Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси и способ его изготовления

Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси и способ его изготовления

Реферат

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФП) солнечного излучения в электрический ток и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов.

Известен ФП электромагнитного излучения (Стребков Д.С., Шеповалова О.В., Заддэ В.В. «Полупроводниковый фотоэлектрический генератор», патент РФ №2336596 от 11.04.2007, [1]) на основе кремния, имеющий p-n-переход глубиной 250-1000 нм, созданный у поверхности (например, с помощью диффузии), лицевой омический полосковый электрод, тыльный омический полосковый электрод, просветляющее покрытие на лицевой поверхности. Недостатком данного ФП является сравнительно большая концентрация, например 5×10¹⁹ см^-3, легирующей примеси в n-слое или в p-слое, что является причиной большой поверхностной и объемной рекомбинаций в области p-n-перехода и на лицевой стороне и высоких значений барьера Шоттки, как следствие, низкого КПД данного ФП.

Известен фотопреобразователь электромагнитного излучения, содержащий по крайней мере один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, который дополнительно содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрирование падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения (Займидорога О.А., Проценко И.Е., Рудой В.М. "Преобразователь электромагнитного излучения", патент РФ №2331141 от 22.02.2007, [2]). Данный патент принят в качестве прототипа. Недостатком этого ФП является наличие на всей рабочей поверхности элемента сильно легированного фоточувствительного слоя, приповерхностная часть которого имеет низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает КПД данного ФП вследствие высокой скорости рекомбинации носителей на лицевой поверхности и в объеме кремния. Помимо этого сильное легирование способствует увеличению барьера Шоттки, что также приводит к снижению кпд ФП.

Задачей предполагаемого изобретения является разработка метода изготовления солнечных фотопреобразователей с применением наноразмерных приемников света несферического типа и обоснование путей развития кремниевых элементов с градиентной структурой p-n-перехода.

Технический результат достигается тем, что в фотопреобразователе создается градиент зарядовой плотности в p-слое или в n-слое таким образом, что зарядовая плотность в p- и в n-слое отличается в сотни раз, что приводит к увеличению подвижности электронов благодаря увеличению потенциала на переходе и к уменьшению их рекомбинации в объеме элемента, а также к увеличению напряженности на p-n-переходе. Кроме того, меньшая зарядовая плотность у границы элемента создает меньшую магнитуду барьера Шоттки. Дополнительное увеличение кпд достигается тем, что конфигурация и площадь изотипного p-p⁺ (n-n⁺) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n⁺-p (p⁺-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности, при этом расстояние между отдельными участками с p-p⁺ (n-n⁺) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области и на тыльной поверхности.

Сравнение предлагаемого фотоэлемента с разработанными до сих пор системами имеет следующие преимущества и особенности:

- градиентная структура p-n-перехода позволяет найти решение уравнений Максвелла, которые позволяют находить спектры плазмонных возбуждений, дифференциальные сечения поглощения и рассеяния, коэффициенты прохождения и отражения, коэффициент преломления среды, что позволит моделировать работу фотоэлемента и осуществлять оптимизацию устройства,

- позволяет получить повышенное напряжение на зажимах холостого хода благодаря градиентной структуре p-n-перехода вследствие уменьшения объемной рекомбинации электронов,

- позволяет снизить величину барьера металл-полупроводник, что ведет к уменьшению рекомбинации электронов на светоприемной поверхности и к увеличению кпд фотоэлемента. Для осуществления намеченной цели будут применены специальные методы. Во-первых, химические процедуры создания градиентной структуры, отличающиеся высокой точностью создания заданной плотности распределения зарядов. Во-вторых, применены методы нанохимии для создания наноразмерной архитектуры приемников излучения несферического типа, располагающихся на светоприемной поверхности и представляющие собой слой композитных наночастиц серебра (золота) со слоем полиольного полимера размером порядка 50 нм-70 нм.

Пример реализации

Для изготовления фотопреобразователя из пластин использовался кремний марки КДБ-7,5-р-типа и КЭФ-4,5-n-типа, включающем химическое травление поверхности.

