагменты элементов ФЭП с двумя элементарными р-п переходами. В целом же на полупроводниковой подложке может содержаться достаточно большое число этих переходов: N≥l (предпочтительно, чтобы N»l и N— * ∞), объединенных с прилегающими токосборными областями с помощью соединительных шин или элементов 5ac в токовый узел. Для простоты объединение их в токовые узлы посредством соединительных шин 5ac или плоскостей лицевых электродов 5а на фиг. 7-10Ob не показаны. Кроме того, в дальнейшем в конструкциях согласно изобретения имеется ввиду, что расстояния между токосборными элементами соизмеримы с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
Преобразователи могут формироваться как на тонких пластинах толщиной менее 70 мкм с гладкой или шероховатой поверхностью, так и на массивных гладких или текстурированных пластинах толщиной более 70 мкм, например, стандартных 300 - 450 мкм. Для простоты рисунков текстура поверхностей на них не показана. Толщина пластины зависит от выбора конструкции преобразователя. Для диффузионно-дрейфовых двусторонних преобразователей можно использовать массивные пластины толщиной более 70 мкм.
1.1.1. Дискретные диффузионные однослойные преобразователи. 1.1.1.1. Поверхностные (планарные) ФЭП.
Преобразователи этого типа имеют собирательный элемент в виде одного слоя, сформированного в полупроводниковой подложке. Преобразователи этого типа просты для изготовления и дают высокую эффективность по сравнению с существующими стандартными с большой сплошной лицевой стороной. Элементы планарного дискретного диффузионного преобразователя, представлены на фиг. 7, вид сверху и фиг. 8 - сечение A-A. На лицевой стороне Ia полупроводниковой пластины путем легирования через маску создаются области первого типа проводимости 2 с выводом р-п перехода 2а на фронтальную сторону полупроводниковой подложки второго типа проводимости. Здесь и далее собирательные элементы для простоты показаны схематически и могут иметь различную форму и конфигурацию. 1.1.1.2. Соединительные элементы в ФЭП.
При высокой плотности упаковки собирательных элементов возрастает степень затененности поверхности преобразователя, что может привести к снижению его эффективности. Воспрепятствовать этому предлагается совокупностью областей, исполняющих роль собирающих, но в то же время не препятствующих проникновению излучения в объем преобразователя.
На фиг.9-10 (планарный вариант) и 11-12 (мезапланарный вариант) собирательные элементы 2 соединены между собой сплошной, мелкой, слаболегирован- ной областью той же проводимости 2с представляющей собой соединительный элемент, не покрытой металлизацией, т.е. прозрачной для внешнего излучения.
Такая область создает незначительную степень затенения тем самым с одной стороны - увеличивается световой поток через ФЭП, а с другой стороны - внутреннее сопротивление, определяемое глубиной и степенью легирования эле- мента 2, остается низким. Конфигурация соединительных элементов может быть произвольной, например, полосковой или сетчатой, или сотовой, или др.. В по- следнем случае глубина и степень легирования его непринципиальны, т.к. не влияют на поглощающее - преобразующую способность преобразователя.
Соединительные элементы могут иметь различные конфигурации и протяженность. На фиг. 13-14 представлены полосковые и сетчатые варианты соедини- тельных элементов. В последних случаях, как и в примерах дискретных собирательных элементов, глубина и степень легирования их не имеют значения.
Эти элементы могут быть дополнены отклоняющими элементами.
Конструктивно - преобразователи такого типа не ограничиваются планар- ным исполнением - они могут быть воплощены в виде мезапланарных и комби- нированных преобразователей.
1.1.1.3. Объемные (мезапланарные) ФЭП. На фиг. 15-16 представлены объемные (мезапланарные) преобразователи в котором р-п переходы 2а с прилегающими токосборными областями выведены наружу с объема полупроводниковой подложки в зону прямого попадания ЭМИ на фронтальную и боковую поверх- ность лицевой стороны преобразователя. Для достижения этой цели после сплошного или локального легирования фронтальной стороны Ia создается маска, через которую проводится травление полупроводника с лицевой стороны так, что р-п переходы образуют некоторый угол с боковой поверхностью лицевой стороны. В результате существенно увеличивается площадь попадания ЭМИ. В объемных мезапланарных вариантах ФЭП, таким образом, существенно увеличивается рабочая чувствительная к ЭМИ поверхность, за счет которого увеличивается суммарное поглощение квантов и эффективность преобразования ЭМИ. Переход от пленарных к объемным преобразователям позволяет не только увеличить поверхность поглощения путем создания регулярной структуры, но и оптимизировать толщины областей и диффузионные длины ННЗ, направляя и улучшая их собираемость.
1.1.1.4. Комбинированные ФЭП. На фиг. 17-18 представлен комбинированный преобразователь, в котором р-п переходы 2а выведены из объема полупроводниковой подложки наружу на фронтальную поверхность лицевой стороны: после локального легирования фронтальной поверхности Ia создается маска, через которую проводится травление поверхности полупроводника вне легированных областей. В таких преобразователях полезная чувствительная к квантам ЭМИ поверхность (как и в предыдущем варианте ФЭП) увеличивается за счет вертикальных углублений. Эти углубления могут иметь любую конфигурацию, например, пирамидальную.
1.1.1.4.5. ФЭП с полосково-сетчатыми собирающими элементами . В предыдущих случаях собирательные элементы 2 первого типа проводимости выполнялись в виде малых дискретных значений легированных областей, объединяемых в токовые узлы посредством внешних элементов в виде металлизации или внутренних элементов в виде соединительных областей. Эти варианты сложны технологически и применимы для сверх эффективных преобразователей специального назначения
Ниже приведены конструкции технологически более простых преобразователей. В них внешние элементы выполнены в различных конфигурациях, что обеспечивает их высокую эффективность за счет токового узла и расширения диапазона поглощаемого ЭМИ как в сторону красного смещения, так и в сторону фиолетовой и рентгеновской области.
На фиг. 19-30 представлен планарный преобразователь с сетчатым собирательным элементом.
На фиг. 19-20 представлен планарный сеточный преобразователь.
На фиг. 21 представлен планарный полосковый преобразователь. На фиг. 22 представлен комбинированный планарный полосково-сетчатый преобразователь.
Полосково - сетчатые преобразователи могут иметь не только однослойную, но и многослойную структуру (см ниже в разделе многослойные преобразователи). На фиг. 23-24 приведен вариант планарного сеточного двухслойного преобразователя.
На фиг. 25-26 приведен вариант мезапланарного сеточного однослойного преобразователя.
На фиг. 27-28 приведен вариант мезапланарного сеточного двухслойного преобразователя.
На фиг. 29-30 приведен вариант комбинированного сеточного двухслойного преобразователя с собирательным элементом в виде углублений. Для повышения эффективности полосково-сетчатые преобразователи могут быть дополнены отклоняющими элементами (см. ниже раздел преобразователей с отклоняющими элементами) первого и второго типа проводимости (или в их комбинации), а также с полевыми электродами по типу рассмотренных выше по тек- сту преобразователей.
1.1.2. Дискретные диффузионные многослойные преобразователи. Напряжение холостого хода преобразователя может быть достигнуто путем повышения контактной разности потенциалов за счет создания сильнолегированных п+p+ переходов собирательных элементов. При этом в силу их дискретности, дополнительный легированный слой не создает оптического барьера для коротковолновой области спектра.
Пример преобразователя с п+p+ переходами приведен на фиг. 31-32 - в пла- нарном и фиг. 33-34 - мезапланарном исполнениях, где сформирован дополнительный подлегированный слой 6. На фиг. 33-34- представлен двухслойный диф- фузионный преобразователь; на фиг 35-36 - представлен многослойный диффузионный преобразователь.
Путем последовательного легирования формируется последовательность слоев, каждая пара из которых при последовательной их коммутации (в структуре ФЭП образуется умножитель потенциала) повышает напряжение холостого хода примерно на контактную разность потенциалов, а при параллельной коммутации происходит умножение тока примерно на число слоев в стопе. Пример многослойного планарного преобразователя с коммутацией (с соединением) 5ab под- слойных переходов приведен на фиг. 37-38.
Многослойные преобразователи с коммутацией переходов, либо без нее реализуются в конструкции ранее описанных мезапланарных и комбинированных преобразователей.
1.1.3. Дискретные диффузионные преобразователи с отклоняющими электрическими полями
Одним из способов повышения эффективности энергоконверсии преобразо- вателей является создание направленного движения ННЗ путем создания дополнительных встроенных полей. Для этого могут применяться легированные облас- ти разнотипной (n+ или P+) проводимости, электрически не связанные с собирающими элементами, образующие дополнительные встроенные внутренние поля.
1.1.3.1. Преобразователи с отклоняющими элементами первого типа проводимости . При формировании в подложке, например, р типа проводимости локальных областей 12 однотипных с собирающим элементом 2 с первым типом проводимости (п-проводимостью - фиг. 39-40), образуются локальные р-п переходы. Образовавшиеся при воздействии ЭМИ ННЗ будут отклоняться под действием ОПЗ р- п переходов в направлении собирательного элемента. Однотипные отклоняющие элементы также могут быть включены в СОПН мезапланарньгх и комбинированных однослойных и многослойных преобразователей. Форма и конфигурация этих элементов могут быть различными.
1.1.3.2. Преобразователи с отклоняющими элементами второго типа проводимости. При формировании в подложке, например, второго р типа проводимости локальных областей 13 с собирающим элементом 2 первым п типом проводимости (фиг. 41-44) образуются локальные легированные области, которые действуют аналогично отталкивающим областям 3 обратной стороны.
Отклоняющие элементы со вторым типом проводимости также могут быть включены в СОПН мезапланарных и комбинированных однослойных и многослойных преобразователей. Форма и конфигурация этих элементов могут быть различными. Они так же могут объединяться в контур посредством соединительных элементов 8 (фиг. 45-46).
1.1.3.3. Преобразователи с комбинированными отклоняющими элемен- томи.
На фиг. 47-48 представлен вариант локальных комбинированных отклоняющих элементов, состоящих из элементов первого и второго типа проводимо- стей. Подобная комбинация образует комбинацию встроенных полей, образующих СОПН и способствующих эффективному разделению и сбору ННЗ в преоб- разователе. Комбинированные отклоняющие элементы также могут быть включены в СОПН мезапланарных и комбинированных однослойных и многослойных преобразователей.
Форма и конфигурация этих элементов могут быть различными. Они так же могут объединяться в замкнутый контур.
1.1.4. Дискретные диффузионные преобразователи с квантовыми ловушками.
На фиг. 49-56 представлены комбинированные преобразователи, с глубокими пирамидальными (возможно применение любой конфигурации, см. например, прямоугольной формы на фиг.57-60) углублениями (вершиной усеченной пирамиды направленной вниз), в котором р-п переходы 2а с областями первого типа проводимости выведены на внутреннюю боковую поверхность пирамидальных текстур. Токосборные электроды 5а примыкают к поверхности этих областей первого типа проводимости, расположенных по всей глубине ловушки, обеспечивая тем самым токосбор с глубины подложки преобразователя и устранение поверхностной и объемной рекомбинации. Токосборные электроды могут быть выполнены из оптически прозрачного или непрозрачного токопроводящего материала.
Между пирамидальными углублениями с областями первого типа проводимости на расстоянии F расположены пирамидальные углубления с областями вто- рого типа прводимости. Углубления на лицевой стороне преобразователя, таким образом, являются своеобразными квантовыми ловушками, которые захватывают и преобразуют энергию квантов в ЭДС.
Углубления на JlC расположены с чередованием областей первого типа проводимости и второго типа проводимости с периодом или шагом между ними равном F. Благодаря такой конструкции увеличивается глубина и площадь проникновения высокоэнергетичной коротковолновой части спектра ЭМИ. При этом глубина квантовых ловушек обеспечивает захват коротковолновых квантов по объему преобразователя. Чем глубже квантовая ловушка, тем больше коротковолновых высокоэнергетичных квантов захватываются объемом преобразователя и тем больше будет количество образовавшихся ННЗ и эффективность ФЭП.
