Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение

Фотоэлектрические элементы с обработанными поверхностями и их применение

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Эта заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/089,389, поданной 15 августа 2008 года и озаглавленной «СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СО СТРУКТУРИРОВАННЫМИ КОНТАКТАМИ», которая испрашивает приоритет по заявке на патент США с серийным номером 12/535,952, озаглавленной «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С ТЕКСТУРИРОВАННЫМИ КОНТАКТАМИ», поданной 5 августа 2009 года; по заявке на патент США с серийным номером 12/536,982, поданной 6 августа 2009 года, озаглавленной «МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ С ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ», которая испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/088,921, поданной 14 августа 2008 года, озаглавленной «МНОГОПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ С ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ»; по заявке на патент США с серийным номером 12/536,987, поданной 6 августа 2009 года, озаглавленной «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С БУФЕРНОЙ ЗОНОЙ», которая испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/088,936, поданной 14 августа 2008 года, озаглавленной «СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С БУФЕРНОЙ ЗОНОЙ»; и по заявке на патент США с серийным номером 12/536,992, поданной 6 августа 2009 года, озаглавленной «ЭЛЕКТРОЛИЗ ПОСРЕДСТВОМ МНОГОПЕРЕХОДНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ», которая испрашивает приоритет по предварительной заявке США с серийным номером 61/092,531, поданной 28 августа 2008 года, озаглавленной «ЭЛЕКТРОЛИЗ ПОСРЕДСТВОМ МНОГОПЕРЕХОДНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ». Содержание вышеуказанных заявок в полном объеме включено сюда в качестве ссылки.

Уровень техники

Ограниченная поставка и увеличивающаяся потребность в ископаемом топливе и связанный с этим урон окружающей среде глобального масштаба привели к всеобщим попыткам разнообразить источники используемой энергии и связанные с этим технологии. Одним из таких источников является солнечная энергия, которая задействует фотоэлектрическую (ФЭ) технологию для преобразования света в электричество. Кроме того, солнечная энергия может быть использована для генерации тепла (например, в солнечных печах, парогенераторах и им подобном). Солнечная технология обычно осуществляется с помощью ряда ФЭ элементов или солнечных элементов, или их панелей, которые поглощают солнечный свет и преобразуют солнечный свет в электричество, которое может быть далее передано в электроэнергетическую систему. Значительный прогресс был достигнут в области разработки и производства панелей солнечных элементов, что позволило эффективно увеличить эффективность при уменьшении стоимости их производства. С разработкой более высокоэффективных солнечных элементов размер элементов уменьшается, что ведет к увеличению целесообразности использования панелей солнечных элементов для обеспечения конкурентоспособной основанной на возобновляемой энергии замены истощающимся и высоковостребованным не возобновляемым ресурсам. С этой целью системы для сбора солнечной энергии, такие как концентратор солнечной энергии, могут быть развернуты для преобразования солнечной энергии в электричество, которое может быть передано в электрические сети, и также для сбора тепла. Кроме развития технологии концентраторов солнечной энергии, преследовалась цель улучшения солнечных элементов, направленного на их использование в концентраторах солнечной энергии.

Технология солнечных элементов для преобразования высокоинтенсивного излучения, называемых многопереходными (VMJ) солнечными элементами, представляет собой интегрально связанную последовательно соединенную структуру миниатюрных отдельных элементов с вертикальными переходами, которая освещается с краев, с электрическими контактами на концах. Специфическая конструкция VMJ элемента может, по сути, предоставить выходные характеристики высокого напряжения и малого последовательного сопротивления, делая его идеально подходящим для высокой производительности в фотоэлектрических концентраторах высокоинтенсивного излучения. Другой ключевой особенностью VMJ элемента является простота его конструкции, что приводит к низкой стоимости производства.

Эффективность VMJ может быть подтверждена на основании рабочей характеристики, снятой с экспериментального VMJ элемента с 40 последовательными переходами в интервале от 100 до 2500 интенсивностей солнечного излучения, в которой плотность выходной мощности превышает 400000 ватт/м² при 25 вольтах с эффективностью, близкой к 20%. Следует оценить, что вышеупомянутая производительность в VMJ солнечных элементах получена при низкой стоимости производства и низкой степени сложности производства. Считается, что эти аспекты являются необходимыми путями достижения реальной технической производительности и экономической эффективности, необходимых для того, чтобы сделать системы фотоэлектрического концентратора более эффективными с точки зрения стоимости и жизнеспособными в плане решения глобальных энергетических проблем. Кроме того, любое увеличение производительности элемента (например, больше ватт на выходе) должно напрямую привести к уменьшению размера системы концентратора (например, меньшие затраты, связанные со списком используемых материалов), что приведет к меньшей стоимости $/ватт фотоэлектрической энергии.

Следует отметить, что более низкая стоимость $/ватт очень существенна для принятия и внедрения на рынок технологии солнечных элементов, так как мировые потребности в энергии постоянно увеличиваются не только в развивающихся, но также и в развитых странах, в то время как цены на традиционное ископаемое топливо растут. Также имеет место широко распространенное усиление беспокойства в связи со всеми связанными проблемами, такими как загрязнение окружающей среды, глобальное потепление, и национальная безопасность, и экономические опасности, связанные с зависимостью от заграничных поставщиков топлива. Эти факторы окружающей среды, экономические факторы и факторы безопасности вкупе с растущим вниманием общественности обеспечивают повышенный интерес к нахождению более эффективных с точки зрения стоимости и безопасных для окружающей среды решений, связанных с возобновляемой энергией. Из всех доступных источников возобновляемой энергии солнечная энергия имеет наибольший потенциал в удовлетворении потребности в эффективности и экологической безопасности. Фактически Земля получает больше энергии в виде солнечного света в каждые несколько минут, чем человечество может потребить из всех ресурсов за целый год.