Далее проводили одновременную диффузию на пластину кремния p- или n-типа, одновременную диффузию с одной стороны - фосфора, а с другой - бора. При этом в качестве фосфора и бора используют растворы ортофосфорной и борной кислот с добавкой тетраэтоксисилана; диффузию осуществляют при 1000 градусов в течение 20 минут в атмосфере азота, необходимого для создания заданной концентрации. Упомянутые растворы ортофосфорной и борной кислот наносятся методом центрифугирования, создавая пленки фосфорносиликатного и боросикатного стекла толщиной 0,3 мкм.

После диффузии силикатные пленки удаляются плавиковой кислотой, и осуществляется напыление в вакууме на обе стороны магнетронным напылением алюминия толщиной 0,6-0,9 мкм.

Далее с двух сторон центрифугированием наносили пленку фоторезиста и через шаблон контактного рисунка экспонировали лицевую сторону под ультрафиолетовой лампой. После проявления получали окна в фоторезисте, в окнах химическим травлением удаляли алюминиевый контакт.

На финише алмазным диском разрезали диск на образцы необходимого размера. Группа образцов проходит дополнительное плазмохимическое травление поверхности кремния в окнах в среде эльгаза (шестифтористой серы) в течение 2,5; 3; 3,5 и 4 минут. При этом алюминий не участвует в реакции, а легированный слой над p-n переходом уменьшает свою толщину и величину поверхностной концентрации примеси фосфора и бора. Для упомянутых 2,5; 3; 3,5 и 4 минут глубина будет 0,7; 0,5; 0,3; 0,1 мкм при концентрации на поверхности 8·10¹⁹; 2·10¹⁹; 5·10¹⁸; 1·10¹⁸/см³ соответственно.

Экспериментальные методы создания градиентной структуры p-n-перехода, отличающихся в сотни раз по плотности зарядов как в p-слое, так и в n-слое, должны быть тщательно отработаны. Задача химической процедуры состоит в том, что необходимо разработать точный способ создания заданной плотности зарядов. Для определения характеристик градиентного перехода необходимо иметь данные измерений профилей распределения зарядов каждого типа как для n-типа, так и для p-типа.

На основе электрофизических измерений фотоэлементов будет сформирована база данных для проведения моделирования процесса создания и предсказания параметров устройства оптимального типа. На конечной стадии на светоприемной стороне создается гетерогенная структура с несферическими наночастицами полиольного серебра (золота) и пассивирована антиотражаемым покрытием.

В результате получается конструкция ФП, представленная на чертеже, где на лицевой стороне контакты и участки с p-n-переходом занимают менее 10% площади поверхности лицевой стороны. Граница p-n-перехода заканчивается под пассивирующей пленкой, что обеспечивает низкий ток утечки ФП. Большая часть лицевой стороны (90%) свободна от легированных слоев и имеет низкую скорость поверхностной рекомбинации. Высокий кпд и большой фототок обеспечивается низкой скоростью поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда из областей в промежутке между окнами, поскольку большинство носителей успевает дойти до p-п-перехода, имеющем толщину, не превышающую диффузионную длину неосновных носителей заряда. Исходный Si с временем жизни неосновных носителей тока в n-типе время >20 мксек, а в p-типе - 10 мксек. Базовая область имеет концентрацию 10¹⁵/см³ соответственно в n- и в p-переходе. Форма контактной сетки такова: ширина тонких линий 40 мкм и расстояние между ними 450 мкм. Две полоски по 1 мм шириной и электрически связаны. Глубина p-n-перехода между контактами - 300 нм - и концентрация легирования была для n-типа 8·10¹⁹/см³, для p-типа 10·10¹⁹/см³. Под полосками 1 мм концентрация n+ составляла 3·10²⁰/см³, для p-типа также 3·10²⁰/см³. Базовая поверхность имела сплошной электрод из алюминия.

Таким образом, фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси содержит p-n-переход глубиной 250-1000 нм, с легирующей примесью в n-слое или в p-слое 5×10¹⁹ см^-3 соответственно; металлические наночастицы размером порядка 100 нм из металлов (золото или серебро) на лицевой поверхности между микроконтактами; и изолирующий слой между наночастицами, а поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие, при этом конфигурация и площадь изотипного p-p⁺ (n-n⁺) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n⁺-p (p⁺-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности.

В частности, расстояние между отдельными участками с p-p⁺ (n-n⁺) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области и на тыльной поверхности, а упомянутый p-n-переход имеет градиентную структуру.