1.1.5. Преобразователи с отклоняющими областями второго типа проводимости и третьим токосборным электродом. Отклоняющий элемент со вторым типом проводимости, помимо создания встроенных отталкивающих полей, может исполнять роль фронтального (лицевого) токосборного электрода, как показано на фиг. 61-62. При этом конфигурация и сплошность p+ области может быть произвольной. В данном случае третий (или второй лицевой) токосборный электрод способствует эффективности собирания неравновесных носителей, образованных коротковолновой частью спектра в приповерхностной области преобразователя. При определенном сочетании полей взаимосвязанных отклоняющих элементов возникает потенциал противоположного знака, достигающий до 10 вольт и выше, который посредством коммутации может быть выведен на второй фронтальный электрод. Тем самым увеличивается напряжение холостого хода преобразователя и максимальная мощность преобразователя.
В данном случае второй токосборный электрод с фронтальной (лицевой) стороны способствует эффективному собиранию ННЗ, образованных коротковол- новой частью спектра в приповерхностной области преобразователя.
1.1.6. Дискретные диффузионные преобразователи с полевыми элементами.
Полевые электроды преобразователей служат для отклонения ННЗ от поверхности полупроводника, где они могут активно рекомбинировать, к собира- тельным элементам.
На фиг. 63-64 представлен полевой электрод, выполненный в виде выступающей за пределы р-п перехода части 10 металлического электрода 5а к собирательному элементу. Имея тот же потенциал, что и элемент 2, такой электрод отклоняет ННЗ от поверхности, препятствуя их рекомбинации. На фиг. 65-66 представлен аналогичный полевой электрод 11, имеющий контакт с электродом 5а, выполненный из прозрачного для ЭМИ материала, например, поликремния, или ITO, чем снижается область затенения преобразователя.
На фиг. 67-68 полевой электрод 11 выполнен в виде сплошной прозрачной области, имеющей омический контакт с собирательными областями и токосбор- ным электродом 5 а. В этом случае электрод сочетает так же функции токосборного электрода. Полевой электрод может перекрывать как первого, так второго типа проводимости, так и кобинированные отклоняющие элементы (фиг. 69-70).
1.1.7. Дискретные диффузионные преобразователи с полевыми элементами по периметру собирающих областей. В рассмотренных выше примерах преобразователей первый электрод контактирует с собирательным элементом в центральной его части.
На фиг. 71-72 первый электрод расположен по периферии (по периметру) собирательного элемента 2 первого типа проводимости, образуя отклоняющий полевой электрод. Сама собирательная область 2 первого типа проводимости может выполняться не сплошной, как показано на фиг. 73-74 и дополняться однотипными и (или) разнотипными отклоняющими элементами. Кроме того, такой преобразователь также может быть выполнен в виде многослойной структуры.
Конфигурация собирательных элементов 2 может быть различной. На фиг. 75-76 приведен вариант открытых собирательных элементов 2, когда центральные части их свободны от rС слоя и представляют окно для коротковолнового излучения.
На фиг. 77-78 приведены варианты полосковых и сетчатых собирательных элементов 2. Пример 2. Пучковые дискретные диффузионно-дрейфовые преобразователи. Лицевая сторона.
В рассмотренных выше преобразователях используется только одна - диффузионная составляющая тока. Дискретные преобразователи путем создания внешнего поля дополнительным электродом позволяют реализовать более эффек- тивную - дрейфовую составляющую тока, в отличие от преобразователей со сплошным собирательным слоем, где действие поля дрейфового электрода экранируется сильно легированным слоем.
На фиг. 79-80 приведен пример диффузионно - дрейфового преобразователя. Дрейфовый электрод 11а выполнен в виде оптически прозрачного проводяще- го слоя, изолированного от фронтальной поверхности преобразователя Ia слоем диэлектрика 4, а от токосборных проводящих шин первого электрода - слоем диэлектрика 15. При подаче соответствующего смещения на электрод 11а электри- ческое поле не только отклоняет ННЗ от поверхности, но и сообщает им дополнительную, дрейфовую составляющую тока.
В диффузионно - дрейфовых преобразователях могут применятся однотипные (фиг. 81-82), разнотипные и комбинированные (фиг. 83-84) отклоняющие элементы, создающие внутренние встроенные поля.
Дрейфовый электрод может быть разделен на электрически не связанные между собой участки 11а и Hb так, что каждый из них проходит над отклоняющими элементами определенного типа проводимости (фиг. 85-86).
Путем создания контактов к отклоняющим элементам 7, второй дрейфовый электрод 1 Ib может исполнять роль второго фронтального токосборного электрода (фиг 87-88).
Конфигурация и число дрейфовых электродов могут быть различны, причем к каждому из них подается отдельный потенциал, создающий ускоряющее поле по направлению к собирательному элементу. Дрейфовые электроды могут быть включены во все ранее рассмотренные варианты преобразователей.
Пример 3. Пучковые микролинзовые диффузионно-дрейфовые преобразователи. Лицевая сторона.
В рассмотренных ранее преобразователях система объемно - поверхностных неоднородностей формировалась путем локализации собирающих элементов, введением отклоняющих элементов в виде локальных легированных участков, формированием полевых отклоняющих и дрейфовых электродов.
Изменение градиента концентрации ННЗ в преобразователе можно добиться, создавая оптические неоднородности на фронтальной стороне созданием зон затемнения вблизи собирающих элементов, текстурированием поверхности, или локальным ее травлением, как в случае рассмотренных ранее мезапланарных объемных (существенно увеличивающих облучающую поверхность преобразователя) и комбинированных конструкций преобразователей.
В данном варианте изобретения предлагается создание оптических неоднородностей путем применения микролинз или других оптических устройств, на- пример, микропризм, концентрирующих или изменяющих направление лучей ЭМИ. Микролинзы (микропризмы) могут применятся в комбинации не только с любыми из рассмотренных ранее элементов преобразователя, но и в традицион- ньк преобразователях: изменяя оптический ход лучей они способствуют увеличению концентрации ЭМИ в полупроводнике и локализации генерационного процесса даже под однородным сплошным собирательным слоем превращая однопе- реходной преобразователь в пучковый. На фиг. 89 представлен пример диффузионного преобразователя с фокусирующей линзой 21, выполненной над расширенной частью первого лицевого электрода 5а. В данном случае максимум концентрации ННЗ приходится в область фокусирования излучения. В зоне фокусировки интенсивность всего спектра ЭМИ резко увеличивается, особенно усиливается область среднего и дальнего ИК излучения. Участки микролинзы, перекрывающие металлизацию 5а, направляют концентрированные лучи высокой энергии (т.е. пучок лучей, или пучок ЭМВ) в зону поглощения (схематически указанной на фиг. 89-90 стрелками), тем самым снижая зону затемнения до нуля, образованную металлизацией.
На фиг. 90 представлен пример диффузионного преобразователя с рассеи- вающей линзой 21, изменяющей ход лучей т.о., что генерация ННЗ будет происходить в непосредственной близости от собирающего электрода 2, тем самым сокращается диффузионный путь, а, следовательно, и рекомбинационные потери.
Микролинзы (микропризмы) могут применятся в комбинации с любыми из рассмотренных ранее элементов преобразователя В рассмотренных выше конструкциях преобразователей второй теневой электрод неявно предполагался быть выполнен в классическом сплошном варианте. С целью дополнительного снижения объемного сопротивления в данном изобретении теневой электрод выполняется как вариант не сплошным, а в виде мелких сеток, или тонких полосок (гребенок), или мелких полосково-сетчатых фигур, имеющим также как переходы на лицевой стороне единый токовый узел. Пример токовых узлов показан на фиг. Ia- 16. Пример конфигурации полосково- сетчатых фигур был приведен на фиг.77,78. Фигуры вырезов на теневом электроде могут быть любыми, например, не только полосковыми, но и в виде кругов, многоугольников или др. Пример 4. Двусторонние пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи. Тыльная сторона. В отличие от конструкций описанных выше в нижеследующих вариантах описываются преобразователи с элементами на лицевой и обратной стороне. При этом в любом нижеследующем варианте исполнения возможно применение технических приемов примененных во всех предыдущих вариантах на лицевой сто- роне. Использование обеих сторон (лицевой и теневой) полупроводниковой подложки позволяет в полной мере использовать диффузионную и дрейфовую составляющих токов и полностью устранить рекомбинацию ЬfflЗ как на лицевой поверхности, так и в объеме и на обратной стороне преобразователя, что непредсказуемо существенно увеличит эффективность энергоконверсии ФЭП. В основе двусторонних преобразователей можно использовать любую конструкцию и элементы лицевой стороны, представленных на фиг 1 - 90. На фиг. 91-92 и далее использована конструкция лицевой стороны взятой с фиг. 87-88. Особенностью двусторонних преобразователей является то, что в них за счет параллельного соединения собирающих и отклоняющих элементов образуются в зависимости от кон- струкции до четырех токовых противоположных узлов. Для дальнейшей модернизации и диверсификации ФЭП возможно использование любых элементов или лицевой части конструкции или их комбинаций из фиг 1-90 и их перенос на обратную сторону.
Приведенный на фиг. 91-92 преобразователь представляет собой модифика- цию с лицевой стороны преобразователя с фиг. 88, но с тем отличием, что на обратной стороне вместо сплошного высоколегированного отклоняющего p+ слоя 3 размещены отклоняющие дискретные p+ участки 3, связанные электрически с помощью точеного контакта 16 b с электродом 5b. Между сплошным вторым электродом тыльной сторон и отклоняющим p+ участками расположена диэлектриче- екая прослойка 16 с изъятиями в местах контактов с этими отклоняющими областями. Такая конструкция преобразователя позволяет снизить объемную и поверхностную рекомбинацию зарядов на обратной (теневой) стороне. Сплошная металлизация теневой стороны 5b способствует отражению излучения обратно в объем преобразователя, чем повышается чувствительность в длинноволновой части спектра, особенно в случае объемных преобразователей, когда за счет полного внутреннего отражения от фронтальной поверхности излучение вновь возвращается в объем полупроводника. Сочетание этих эффектов позволяет перейти к сверхтонким подложкам. На фиг. 93-94 представлен диффузионно - дрейфовый преобразователь с локальной (не сплошной) полосчатой металлизацией тыльной стороны 17, что позволяет использовать его в качестве двухстороннего. Не сплошная металлизация так же может применяться и в преобразователях со сплошным отклоняющим электродом. В этом варианте на фиг. 85-86 (разрез и вид на тыльную сторону) сплошной электрод 5b заменен на полосковый электрод 17, выполненный в виде узких протяженных полосок 17. Металлизация 17 не обязательно должна повторять конфигурацию электрода 3 и может иметь любую конфигурацию в т.ч. по- лосчатую сетчатую или гребенчатую. Между полосковыми электродами 17 и отклоняющими участками размещена диэлектрическая прослойка 16 с частичными изъятиями (вскрытиями) в местах контакта электродов с отклоняющими участками 3. В такой конструкции обеспечивается высокая эффективность в снижении рекомбинации зарядов в объемном и приповерхностном слое теневой стороны. Для эффективного собирания НрНЗ в области тыльной стороны может применятся тыльный токосборный элемент 18, с которым через окно 19 в диэлектрике 16 контактирует четвертый (или второй теневой) токосборный электрод 20. Пример такого преобразователя приведен на фиг. 95-96. Токосборные элементы 18 и отклоняющие области 3 могут иметь соединительные области 18а и За. Me- таллизация может быть выполнена в виде расширенных отклоняющих электродов 20а и 17а.
В варианте приведенном на фиг. 97-98 на обратной стороне ОС преобразователя добавлены собирающие n+ участки 18, к которому прилегают через контакт 19 четвертые (или вторые теневые) электроды 20, обеспечивающие токосбор с ОС, что еще более усиливает эффективность энергоконверсии преобразователя.
В варианте приведенном на фиг. 89-90 введены также расширенные вторые электроды 17а и расширенные четвертые (или вторые теневые) электроды 20а. Расширенный электрод дополнительно устраняет рекомбинацию зарядов вблизи зон n+ p+ . Кроме того в этом варианте на тыльной стороне введены дополнитель- но n+ участки 22. Эффективность такого преобразователя увеличивается еще на больший порядок. Вариант на фиг.91-92 представляет комбинированную конструкцию, в котором на тыльной стороне добавлены p+ отклоняющие элементы 22р.
В варианте фиг. 99-100 дискретные отклоняющие p+ участки 3 соединены в протяженные полоски через соединительный элемент За той же проводимости, что и сами отклоняющие участки 3. В такой конструкции преобразователя по изобретению еще больше усиливается процесс снижения рекомбинации зарядов в объеме и приповерхностном слое обратной стороны преобразователя.
Возможны другие комбинации с отклоняющими дискретными или непрерывными p+ или n+ участками лицевой и тыльной стороны, которые также обес- печивают высокую эффективность энергоконверсии и также входят в объем притязаний авторов.
Пример 5. пучковые диффузионно-дрейфовые преобразователи со встроенными источниками излучения. Теневая сторона и лицевая сторона.
Для преобразователей со встроенными источниками используются вышеиз- ложенные примеры конструкций преобразователей, представленных на фиг. 1-100 с тем отличием, что в них встроен любым известным способом слой или участки с источниками дополнительного излучения, в частности, можно использовать радиоактивное излучение (ИРИ).
ИРИ может быть, к примеру, нанесен на собирающий токосборный слой, или на диэлектрик 15, 16 преобразователя, например, с фиг.100. Источником излучения являются слабые радиоактивные препараты используемые в настоящее время в медико-биологических целях. Преобразователи со встроенными источниками радиоактивного излучения будут функционировать длительное время и срок работы таких преобразователей зависит от количества встроенного преобра- зователя. Например, использование препаратов на основе cтpoнция-90 с периодом полураспада 27,7 лет свободно позволит эксплуатировать преобразователь в течении 100 лет.
Пример 6. Пучковые преобразователи с поперечной и продольной составляющей диффузионного тока. Существующие в настоящее время преобразователи имеют токосборные шины 5ac размером по ширине до 150-250 мкм, расположенных друг от друга с периодом или шагом в 2-3 мм. При этом послойный градиент концентрации вдоль оси X практически постоянен, так что диффузионная составляющая тока, обусловлена изменением концентрации вдоль оси Y и полем области 2 (т.е. обусловлена поперечной составляющей диффузионного тока) и направлена вдоль оси Y (фиг. 100а и 10Ob). Поперечная составляющая диффузионного тока пропор- циональна площади освещаемой поверхности и величина поперечного тока ограничена этой поверхностью. Между тем искусственное создание и инициирование продольной составляющей, которая по величине может быть значительно больше поперечной составляющей, даст дополнительный существенный вклад в увеличение общего тока преобразователя. С этой целью в предлагаемом варианте представленной на фиг 100а и 10Ob применена токосборная система в виде часто распределенных узких контактов 4а в диэлектрике 4 и узких токосборных металлизированных шин 5ac, объединяющих N электродов 5а лицевой стороны в один токовый узел и расположенных с периодом или шагом друг от друга на расстоянии F < 2/ (где/- диффузионная длина НрНЗ).
Под шинами, образующими области затенения, генерация ННЗ не происходит или, если учесть небольшую краевую дифракцию, то генерация происходит незначительно. В силу этого на границах затемнения объема преобразователя 1 непрозрачным (металлическим) электродом 5ac искусственно создается сильный продольный градиент концентрации зарядов, в результате которого возникает продольная составляющая диффузионного тока.
Таким образом, к поперечной составляющей диффузионного тока вдоль оси Y добавляется продольная составляющая вдоль оси X. В результате общий диффузионный ток суммируется, что приводит к существенному увеличению мощно- сти и эффективности ФЭП согласно предлагаемому варианту.
Система областей затемнения не только создает продольную составляющую тока, но и положительно сказывается на внутреннем сопротивлении преобразователя, практически не влияя на общую площадь затенения.
Практически, чтобы не увеличивая площадь затемнения и оставляя эту ве- личину на уровне техники, получить существенное увеличение эффективности ФЭП поступают следующим образом. Например, 200 микронные шины стандарт- ного преобразователя, расположенные с шагом F, делят по ширине на т узких шин, расположенных с шагом F/т сравнимым с диффузионой длиной ННЗ.
В случае сплошных преобразователей, как это показано на фиг. 100а и 10Ob, этот простой прием оптимизации ФЭП снимает ограничения по толщине и степе- ни легирования «мepтвoгo» слоя 2, и следовательно - он может быть бесконечно тонким т.к. носители зарядов собираются преимущественно в области контакта под металлизацией и тем самым латеральная составляющая тока, протекающего по слою 2, уменьшается в \lm раз.
Описанный прием применяется не только в случае преобразователя, проил- люстрированном на фиг. 100а - 10Ob, но практически во всех примерах ФЭП на фиг 1-100, особенно в конфигурациях, когда расстояние между собирающими электродами 2 и металлизацией сравнимо с диффузионной длиной НрНЗ.
Пример 7. Плоские Батареи и модули на основе пучковых преобразователей. Гексагональная конфигурация элементов и размещение ФЭП в батарее. В уровне развития техники элементарные ячейки преобразователей размещают на кремниевых пластинах в виде полных элементов круговой конфигурации или так называемых псевдоквадратах, а затем полные элементы компонуют в плоскую батарею или модуль, или панель для последующего направления к по- требителю.
При формировании полного СЭ на полупроводниковой пластине в зависимости от того, на какой конфигурации они размещаются зависят его потери при резке и их последующей компоновке и размещении в батарее. В связи с этим СЭ в изобретении предлагается размещать в оптимальной экономически и технически целесообразной конфигурации по сравнению с уровнем техники - в гексагональной и псевдогексагонадьной форме.
Проанализируем уровень развития техники и предлагаемые авторами изобретения конфигурации и компоновки СЭ.
Степень заполнения солнечными элементами (СЭ) солнечной батареи (СБ) зависит прежде всего от конфигурации СЭ. Максимальная степень заполнения СБ
(-100%) обеспечивают СЭ квадратной (или прямоугольной) формы. Однако такие элементы формируются на плавленом или ленточном мультикристаллическом кремнии с низким 9-12 % КПД. СБ на монокристаллическом кремнии с высоким КПД формируются из СЭ, изготовленных на круглой пластине; при этом возможны следующие конфигурации, имеющие свои положительные (+) и отрицателшь- ные (-) стороны (см. фиг. 101 - 109 и табл.l): 1. круг: минимальные потери кремния (+); низкая степень заполнения элементами площади СБ (-);
2. квадрат: максимальные потери кремния при вырезке (-); максимальное заполнение батареи элементами (+);
3. псевдоквадрат: максимальное заполнение батареи элементами (+); потери на вырезку СЭ с пластины (-); остаются промежутки с СБ, незаполненные СЭ (-);
Сочетания минимума потерь кремния с максимальным заполнением обеспечивает гексагональная форма СЭ:
4. гекс: минимальные потери кремния (+); максимальное заполнение батареи СЭ (+); 5. псевдогекс: минимальные потери кремния (+); максимальное заполнение батареи СЭ (+); промежутки в СБ, незаполненные СЭ меньше, чем в псевдоквадрате.
На фигурах и в таблице 3 приведены: Фиг. 101 - 109 - Компоновка солнечных элементов СЭ в солнечную батарею СБ; таблица 1 - Расчетные потери пло- щади солнечного элемента (СЭ) и батареи (СБ) при компоновке ее различными структурами для одинаковых площадей СЭ, вырезанных из пластины диаметром 100 мм.
Фиг.101 - квадрат; Фиг.94 - псевдоквадрат; Фиг.95 - гекс; Фиг.96 - псевдогекс ; Фиг.97 - компоновка СБ кругами; Фиг.98 - компоновка СБ псевдоквадра- тами; Фиг.99 - компоновка СБ гексами; Фиг.100 - компоновка СБ псевдогексами.
Степень заполнения солнечными преобразователями (СЭ) солнечной батареи (СБ) зависит от конфигурации СЭ. Потери площади пластины при вырезке показаны в таблице 1 и фиг.109, на которой представлена зависимость геометрических потерь от площади солнечных элементов различной конфигурации. На фиг. 109 показаны потери площади пластины при вырезке: Si кв - псевдоквада- рата, Si гкс — псевдогекса; потери солнечной батареи при компоновке: СБ кв - псевдоквадратами - СБ гкс - псевдогексами. Как видно из этой фигуры, оптимум потерь для псевдофигур наступает в точках пересечения кривых Si - СБ
Пример 8. Многокаскадные батареи или модули на основе проходных преобразователей. Использование сверхтонких пластин позволяет существенно снизить потери от объемной рекомбинации. Однако при этом поглощается не вся падающая энергия, особенно в области энергий, близких к ширине запрещенной зоны полупроводника, что снижает чувствительность преобразователя в этой области. Избежать этого позволяет многокаскадная компоновка так называемых проходных преобразователей.
Проходной преобразователь - это любой из типов рассмотренных ранее преобразователей согласно изобретению, выполненный на тонких пластинах полупроводникового материала, выполненных для определенного пика поглощения. Многокаскадный преобразователь устроен таким образом, что в начале по- глощается и преобразуется коротковолновая часть спектра ниже ширины запрещенной зоны полупроводника, а в каждом из последующих каскадов - более длинноволновая.
В такой системе каждый из предыдущих элементов, помимо выполнения преобразующих свойств, является оптическим фильтром для последующего эле- мента.
В стандартных многокаскадных преобразователях, используется последовательное соединенных элементов с различной шириной запрещенной зоны, которые нагружены на общее сопротивление. При такой компоновке для модуляции проводимости каждого из элементов, входящих в каскад требуется полный спектр излучения на который рассчитан каскад, иначе высокое внутреннее сопротивление любого из непромодулированных элементов увеличит внутреннее сопротивление всего каскада, что ограничит его ток.
В батарее согласно изобретения такой недостаток устранен. Предлагаемая батарея выполняется, в отличие от стандартных каскадных преобразователей про- стой механической укладкой в плоскопараллельную стопу проходных преобразователей. При этом предлагаемая батарея или модуль и его сборка при последовательном соединении элементов предусматривает работу каждого из элементов на свое сопротивление нагрузки Rн (см. фиг. 109а). Если, например, длинноволновая часть спектра отсутствует, и элемент Eg 3 не работает, то потенциал на сопротивлении RH 3 становится близким к нулю и ток во внешней цепи определяется сопротивлениями RH 2 и RH 1. Кроме этого, такой подход позволяет сбалансировать сопротивления нагрузки для каждого из каскадов.
При последовательном соединении п одинаковых источников с ЭДС Ei и внутренним сопротивлением гi ЭДС батареи E и ее внутреннее сопротивление г в п раз больше, чем у одного источника: E = п* Ei, г = п* г i. При параллельном соединении m одинаковых источников с ЭДС Ei и внутренним сопротивлением ri ЭДС батареи E равна ЭДС одного источника, ток батареи I в п раз больше тока одного источника Ii и ее внутреннее сопротивление г в п раз меньше, чем у одного источника: E = Ei, г = г i/m. Поэтому, с точки зрения уменьшения внутреннего сопротивления батареи предпочтительно параллельное объединение элементов каскада. Однако, даже в случае полноценной модуляции каждого из элементов, ЭДС в такой схеме буде определятся ЭДС элемента с наименьшей шириной запрещенной зоны, т.е. Eg 3. Поэтому, элементы в такой схеме должны быть выровнены по напряжению путем их последовательного соединения в звенья. Площади элементов и их количество подбираются таким образом, что бы напряжения на каждом из звеньев, обусловленные не только шириной запрещенной зоны применяемого полупроводника, но и уровнем падающего излучения были выровнены. При смешанном соединении одинаковых источников тока в батарею (см. фиг. 109 b), состоящую из m параллельных звеньев, каждом из которых п источников соединены последовательно, ЭДС батареи E и ее внутреннее сопротивление определяются формулами: E = и* Ei, г = г г п/m. Кроме этого, если в спектре будет отсутствовать какая либо из составляющих, то это звено зашунтирует весь каскад. Поэтому звенья включаются в общую цепь через прямосмещенные диоды. Предлагаемая батарея при таком соединении элементов становится нечувствительной к составу падающего спектра, а смешанное соединение источников тока позволяет получить в данной цепи источник с требуемыми ЭДС и внутренним сопротивлением. Кроме технического эффекта, многокаскадная батарея и использование тонких пластин полупроводникового материала позволяет получить существенный экономический эффект за счет экономии материала подожки до одного порядка.