При этом легирующая примесь в объеме кремния n-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации p-типа в приповерхностной светоприемной области, а легирующая примесь в объеме кремния p-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации n-типа в приповерхностной светоприемной области.

Солнечные фотопреобразователи с градиентной структурой p-n-перехода имеют ряд замечательных особенностей: возможность создавать повышенный потенциал на p-n переходе за счет градиента плотности зарядов, и, тем самым, может привести к прямому увеличению кпд фотоэлемента, а возможность снижения величины барьера Шоттки ведет к уменьшению поверхностной рекомбинации электронов и к повышению кпд фотоэлемента и к возможному расширению спектрального диапазона регистрации. Кроме того, применение наноразмерных приемников света позволяет снизить отражение светового сигнала от поверхности.

1. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси, содержащий следующие этапы:на пластину кремния p- или n-типа осуществляют одновременную диффузию с одной стороны фосфора, а с другой бора.осуществляют напыление алюминия в вакууме на обе стороны;наносят с двух сторон пленку фоторезиста, через шаблон контактного рисунка экспонируют лицевую сторону под ультрафиолетовой лампой и после проявления получают окна в фоторезисте, в которых химическим травлением удаляют алюминиевый контакт;осуществляют дополнительное плазмохимическое травление поверхности кремния в окнах в среде эльгаза.

2. Способ по п.1, в котором в качестве фосфора и бора используют растворы ортофосфорной и борной кислот с добавкой тетраэтоксисилана; диффузию осуществляют при 1000° в течение 20 мин в атмосфере азота, а упомянутое удаление осуществляют плавиковой кислотой.

3. Способ по п.2, в котором упомянутые растворы ортофосфорной и борной кислот наносятся методом центрифугирования, создавая пленки фосфорносиликатного и боросиликатного стекла толщиной 0,3 мкм.

4. Способ по п.1, в котором упомянутое напыление алюминия осуществляют толщиной 0,6-0,9 мкм в вакууме на обе стороны магнетронным напылением.

5. Способ по п.1, в котором упомянутое нанесение фоторезиста осуществляют центрифугированием.

6. Способ по п.5, в котором после проявления дополнительно осуществляют разрезание алмазным диском упомянутой пластины.

7. Способ по п.1, в котором среда эльгаза представляет собой среду шестифтористой серы, а упомянутое дополнительное плазмохимическое травление осуществляют в течение 2,5; 3; 3,5 и 4 мин, при этом легированный слой над p-n переходом уменьшает свою толщину и величину поверхностной концентрации примеси фосфора и бора в следующих соотношениях: глубина - 0,7; 0,5; 0,3 и 0,1 мкм при концентрации на поверхности 8·10¹⁹; 2·10¹⁹; 5·10¹⁸ и 1·10¹⁸/см³ соответственно.

8. Фотоэлектрический преобразователь электромагнитного излучения в электрический ток с градиентным профилем легирующей примеси, содержащий p-n переход, глубиной 250-1000 нм, с легирующей примесью в n-слое или в p-слое 5·10¹⁹ см^-3 соответственно; металлические наночастицы размером порядка 100 нм из металлов на лицевой поверхности между микроконтактами; и изолирующий слой между наночастицами, а поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие, при этом конфигурация и площадь изотипного p-p⁺ (n-n⁺) перехода совпадает с конфигурацией и площадью участков с n⁺-p (p⁺-n) переходами под электродами приемной стороны и тыльной поверхности.

9. Преобразователь по п.8, в котором расстояние между отдельными участками с p-p⁺(n-n⁺) переходом на тыльной поверхности не превышает диффузионную длину неосновных носителей в базовой области и на тыльной поверхности.

10. Преобразователь по п.8, в котором упомянутый р-n переход имеет градиентную структуру.

11. Преобразователь по п.8, в котором упомянутые металлы представляют собой золото или серебро.

12. Преобразователь по п.8, отличающийся тем, что легирующая примесь в объеме кремния n-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации p-типа в приповерхностной светоприемной области.

13. Преобразователь по п.8, отличающийся тем, что легирующая примесь в объеме кремния p-типа содержит на 1-4 порядка меньше концентрации n-типа в приповерхностной светоприемной области.