Экспериментальные доказательства достижения технического результата по изобретению представлены на фиг. 119, 110-113, И 4- 116 и табл. 2-3. Из фиг.119 видно, что ФЭП согласно изобретения работают в широком диапазоне падающего ЭМИ - от ИК до УФ и выше. Стандартные из уровня техники работают лишь в узком диапазоне от 0,4 до 1 ,2 мкм.
Составляющие полного сопротивления р-п перехода Rp: активное сопротивление R, емкость С и индуктивность L являются структурно-чувствительными характеристиками материалов, поэтому их проявление носит стохастический (или вероятностный) характер. Поскольку R3C5L - стохастические величины, то их изменения в материалах могут обнаруживаться только статистическими методами. Поэтому для доказательства достижения технического результата авторами были использованы статистические подходы. В предлагаемом изобретении каждый преобразователь состоит, фактически, из статистической выборки из N элементов, являющихся р-п переходами.
На фиг.110 приведены экспериментальные статистические данные по измерению внутреннего сопротивлений р-п переходов R преобразователей с кремниевыми диодными структурами при рабочей частоте измерения f = 1 кГц. Для на- дежности, достоверности и воспроизводимости результатов эксперимента измерялись статистические выборки из р-п переходов, состоящие из не менее 100 образцов преобразователей по методике предложенной одним из авторов изобретения ранее в (Карташов Э.M., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с. Тsоi В., Кагtаshоv E.M. апd Shеvеlеv V.V. THE SТАТISТIСАL NATURE AND LIFETIME IN POLY- MERS AND FIBERS. Utгесht-Воstоп. Вrill Асаdеmiс Рublishеrs/VSР. 2004. 522 р. Из данных по измерению сопротивлений R строились по методике подробно описанной в этих же работах статистические кривые распределения в виде интегральных функций распределений (или одно и то же — в виде вариационных диаграмм) этих величин по номерам последовательности m.
На фиг.ПО приняты следующие обозначения: 23 - распределение значе- ний сопротивлений р-п переходов по номерам последовательности m, построенных по результатам измерений статистической выборки из 100 одинаковых образцов кремниевых преобразователей с одним р-п-переходом N=I, площадь каждого из которых S составляет 300 кв. мкм; 24 - распределение значений сопротивления р-п переходов по номерам последовательности m, построенных по ре- зультатам измерений серии из 100 одинаковых образцов кремниевых преобразователей со 100 р-п-переходами (N=IOO), площадь каждого из которых S составляет 300 кв. мкм; 25- распределение значений сопротивления р-п переходов по номерам последовательности m, построенных по результатам испытаний серии из 100 одинаковых образцов преобразователей с одним р-п-переходом N=I, площадь каждого из которых составляет 30 кв. мкм; 26 - распределение значений сопротивления R р-п переходов по номерам последовательности m, построенных по результатам испытаний серии из 100 одинаковых образцов преобразователей со ста р-п-переходами N=IOO, площадь каждого из которых составляет 30 кв. мкм.
Из фигуры ПО видно, что в зависимости от размера S площади р-п перехо- дов их внутреннее сопротивление R имеет различный по величине разброс экспериментальных значений. В статистической выборке из массивных по размеру (S=300 кв.мкм) р-п переходов разброс значений сопротивлений R существенно меньший (кривая 23), чем в выборке с малыми значениями (S=30 кв.мкм) р-п переходов (кривая 25). Маленькие по размерам р-п переходы дают громадный раз- брос и дисперсию значений сопротивлений. В статистической выборке с большими (массивными) р-п переходами малые значения сопротивлений, например, близких к нулевому вовсе не встречаются - их просто в данной статистической выборке нет. В выборке с малыми размерами р-п переходов встречается большое количество переходов с малыми значениями, близких к нулевым значениям. В количественном отношении разброс значений сопротивления для маленьких переходов составляет от 0 до 0, 2 Ом, а в выборке с большими р-п переходами разброс составляет от 0,05 до 0,15 Ом. Если взять статистическую выборку из 100 образцов с N=I р-п переходами в каждом, соответствующей кривой 23 (для массивных переходов с S=300 кв.мкм) и объединить их путем параллельного соединения в один токовый узел - пучок (в таком объединенном пучковом преобразователе уже будет N = 100 р-п переходов, соединенных с помощью общего электрода в один токовый узел), то общее сопротивление такого пучка по закону шунта будет иметь значение меньше наименьшего значения (наименьшее значение в данной статистической выборке составляет 0,05 OM). При построении интегральной кривой распределения из 100 таких одинаковых пучков (преобразователей), состоящих из N = 100 р-п перехо- дов все точки располагаются на одной прямой (кривая 24) - разброс практически в этом случае отсутствует.
А теперь, если статистическую выборку из 100 образцов с N=I р-п переходами в каждом, соответствующей кривой 25 (для переходов с меньшими значениями, т.е. с S=30 кв.мкм) объединить путем параллельного соединения в один токовый узел - пучок (в таком объединенном пучковом преобразователе также как в предыдущем случае будет N = 100 р-п переходов, соединенных с помощью общего электрода в один токовый узел), то общее сопротивление такого пучка по закону шунта будет иметь также значение меньше наименьшего (наименьшее значение в этой статистической выборке составляет 0,0 Ом). То есть при малых значениях размеров р-п переходов и большом их количестве (для надежности не менее N = 100) полное внутреннее сопротивление преобразователя будет равным нулю. При построении интегральной кривой распределения из 100 таких одинаковых преобразователей, состоящих из N = 100 р-п переходов все точки располагаются на одной прямой - нулевой точке (кривая 26). Экспериментальный разброс в этом случае отсутствует, и таким образом, в таком исполнении получается преобразователь со сверхточными электрическими параметрами.
В обоих случаях при объединении в пучок (в параллельную цепь с единым токовым узлом) экспериментальный разброс полностью устраняется, общее сопротивление катастрофически снижается и становится стабильным и сохраняет свою величину постоянной во всем диапазоне измеренных значений (см. кривые 25 и 26). При этом, как видно из кривых 23-26, общее сопротивление становится меньше наименьшего значения. Однако в статистической выборке с малыми раз- мерами р-п переходов общее сопротивление существенно меньше, чем в выборке с большими размерами р-п переходов и достигает в нем нулевого значения. В целом, чем меньше размер р-п перехода и больше число N, тем больше будет снижение общего сопротивления р-п переходов и тем больше будет по величине генерируемый ток и мощность преобразователя.
Таким образом, из данных фигуры ПО следует, что при изготовлении полупроводникового преобразователя по изобретению предпочтительно размер р-п переходов выполнять существенно малыми, однотипными и одинаковыми, а число N должно быть достаточно большим (в идеале оно должно стремится к беско- нечно большому числу). При этом для лучшей реализации эффекта снижения сопротивления в преобразователях предпочтительно использовать полупроводниковые подложки толщиной менее 70 мкм.
В целом полученные экспериментальные статистические данные по измерению пучковых преобразователей (преобразователей с большим числом переходов, сопротивления которых объединены в один токовый узел) убедительно доказывают осуществимость технического результата согласно предлагаемого изобретения. Кроме того, авторами были проведены (в различных рабочих частотных диапазонах) аналогичные экспериментальные статистические исследования для емкости С, индуктивности L и добротности Q однопереходных и пучковых пре- образователей.
Полученные экспериментальные данные подтверждают получение технического эффекта по изобретению и осуществимость выполнения преобразователей согласно изобретения. Некоторые из этих данных представлены в таблице 2.
В таблице 2 представлены значения параметров R, С, L, Q для преобразо- вателей с числом N = 4, 10 и 1000 отдельных однотипных р-п переходов при частотах f = 1 кГц и 1 МГц.
В целом, результаты экспериментальных исследований показали, что в статистических выборках из N р-п переходов (т.е. пучковых преобразователях) полностью устраняется экспериментальный разброс, а электрические параметры становятся стабильными и сверхточными. При этом снижаются по величине не только значения сопротивления R, но и значения индуктивностей L и емкостей С (см. фиг. ПО и тaбл.2) преобразователей. Снижение емкости связано с тем, что в результате снижения сопротивления паразитный заряд на контактах переходов не скапливается, а уходит во внешнюю цепь. Механизм снижения индуктивности аналогичный механизму снижения сопротивления в параллельной цепи. При этом снижение величин R, С, L приводит также к существенному увеличению добротности Q преобразователя.
Кроме того, при одновременном увеличении числа N и рабочей частоты f , величины внутреннего сопротивления R, емкости перехода С, индуктивности L становятся стабильными, эффект снижения усиливается. Необходимо также отметить, что стабильность значений электрических параметров соблюдается и при изменении температуры (как при снижении до низких значений, так и при увеличении до высоких температур). Измерения проводились в диапазоне от 173 К до 573 К.
Аналогичные результаты получены при измерении ФЭП согласно изобретения, изготовленных в промышленных условиях по обычной стандартной полу- проводниковой технологии.
Были изготовлены несколько примеров преобразователей. При изготовлении преобразователя согласно варианта с фиг.71-72 размер р-п переходов был локализован до 500 мк х 500 мк, которые были размещены в элементарную ячейку размером 8000мк х 8000мк в количестве N = 256 р-п переходов. Первый элек- трод в таком преобразователе размещен по периметру р-п переходов, которые объединяются в один токовый узел посредством редких токопроводящих собирающих шин. Второй электрод выполнен сплошным.
В преобразователях изготовленных по конструкции из фиг 6 р-п переходы были еще более локализованными. При этом были использованы крестообразно расположенные дискретные р-п переходы размером 10 мк х 10 мк. Элементарная ячейка преобразователя составляла 24x22 мм, в котором было размещено до N = 100 000 р-п переходов. Первый электрод в этом преобразователе выполнен в виде крестов, под которыми расположены дискретные р-п переходы, объединенные первым электродом и токосборной шиной в пучок, т.е. в один токовый узел. Вто- рой электрод выполнен сплошным. ФЭП, выполненные согласно изобретения сравнивались с контрольными ФЭП со сплошным р-п переходом, со сплошной лицевой стороной (без разрыва сплошности) и стандартными просветляющими покрытиями из окиси тантала. Измерению подвергались ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, из которого рассчитывались максимальные значения мощностей преобразователей. Типичная вольт-амперная характеристика для контрольного и согласно изобретения преобразователя в красном свете представ- лена на фиг. 111. На фиг. верхняя кривая 28 соответствует данным для ФЭП согласно изобретения, а нижняя кривая 27 контрольному образцу ФЭП.
Как видно из таблицы 3 и фиг.111 у ФЭП согласно изобретения во всем испытанном диапазоне ЭМИ ток короткого замыкания и потенциал холостого хода существенно выше, чем у контрольных. При этом у преобразователей согласно изобретения существенно расширился диапазон преобразуемых частот ЭМИ. К примеру, контрольные ФЭП с одним сплошным р-п переходом в области ЭМИ ниже 220 нм (ультрафиолетовый диапазон) и выше 1000 нм (инфракрасный диапазон) не генерируют ЭДС в отличие от преобразователей согласно изобретения. Пучковые дискретные диффузионные преобразователи согласно изобрете- ния работают, таким образом, как в обычном видимом диапазоне ЭМИ, так и выше и ниже.
В целом, как видно из таблицы 3, в различных частотных диапазонах ЭМИ, особенно в фиолетовой части, в результате локализации процесса преобразования ЭМИ путем снижения размеров р-п переходов до 500-500 мкм (в конструкции из фиг.71-72) и увеличения числа N и концентрации р-п переходов электрические параметры — напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и мощность увеличиваются на порядок и выше по сравнению со стандартными ФЭП со сплошными р-п переходами. Преобразователи такой конструкции, в котором электроды размещены по периметру р-п переходов генерируют фототок как в ви- димом диапазоне (от 1000 нм до 220 нм), так и в невидимом, выше фиолетовой части спектра ЭМИ - в рентгеновской области и ИК области излучения. Контрольные преобразователи, как видно с таблицы 2, имеют технические характеристики существенно ниже во всех испытанных диапазонах частот ЭМИ. На фиг. 112 представлен спектр солнечного излучения AMO 0 (кривая 29) и и приведен- ные спектральные характеристики изготовленных преобразователей: 30 - для контрольного ФЭП со сплошной JIC; 31 - для пучковых диффузионных согласно изобретения; 32 пучковых диффузионно - дрейфовых согласно изобретения. Из этой фиг. видно, что ФЭП согласно изобретения чувствительны как в области видимого света, так и невидимого — в области УФ и ИК излучения солнца. При этом диффузионно-дрейфовые преобразователи согласно изобретения имеют еще большую спектральную чувствительность, чем диффузионные. Кроме того, как видно с таблицы 3, преобразователи согласно изобретения функционируют при изменении температуры вплоть до 573 К и выше. При измерении токов короткого замыкания и напряжения холостого хода, в условиях облучения ЭМИ при повышенных температурах вплоть до до 573 К и выше у преобразователя согласно изобретения сохраняется величина и стабильность значений токов и напряжений. У контрольных образцов со сплошными собирающими областями, с одним большим сплошным переходом при этих температурах значения токов и напряжений падают до нуля. Необходимо отметить, как показывают данные проведенных экспериментов, преобразователи по изобретению генерируют фототок не только в частотах ниже среднего ИК, но и в рентгеновском диапа- зоне - вплоть до гамма излучения.
В доказательство осуществления заявленных технических результатов были также изготовлены образцы пучковых преобразователей с поперечной и продольной диффузиионной составляющей тока. Были изготовлены образцы ФЭП согласно конструкций с фиг. 3 - 4 (пример 1) и фиг. 10Oa-IOOb (пример 6), а также стандартные контрольные ФЭП со сплошным р-п переходом.
Данные измерений этих ФЭП представлены на фиг. 113, на котором показаны зависимости тока короткого замыкания Iкз контрольного (кривая 33) и опытных (кривые 34 - 36) образцов: 33 - вариант стандартного контрольного образца со сплошным р-п переходом с шириной токосборной шины 200 мкм и расстояни- ем между токосборными шинами 2000 мкм, со степенью затемнения металлизацией 8,4%; 34 — образец со сплошным токосборным слоем по варианту фиг. 100а и 10Ob с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень затемнения металлизацией 8,2%; 35 - образец с крестообразными токосборными слоями 2 по варианту фиг. 3, полностью закрытых ме- таллизацией, как показано на фиг. 4, с шириной токосборных шин 18 мкм и расстоянием между токосборными шинами 200 мкм, степень затемнения металлиза- цией 18,0%; 36 - вариант фиг. 3 с частично открытыми дискретными крестообразными элементами. Степень затемнения 8,2%.
Соотношение площадей собирающих слоев вариантов кривых 33 - 34 с вариантами кривых 35 - 36 составляет 1 / 10. Кривая 33 на фиг. 113 демонстрирует насыщение тока короткого замыкания на уровне 60 мА для сплошного образца за счет высокого внутреннего сопротивления «мepтвoгo» слоя 2: неосновные носители, образовавшиеся в объеме преобразователя ниже «мepтвoгo» слоя движутся по направлению к этому слою, собираются им и далее вдоль этого слоя - к электроду 5ac. Плотность поперечной составляющей диффузионного тока jγ при наличии градиента концентрации dп/dу jγ = q D (dп/dу), где: q заряд электрона, D коэффициент диффузии.
При появлении продольной составляющей градиента концентрации dп/dх, обусловленной зонами затемнения, появляется продольная составляющая тока jx = q D (dп/dх), а в силу резкого перепада концентраций, т.е. при (dп/dх) > (dп/dу), плотность продольной составляющей тока больше плотности поперечной: jх > jγ. Полная плотность тока j = jх +jγ. Об этом свидетельствует кривая зависимости тока короткого замыкания от интенсивности светового потока (кривая 33), которая расположена по токовой оси значительно ниже кривых 34-36.
Это объясняется еще и тем, что значительная доля образовавшихся НрНЗ рекомбинирует в объеме не доходя до токосборного слоя 2. При расстояниях ме- жду электродами сопоставимыми с диффузионными длинами НрНЗ, носители соответствующие поперечной диффузионной составляющей тока свободно доходят до токосборных электродов и в результате кривые 34-36 ложатся на токовой оси существенно выше.
Кривые 34-36 наглядно иллюстрируют эффект продольной составляющей диффузионного тока, который в отличие от поперечной составляющей диффузионного тока короткого замыкания не пропорционален площади р-п перехода. Как видно из фиг.113 кривые 34-36, характеризующие эффект продольной составляющей диффузионного тока расположены существенно выше по токовой оси.
Таким образом уменьшается вредное действие тока насыщения Is, пропорционального площади перехода и направленного противоположно фототоку и уменьшающий полный ток I = Iф - Is. Этот эффект продольного тока также положительно сказывается и на температурных зависимостях преобразователей 35 с малыми, по отношению к 33 - 34 площадями р-п переходов: падение напряжения холостого тока при их нагревании существенно меньше, чем для преобразователей со сплошными переходами. Таким образом экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что для получения максимального эффекта собирания тока, необходимо искусственно создавать систему объемно-поверхностных неоднородностей - СОПН, представляющих собой в общем случае не только чередование n+ и p+ областей, но и систему затененных участков на JIC ФЭП, повышающих градиент концентрации но- сителей зарядов. В общем случае, анализ ФЭП выполненных в соответствии с фиг.3-4, а также 10Oa-IOOb свидетельствует о том, что под действием кванта излучения образование НрНЗ происходит в любом месте подложки: хоть в п слое, хоть в р слое. Поэтому необходимо создавать градиент концентрации зарядов, производить их разделение полем (встроенных) дискретных N р-п переходов и эффективно собирать соответствующей полосково-сеточной конструкцией электродов, обеспечивающих создание токового узла с сопротивлениями р-п переходов.
Обозначения и подписи на фиг.114-116: Кривая 37 - дискретный пучковый преобразователь с оптимизированным размером переходов до 4x4 мкм; коэффи- циент отражения 45%; Кривая 38 - высокоэффективный преобразователь со сплошным переходом производства фирмы Suп Роwег; коэффициент отражения 1- 2%; Кривая 39- высокоэффективный преобразователь со сплошным переходом космического назначения; коэффициент отражения 8%.
На фиг. 114-116 приведены результаты оптимизации р-п переходов и облас- тей первого типа проводимости до размеров в сечении 4 мкм х 4 мкм. Образцы были изготовлены из монокристаллического электронного кремния в серийных промышленных условиях. Для сравнения были измерены высокоэффективные солнечные элементы фирмы Suп Роwег и стандартные элементы космического назначения. При этом коэффициент поглощения падающего излучения у элементов составлял: SР-mопо — 98%, Sрасе — 92%, пучковых согласно изобретения — 55%. Измерялся коэффициент внутреннего преобразования элементов в зависимости от мощности падающего излучения.
Как видно, коэффициент внутреннего преобразования у всех элементов с увеличением падающей мощности снижается. Наибольшее снижение наблюдается у высокоэффективных сплошных преобразователей - с 15 - 20% (при нормальных условиях) до 3-5%. У пучковых дискретных элементов это снижение не столь катастрофично - он снижается с 40% до 23%. Высокий коэффициент внутреннего преобразования пучковых элементов согласно изобретения свидетельствет об их высокой эффективности по сравнению с преобразователями с уровня техники.
Как видно из фиг. 115 - 116 пучковые дискретные преобразователи показывают высокую эффективность и при одновременном действии температуры и интенсивности светового потока. При падающей мощности 3000 Вт/м2 и температуре измерения 70 — 80° С дискретный солнечный элемент вырабатывает более 800 W (кривая 37), а высокоэффективные фирмы Suп Роwег и элементы космического назначения соответственно в четыре и два раза меньше (см. кривые 38 и 39 фиг.116) . И эти результаты получены без антирефлекторного покрытия. Прогноз показывает, что устранение в дискретных элементах отражения улучшит эти результаты вдвое.
При создании СИПОН путем дальнейшей локализации р-п переходов и увеличении числа N и концентрации переходов, а также чередования n+ и p+ областей на лицевой стороне преобразователя проявляется неожиданный феномен - скачкообразное увеличению потенциала. Данные приведены в таблице 3, из которых видно, что образцы СИПОН преобразователей с локализованными N = 100 000 дискретными р-п переходами генерируют в 7 В. Это на порядок выше значения для кремния, теоретически обоснованного и на практике получаемого в уровне техники. При этом они генерируют потенциал в невидимом диапазоне - в среднем ИК излучении (5000 нм) и видимом и невидимом УФ свете (220- 300 нм). Для стандартного сплошного преобразователя с одним переходом N=I потенциал в этих условиях и частотах ИК и УФ излучения равен нулю. Эти резуль- таты подтверждают справедливость выводов сделанных выше и реальность осуществления технического эффекта в настоящем изобретении.
В заключение следует отметить, что вышеприведенные примеры представлены лишь для лучшего понимания сущности изобретения, а также его преиму- ществ и ни в коей мере не охватывают все возможные частные случаи его осуществления. С учетом вышеописанного специалисту полупроводниковой техники будет ясно, что возможны и другие конкретные варианты его воплощения, в частности характеризуемые, например, материалами подложки, токопроводящих путей, и пр., отличными от прямо упомянутых в описании, но хорошо известными и применяемыми в данной области техники для аналогичных целей, а также характеризуемые числом р-п переходов, прямо не упомянутым в описании, но однозначно следующим из существа изобретения. Или например, возможно применение подходов, использованных в настоящем описании для изготовления других полупроводниковых приборов с диодной структурой - диодов, фотодиодов, све- тодиодов, транзисторов, фототранзисторов, тиристоров, полупроводниковых лазеров и др. В рамках настоящего изобретения могут быть использованы, в дополнение к приведенным вариантам исполнения, такие способы увеличения эффективности упомянутые в тексте описания изобретения, как создание на чувствительной поверхности различных текстур и ряд других отличных от приведенных и упомянутых известных методов изготовления, как всего преобразователя, так и его отдельных элементов. Возможно также предусмотреть и другие конкретные случаи осуществления изобретения, которые однако не будут выходить за рамки испрашиваемой правовой охраны, определяемой прилагаемой формулой изобретения. ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Для изготовления преобразователей по изобретению может использоваться стандартная полупроводниковая технология со стандартными полупроводниковыми материалами подложки, а сборка преобразователей в батареи (модули) может быть осуществлена специалистом на основе сведений, приведенных в описа- нии. Преобразователи и батареи по изобретению могут успешно применяться в энергетике, других областях промышленности, в частности в качестве источника электродвижущей силы.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Преобразователь электромагнитного излучения, содержащий полупроводниковую подложку, на лицевой стороне которой сформированы N>1 дискретных, локальных областей первого типа проводимости, подложка имеет второй тип проводимости так что указанные области первого типа проводимости образуют с подложкой N≥l р-п переходов, объединенных в токовый узел, отличающийся тем, что вне областей первого типа проводимости на лицевой стороне подложки сформированы изотипные переходы, создающие неосновным носителям заряда отталкивающие изотипные барьеры.
2. Преобразователь электромагнитного излучения по п.l, отличающийся тем, что по крайней мере часть лицевой стороны подложки текстурирована.
3. Преобразователь электромагнитного излучения по любому из п.п. 1-2, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки нанесен антирефлекторный слой.
4. Преобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в подложку внедрены локальные центры поглощения электромагнитного излучения и инжек- ции неравновесных носителей заряда, создающие градиенты концентрации неравновесных носителей зарядов.
5. Преобразователь по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки вне областей первого типа проводимости сформированы легированные углубленные изотипные отклоняющие области, создающие градиент концентрации неравновесных носителей заряда по отношению к области или областям второго типа проводимости.
6. Преобразователь по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что области перво- го типа проводимости расположены друг от друга на расстояниях, соизмеримых с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
7. Преобразователь по любому из п. 1-6, отличающийся тем, что тыльная сторона подложки содержит легированные углубленные дискретные собирающие области второго типа проводимости, образующие с материалом подложки локальные изо- типные переходы, объединенные посредством локальных контактов и тыльного проводящего электрода в тыльный противоположный токовый узел.
8. Преобразователь по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что подложка с тыльной стороны содержит N>1 дискретных локальных собирающих областей первого типа проводимости и N дискретных р-п переходов, объединенных вторым токосборным электродом во второй тыльный токовый узел.
9. Преобразователь по любому из п.1-8, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки расположен слой диэлектрика, имеющий окна, по меньшей мере, в зонах расположения дискретных локальных N областей с проводимостью первого типа, обеспечивающие контакт первого электрода с указанными областями.
10. Преобразователь по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что N>1 , причем указанные N областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки выполнены отдельными и однотипными, с образованием N отдельных и однотипных р-п переходов.
11. Преобразователь по любому из п.п. 1-10, отличающийся тем, что N=I .
12. Преобразователь по п.11, отличающийся тем, что выполненная на лицевой стороне подложки область с проводимостью первого типа содержит К > 1, где К - целое число - участков первого типа проводимости, соединенных между собой посредством M > 1 соединительных элементов с проводимостью первого типа.
13. Преобразователь по п. 12, отличающийся тем, что M = I, т.е. указанная область с проводимостью первого типа содержит один легированный соединитель- ный элемент первого типа проводимости в виде одной сплошной прямоугольной полоски.
14. Преобразователь по п. 12, отличающийся тем, что указанная область с проводимостью первого типа содержит M>1 легированных соединительных участков первого типа проводимости в виде отдельных однотипных тонких полосок пря- моугольной формы.
15. Преобразователь по п. 12, отличающийся тем, что указанная область с проводимостью первого типа содержит M > 1 легированных соединительных участков первого типа проводимости, расположенных с образованием сетки.
16. Преобразователь по любому из пп. 1-15, отличающийся тем, что р-п переходы с прилегающими к ним собирающими областями выведены, на боковую и фронтальную поверхности лицевой стороны.
17. Преобразователь по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что под каждой из N областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположен легированный слой с проводимостью второго типа.
18. Преобразователь по любому из пп.1-17, отличающийся тем, что под каждой из указанных областей с проводимостью первого типа, выполненных на лицевой стороне подложки, расположена стопа из G > 1 последовательно чередующихся слоев с проводимостью второго типа и проводимостью первого типа.
19. Преобразователь по п. 18, отличающийся тем, что области первого и второго типа проводимости в указанной стопе последовательно или параллельно скомму- тированы (соединены).
20. Преобразователь по п.19, отличающийся тем, что собирающие области с проводимостью одного типа соединены посредством легированных соединительных элементов того же типа проводимости.
21. Преобразователь по п. 20, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть ука- занных соединительных элементов образуют замкнутые контуры.
22. Преобразователь по любому из пп.20-21, отличающийся тем, что все указанные соединительные элементов образуют замкнутые контуры.
23. Преобразователь по любому из пп. 1-22, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки расположено X > 1 дополнительных легированных отклоняю- щих областей, отдельных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа.
24. Преобразователь по п.23, отличающийся тем, что каждая из указанных X легированных отклоняющих областей имеет проводимость второго типа.
25. Преобразователь по п.23, отличающийся тем, что X отклоняющих областей включают в себя области, как с первым, так и со вторым типом проводимости.
26. Преобразователь по п. 23, отличающийся тем, что каждая из указанных X легированных отклоняющих областей имеет проводимость первого типа.
27. Преобразователь по любому из пп. 23-26, отличающийся тем, что указанные легированные отклоняющие области выполнены дискретными.
28. Преобразователь по любому из пп. 23-27, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть легированных отклоняющих областей с одинаковым типом проводи- мости объединены соединительными участками того же типа проводимости в контуры.
29. Преобразователь по любому из пп. 23-27, отличающийся тем, что указанные X легированных отклоняющих областей выполнены в виде непрерывного замкнуто- го контура (кольца или пояса).
30. Преобразователь по п. 28, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из N собирающих областей с проводимостью первого типа, выполненная на лицевой стороне подложки, расположена в образованном отклоняющими областями контуре.
31. Преобразователь по п.29, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из N собирающих областей расположена внутри указанного непрерывного замкнутого контура.
32. Преобразователь по любому из пп.23-31, отличающийся тем, что N собирающих легированных областей с проводимостью первого типа на лицевой стороне подложки и легированные отклоняющие области расположены в чередующихся дискретных квантовых ловушках-углублениях с периодом F< 2/, где /- диффузионная длина неравновесных носителей зарядов, а указанные ловушки выполнены на лицевой стороне подложки, причем собирающие области первого типа расположены в одних углублениях, а отклоняющие области - в других углублениях вдоль расположения углублений с проводимостью первого типа на расстоянии периода F от ближайшего углубления.
33. Преобразователь по п.32, отличающийся тем, что он содержит дополнительный третий (или второй лицевой) токосборный электрод, соединенный с каждой из указанных X легированных отклоняющих областей с проводимостью второго типа.
34. Преобразователь по п. 32, отличающийся тем, что он содержит дополнительный третий (или второй лицевой) токосборный электрод, соединенный хотя бы с одной из указанных X легированных отклоняющих областей с проводимостью второго типа.
35. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что поверх слоя диэлектрика расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод.
36. Преобразователь по п. 35, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки расположено X > 1 дополнительных легированных отклоняющих областей, отдельных от указанных N собирающих областей с проводимостью первого типа.
37. Преобразователь по п.36, отличающийся тем, что поверх слоя диэлектрика в зоне расположения по крайней мере одной из указанных X легированных отклоняющих областей расположен по крайней мере один отклоняющий полевой электрод.
38. Преобразователь по п. 35 или 37, отличающийся тем, что первый собирающий электрод, соединенный с каждой из N областей первого типа проводимости, вы- полнен расширенным и перекрывающим в плане каждую отдельно взятую указанную область с проводимостью первого типа, с которой он соединен, причем первый электрод соединен с отклоняющим полевым электродом с образованием единого расширенного собирающе - отклоняющего электрода.
39. Преобразователь по п. 38, отличающийся тем, что указанный расширенный собирающе - отклоняющий электрод выполнен из оптически прозрачного (или полупрозрачного) токопроводящего материала (например, Si*, TCO, ITO).
40. Преобразователь по п. 38, отличающийся тем, что указанный расширенный собирающее - отклоняющий полевой электрод выполнен сплошным на всю лицевую сторону из оптически прозрачного токопроводящего материала (например, Si*, TCO, ITO).
41. Преобразователь по п. 38, отличающийся тем, что первый электрод размещен по периметру каждой из N токосборных областей на лицевой стороне.
42. Преобразователь по п.41, отличающийся тем, что отклоняющие области расположены по периметру первого электрода.
43. Преобразователь по любому из пп. 39-40, отличающийся тем, что вне собирающе - отклоняющего электрода вдоль его периметра сформирован третий электрод (или первый дрейфовый электрод на лицевой стороне), образующий при подаче потенциала смещения дрейфовое поле.
44. Преобразователь по п.43, отличающийся тем, что под дрейфовым электродом расположены отклоняющие области первого типа проводимости.
45. Преобразователь по п.43, отличающийся тем, что между первым и дрейфовым электродами сформирован полевой дрейфовый электрод (второй по счету дрей- фовый электрод на лицевой стороне), расположенный над отклоняющими областями второго типа проводимости.
46. Преобразователь по п.45, отличающийся тем, что второй дрейфовый электрод на лицевой стороне электрически соединен с подложкой.
47. Преобразователь по п. 13, отличающийся тем, что на лицевой стороне размещены Y > 1 тонких электродов, объединенных в токовый узел и, причем шаг между электродами соизмерим с диффузионной длиной неравновесных носителей зарядов.
48. Преобразователь по любому из п.п. 1-47, отличающийся тем, что области с проводимостью первого типа на лицевой стороне и области второго типа проводимости на лицевой стороне покрыты микролинзами или микропризмами.
49. Преобразователь по любому из пп. 1-48, отличающийся тем, что обратная сторона подложки с проводимостью второго типа содержит W > 1 отдельных откло- няюще - собирающих легированных областей с проводимостью второго типа, объединенных в токовый узел посредством сплошного второго электрода.
50. Преобразователь по п. 49, отличающийся тем, что указанные отдельные W > 1 легированные отклоняющее - собирающие области выполнены однотипными.
51. Преобразователь по п. 49,oтличaющийcя тем, что обратная сторона содержит V > 1 легированных отклоняющее - собирающих областей первого типа проводи- мости, каждые из которых соединены четвертым электродом в токовый узел.
52. Преобразователь по п. 51, отличающийся тем, что обратная сторона содержит дополнительные дискретные отклоняющие области первого типа проводимости, расположенные по периферии отклоняющее - собирающих областей с проводимостью второго типа и первого типа.
53. Преобразователь по п. 51, отличающийся тем, что обратная сторона содержит дополнительные дискретные отклоняющие области второго типа проводимости, расположенные между указанными дискретными отклоняющими областями первого типа проводимости.
54. Преобразователь по любому из пп. 1-53, отличающийся тем, что он выполнен на полупроводниковой подложке толщиной соизмеримой или меньше диффузионной длины неравновесных носителей зарядов.
55. Преобразователь по любому из пп. 1-54, отличающийся тем, что на лицевой или обратной стороне полупроводниковой подложки размещены Z областей с источником дополнительного электромагнитного излучения, например, стронция- 90.
56. Батарея, содержащая J > 1, где J целое число, преобразователей, выполненных по любому из пп.1-55, имеющих многоугольную форму наружной кромки и соединенных между собой в последовательную и параллельную электрическую цепь.
57. Батарея по п.56, отличающаяся тем, что наружная кромка преобразователей имеет гексагональную конфигурацию.
58. Батарея, содержащая J > 1, где J целое число, преобразователей, выполненных по любому из пп.1-55, имеющих псевдогексагональную форму наружной кромки и соединенных между собой в последовательную и параллельную электрическую цепь.
59. Батарея, содержащая J > 1, где J целое число, тонких проходных преобразователей, выполненных по любому из пп.1-55, расположенных в стопе и соединенных между собой в последовательно-параллельную электрическую цепь, причем размещенных в стопе в такой последовательности, что верхний слой или каскад преобразует коротковолновую часть спектра падающего излучения, а каждый по- следующий нижний каскад или слой в стопе преобразует более длинноволновую.
PCT/RU2008/000314 2008-05-20 2008-05-20 Преобразователь электромагнитного излучения и батарея WO2009142529A1 (ru)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/993,359 US20110248370A1 (en) 2008-05-20 2008-05-20 Electromagnetic radiation converter with a battery
EP08874414.9A EP2323170A4 (en) 2008-05-20 2008-05-20 Electromagnetic radiation converter and a battery
CN200880130438.4A CN102187469B (zh) 2008-05-20 2008-05-20 电磁辐射转换器和电池
EA201001707A EA017920B1 (ru) 2008-05-20 2008-05-20 Преобразователь электромагнитного излучения и батарея
KR1020107028663A KR101111215B1 (ko) 2008-05-20 2008-05-20 전자기 방사 변환기 및 배터리
PCT/RU2008/000314 WO2009142529A1 (ru) 2008-05-20 2008-05-20 Преобразователь электромагнитного излучения и батарея
ZA2010/09081A ZA201009081B (en) 2008-05-20 2010-12-17 Electromagnetic radiation converter and a battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2008/000314 WO2009142529A1 (ru) 2008-05-20 2008-05-20 Преобразователь электромагнитного излучения и батарея

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009142529A1 true WO2009142529A1 (ru) 2009-11-26

Family

ID=41340319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000314 WO2009142529A1 (ru) 2008-05-20 2008-05-20 Преобразователь электромагнитного излучения и батарея

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20110248370A1 (ru)
EP (1) EP2323170A4 (ru)
KR (1) KR101111215B1 (ru)
CN (1) CN102187469B (ru)
EA (1) EA017920B1 (ru)
WO (1) WO2009142529A1 (ru)
ZA (1) ZA201009081B (ru)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8288646B2 (en) 2009-05-06 2012-10-16 UltraSolar Technology, Inc. Pyroelectric solar technology apparatus and method
DE102009054067A1 (de) * 2009-11-20 2011-05-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh Licht emittierende Vorrichtung
DE102011003454A1 (de) * 2011-02-01 2012-08-02 Siemens Aktiengesellschaft Strahlungsdirektkonverter, Strahlungsdetektor, medizintechnisches Gerät und Verfahren zum Erzeugen eines Strahlungsdirektkonverters
RU2507613C2 (ru) * 2012-01-30 2014-02-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) Каскадное светоизлучающее термоэлектрическое устройство
CN102969805B (zh) * 2012-12-07 2015-02-18 四川大学 微波能量转换装置
TWI499059B (zh) * 2013-03-06 2015-09-01 Neo Solar Power Corp 區塊型摻雜太陽能電池
US9404795B2 (en) * 2013-10-03 2016-08-02 Infineon Technologies Ag Opitical detector with adjustable spectral response
TWI589180B (zh) * 2013-12-20 2017-06-21 致茂電子股份有限公司 發光模組的驅動方法
DE112016000930A5 (de) 2015-02-26 2017-11-02 Dynamic Solar Systems Ag Raumtemperatur-Verfahren zur Herstellung elektrotechnischer Dünnschichten und elektrotechnische Dünnschicht
CN107466422B (zh) * 2015-02-26 2021-03-19 动态太阳能系统公司 通过室温方法获得pv膜结构以及用于生产pv膜结构的室温方法
RU188356U1 (ru) * 2019-01-10 2019-04-09 Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ" Тестовый элемент для контроля качества планаризации

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4089705A (en) * 1976-07-28 1978-05-16 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Hexagon solar power panel
JPH0653531A (ja) * 1992-07-29 1994-02-25 Sharp Corp 光電変換装置およびその製造方法
RU2087053C1 (ru) * 1993-06-04 1997-08-10 Государственное научно-производственное предприятие "Квант" Полупроводниковый фотопреобразователь и модуль солнечной батареи
RU2127009C1 (ru) * 1996-03-28 1999-02-27 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя
RU2139601C1 (ru) 1998-12-04 1999-10-10 ООО Научно-производственная фирма "Кварк" Способ изготовления солнечного элемента с n+-p-p+ структурой
JP3206350B2 (ja) 1995-01-26 2001-09-10 トヨタ自動車株式会社 太陽電池
DE10127382A1 (de) 2000-06-06 2002-01-17 Sharp Kk Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung
RU2003121615A (ru) * 2003-07-16 2005-01-10 Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (RU) Солнечный элемент
US6998288B1 (en) 2003-10-03 2006-02-14 Sunpower Corporation Use of doped silicon dioxide in the fabrication of solar cells
RU2273969C1 (ru) 2004-10-26 2006-04-10 Броня Цой Диэлектрический материал для изделий, работающих в свч-диапазоне
RU2005106097A (ru) * 2005-03-05 2006-08-10 Брон Цой (RU) Пучковые опто- и фотоэлектронные элементы и приборы и способ их изготовления
RU2284593C2 (ru) 2004-10-26 2006-09-27 Броня Цой Электроизоляционный материал
RU2006120073A (ru) * 2006-06-08 2007-12-27 Брон Цой (RU) Преобразователь

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3948682A (en) * 1974-10-31 1976-04-06 Ninel Mineevna Bordina Semiconductor photoelectric generator
US4365262A (en) * 1980-11-26 1982-12-21 Handotai Kenkyu Shinkokai Semiconductor image sensor
US4367368A (en) * 1981-05-15 1983-01-04 University Patents Inc. Solar cell
JPS6053531A (ja) * 1983-09-05 1985-03-27 Toray Ind Inc 改質ポリエ−テルエステルブロツク共重合体
US4667060A (en) * 1985-05-28 1987-05-19 Spire Corporation Back junction photovoltaic solar cell
US4665277A (en) * 1986-03-11 1987-05-12 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Floating emitter solar cell
US5189297A (en) * 1988-08-29 1993-02-23 Santa Barbara Research Center Planar double-layer heterojunction HgCdTe photodiodes and methods for fabricating same
EP1048084A4 (en) * 1998-08-19 2001-05-09 Univ Princeton ORGANIC OPTOELECTRONIC LIGHT SENSITIVE DEVICE
JP2001189483A (ja) 1999-10-18 2001-07-10 Sharp Corp バイパス機能付太陽電池セルおよびバイパス機能付き多接合積層型太陽電池セルおよびそれらの製造方法
US6800876B2 (en) * 2001-01-16 2004-10-05 Cree, Inc. Group III nitride LED with undoped cladding layer (5000.137)
JP2004193337A (ja) 2002-12-11 2004-07-08 Sharp Corp 太陽電池の電極形成方法およびその方法により製造される太陽電池
JP2004221149A (ja) * 2003-01-10 2004-08-05 Hitachi Ltd 太陽電池の製造方法
CN1812068A (zh) * 2005-01-27 2006-08-02 中国科学院半导体研究所 半导体芯片结深的电解水阳极氧化显结方法
DE102005019225B4 (de) * 2005-04-20 2009-12-31 Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh Heterokontaktsolarzelle mit invertierter Schichtstrukturgeometrie
JP4481869B2 (ja) 2005-04-26 2010-06-16 信越半導体株式会社 太陽電池の製造方法及び太陽電池並びに半導体装置の製造方法
EA015205B1 (ru) * 2005-11-07 2011-06-30 Броня ЦОЙ Полупроводниковый прибор (варианты)
US7718888B2 (en) * 2005-12-30 2010-05-18 Sunpower Corporation Solar cell having polymer heterojunction contacts
JP2008112840A (ja) * 2006-10-30 2008-05-15 Shin Etsu Chem Co Ltd 単結晶シリコン太陽電池の製造方法及び単結晶シリコン太陽電池
JP2010251667A (ja) * 2009-04-20 2010-11-04 Sanyo Electric Co Ltd 太陽電池

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4089705A (en) * 1976-07-28 1978-05-16 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Hexagon solar power panel
JPH0653531A (ja) * 1992-07-29 1994-02-25 Sharp Corp 光電変換装置およびその製造方法
RU2087053C1 (ru) * 1993-06-04 1997-08-10 Государственное научно-производственное предприятие "Квант" Полупроводниковый фотопреобразователь и модуль солнечной батареи
JP3206350B2 (ja) 1995-01-26 2001-09-10 トヨタ自動車株式会社 太陽電池
RU2127009C1 (ru) * 1996-03-28 1999-02-27 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя
RU2139601C1 (ru) 1998-12-04 1999-10-10 ООО Научно-производственная фирма "Кварк" Способ изготовления солнечного элемента с n+-p-p+ структурой
DE10127382A1 (de) 2000-06-06 2002-01-17 Sharp Kk Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung
RU2003121615A (ru) * 2003-07-16 2005-01-10 Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (RU) Солнечный элемент
US6998288B1 (en) 2003-10-03 2006-02-14 Sunpower Corporation Use of doped silicon dioxide in the fabrication of solar cells
RU2273969C1 (ru) 2004-10-26 2006-04-10 Броня Цой Диэлектрический материал для изделий, работающих в свч-диапазоне
RU2284593C2 (ru) 2004-10-26 2006-09-27 Броня Цой Электроизоляционный материал
RU2005106097A (ru) * 2005-03-05 2006-08-10 Брон Цой (RU) Пучковые опто- и фотоэлектронные элементы и приборы и способ их изготовления
RU2006120073A (ru) * 2006-06-08 2007-12-27 Брон Цой (RU) Преобразователь

Non-Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ABERIE A.G.; ALTENNATT P.P.; HEIZER G; ROBINSON S.J.: "Limiting loss mechanisms in 23% efficient silicon solar cells IJ", APPL. PHYS., vol. 77, no. 7, 1995, pages 3491
ALFEROV ZH.1.; ANDREEV V.M.; RUMYANTSEV V.D.: "Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering", I/SEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 38, no. 8, 2004, pages 937 - 948
ALFEROV ZH.1; ANDREEV V.M.; RUMYANTSEV V.D.: "Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering", IISEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 38, no. 8, 2004, pages 937 - 948
ALFEROV ZH.I.; ANDREEV V.M.; RUMYANTSEV V.D.: "Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering", IISEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 38, no. 8, 2004, pages 937 - 948
ALFEROV ZH.I; ANDREEV V.M.; RUMYANTSEV V.D.: "Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering", SEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 38, no. 8, 2004, pages 937 - 948
ALFEROV ZH.L.; ANDREEV V.M.; RUMYANTSEV V.D.: "Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering", IISEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 38, no. 8, 2004, pages 937 - 948
ALFEROV ZH.L; ANDREEV V.M.; RUMYANTSEV V.D.: "Development Trends and Prospects of Solar Power Engineering", SEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 38, no. 8, 2004, pages 937 - 948
GOODRICH J.; CHAPLE-SOKOL.; ALLENDORE G.; FRANK R.: "The etched multiple vertical junction silicon photovoltaic cell I/Solar", CELLS, vol. 6, no. 1, 1982, pages 87 - 101
GOODRICH J.; CHAPLE-SOKOL.; ALLENDORE G.; FRANK R.: "The etched multiple vertical junction silicon photovoltaic cell", SOLAR CELLS, vol. 6, no. 1, 1982, pages 87 - 101
GREEN M.A ET AL.: "25% Efficient Low-Resistivity Si Concentrator Solar Cells", IEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 1986, pages 583 - 585
KARTASHOV E.M.; TSOI B.; SHEVELEV V.V.: "The Structural and Statistical Kinetics of Polymer Destruction", 2002, KHIMIA PUBLISHERS, pages: 736
KONSTANTINOV P.B.; KONTSEVOY YU.A.; MAKSIMOV YU.A.: "Silicon Solar Cells", 2005, MIREA PUBLISHERS, pages: 70
MEITIN M., PHOTOVOLTAICS: MATERIALS, TECHNOLOGIES, PROSPECTS // ELECTRONICS: SCIENCE, TECHNOLOGY, BUSINESS, 2000, pages 40 - 46
REIVI K.: "Defects and Dopants in Semiconducting Silicon", 1984, MIR PUBLISHERS, pages: 470
TSOI B.; KARTASHOV E.M.; SHEVELEV V.V.: "THE STATISTICAL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS", 2004, BRILL ACADEMIC PUBLISHERS/VSP, pages: 522
UNTILA G.G.; KOST T.N.; ZAKS M.B. ET AL., A NEW TYPE OF HIGH-PERFORMANCE DOUBLE-SIDED SILICON SOLAR CELLS WITH FRONT-SIDE BUSES AND A WIRE GRID II SEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 39, no. 11, 2005, pages 1393 - 1398
UNTILA G.G.; KOST T.N.; ZAKS M.B. ET AL.: "A New Type of High-Performance Double-Sided Silicon Solar Cells with Front-Side buses and a", WIRE GRID // SEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY, vol. 39, no. 11, 2005, pages 1393 - 1398
ZAVERYUIKHIN B.N.; ZAVERYUIKHINA N.N.; TURSUNKULOV O.M.: "Changes in the Reflection Factor of Radiation from the Semiconductor Surface within the Spectral Range of ? = 0.2-20 µm under the Influence of Ultrasonic Waves llLetters", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 28, no. 18, 2002, pages 1 - 12

Also Published As

Publication number Publication date
EA017920B1 (ru) 2013-04-30
KR20110010646A (ko) 2011-02-01
KR101111215B1 (ko) 2012-03-13
CN102187469A (zh) 2011-09-14
EP2323170A4 (en) 2017-11-22
EA201001707A1 (ru) 2011-04-29
ZA201009081B (en) 2012-02-29
CN102187469B (zh) 2015-03-25
US20110248370A1 (en) 2011-10-13
EP2323170A1 (en) 2011-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2009142529A1 (ru) Преобразователь электромагнитного излучения и батарея
KR101052030B1 (ko) 전자기 방사 컨버터
US10290755B1 (en) High efficiency photovoltaic cells and manufacturing thereof
US8716594B2 (en) High efficiency photovoltaic cells with self concentrating effect
KR20140071940A (ko) 다중 접합 다중 탭 광전 소자
WO2012166993A1 (en) Charge-coupled photovoltaic devices
US20240006546A1 (en) Tandem photovoltaic device
JP5667280B2 (ja) 太陽電池及びその製造方法
RU2355066C2 (ru) Преобразователь электромагнитного излучения
US9209335B2 (en) Solar cell system
CN101964373B (zh) 一种宽谱光伏效应的双结太阳电池及其制备方法
Mykytyuk et al. Limitations on thickness of absorber layer in CdS/CdTe solar cells
Phisitkul A Review of Electromagnetic Radiation Impacts on Heterojunction Intrinsic Thin Layer Solar Cells
RU2529826C2 (ru) Солнечный элемент с дифракционной решеткой на фронтальной поверхности
KR101685475B1 (ko) 전자기 방사 변환기의 광-변환부(상이한 실시예들), 및 전자기 방사 변환기
RU84625U1 (ru) Фотоэлектрический преобразователь
CN104303318B (zh) 具有带阻滤光器的光伏器件及其操作方法
RU2387048C1 (ru) Фотоэлектрический преобразователь
Mostefaoui et al. Optical study of a solar cell
US20110297226A1 (en) Photovoltaic cell and its transparent light conversion powder
TW201347206A (zh) 層疊型太陽能電池結構
AU2012101765A4 (en) M-PIN-SPVSC (Multiple PIN Composition Silicon Super PV Cells for Solar Concentrator)
Okoye et al. Criteria for Realizing the Multi–Crystal Silicon Solar Cell (PV Cell) With Efficiency, Which Could be used in Electricity Generation in Nigeria
Ahmed et al. Analysis of Schemes to Improve Efficiency of Solar Cells
Shuman Silicon voltaics for direct and indirect radioactive decay energy conversion into electricity

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200880130438.4

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08874414

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12993359

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011510450

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201001707

Country of ref document: EA

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20107028663

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008874414

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

ENPW Started to enter national phase and was withdrawn or failed for other reasons

Ref document number: PI0822819

Country of ref document: BR

Free format text: PEDIDO RETIRADO EM RELACAO AO BRASIL, TENDO EM VISTA A NAO ACEITACAO DA ENTRADA NA FASE NACIONAL FACE A INTEMPESTIVIDADE, POIS O PRAZO PARA A REFERIDA ENTRADA EXPIRAVA EM 20/11/2010 (30 MESES CONTADOS DA DATA DO DEPOSITO INTERNACIONAL DO PCT) E A ENTRADA SO OCORREU EM 20/12/2010.