Хотя фотоэлектрическая энергия широко известна как идеальная технология, связанная с возобновляемой энергией, связанные с ней затраты могут быть основной преградой принятию и внедрению на рынок. До получения доли рынка и принятия основанная на фотоэлектричестве энергия должна стать конкурентоспособной с точки зрения цены с традиционными источниками энергии, включая энергию на основе сжигания угля, технология производства которой хорошо развита и которая принята среди потребителей и имеет хорошую эффективность с точки зрения стоимости. Более того, доступ к дешевой электрической энергии считается определяющим фактором в глобальной экономике; таким образом, тераватты (например, тысячи гигаватт) мощности систем на основе фотоэлектрической энергии могут потребоваться. Изучение рынка показывает, что установленные системы на основе фотоэлектрической энергии должны снизить ориентировочную цену до 3 $/ватт или менее, до того как они станут конкурентоспособными без субсидий в широкомасштабной области применения. Так как стоимость для установленных систем на основе фотоэлектричества в данный момент превышает 6 $/ватт, все еще необходимо существенное улучшение с точки зрения стоимости.

Попытка получить меньшую характеристику $/ватт была основной целью большего числа исследований и улучшений в фотоэлектрической технологии в течение последних нескольких десятилетий. Несмотря на то что промышленность тратит миллиарды долларов, разрабатывая различные технологии с целью получения более эффективной с точки зрения стоимости фотоэлектрической энергии, существующая фотоэлектрическая промышленность все еще требует значительных субсидий для поддержки объема продаж, что может являться индикатором вредных условий для развития рынка и развития промышленности.

В настоящее время кремниевые солнечные элементы, которые остаются практически такими же, как во время их первоначального открытия и разработки в 1960-х, преобладают, составляя ~93% фотоэлектрического рынка. Существующая фотоэлектрическая промышленность в попытке снизить стоимость в основном положилась на пригодность дешевого полупроводникового кремния низкого качества для производства традиционных солнечных элементов. Следует отметить, что такой кремний низкого качества, часто называемый кремнием солнечного качества, в основном является головными и задними частями слитков, оставшимися после производства пластин, и материалом, не отвечающим техническим требованиям, отбракованным производителями полупроводниковых устройств, которым необходимы более качественные кремниевые пластины высшего качества. Хотя фотоэлектрические продажи быстро увеличились, вырастая ~ на 40% ежегодно в течение последнего десятилетия с объемом производства, оцененным в 3,8 гигаватт (ГВт) в 2007 году, продажи сейчас затруднены в связи с нехваткой и более высокими ценами на кремний солнечного качества. Хотя кремний высшего качества и доступен, он не рассматривается как вариант, так как он увеличит уровень стоимости производства.

Для обычных традиционных солнечных элементов более половины стоимости производства составляет необработанный полупроводниковый поликремний, используемый для производства пластин для солнечных элементов. В результате, обычный солнечный элемент с эффективностью 14% рассчитан на 0,014 Вт/см² и имеет стоимость кремниевой пластины более 3 $/ватт (или 0,042 $/см²) до какого-либо дополнительного производственного процесса. Следовательно, существующая фотоэлектрическая промышленность вынуждена обратить внимание и принимать решение относительно того факта, что только начальная стоимость кремниевого материала уже превышает ориентировочную цену, которая нужна предприятиям для реализации в более крупном масштабе. Для сравнения, полупроводниковые производители, изготовляющие микропроцессорные чипы, которые продаются по цене более 100 $/см², исходя из оценки по площади, могут себе позволить затраты, связанные с использованием кремниевых пластин высшего качества.

Нехватка кремния солнечного качества и неспособность фотоэлектрической промышленности достичь важной ориентировочной цены, вкупе с пришествием новых более эффективных солнечных элементов с тремя переходами, недавно вызвало значительный возобновившийся интерес к фотоэлектрическим концентраторам. Очевидным преимуществом фотоэлектрических концентраторов является потенциальная выгода в цене, получающаяся из-за использования больших площадей недорогих материалов (стеклянных зеркальных отражателей или пластиковых линз), чтобы сконцентрировать солнечный свет на значительно меньших площадях дорогих солнечных элементов, таким образом, используя дешевые материалы в качестве замены для дорогих материалов. Разработка конструкции фотоэлектрических концентраторов для 1000-кратной интенсивности солнечного излучения значительно уменьшит потребность в дорогом полупроводниковом кремнии на ~99,9%, что VMJ элементы на 1000 МВт могут использовать такое же количество дорогого полупроводникового кремния, которое в настоящее время нужно для традиционных солнечных элементов на 1 МВт. Фактически это считается практичным подходом для смягчения любых проблем, связанных с нехваткой кремния.

Основная работа над солнечными концентраторами главным образом была сосредоточена на улучшении конструкций солнечных элементов кремниевых концентраторов для высокой интенсивности; много существенной работы было проделано в период энергетического кризиса 1970-х, которая в тот период времени продемонстрировала скромные неудовлетворительные результаты относительно затрат. Были проведены исследования и улучшения, первоначально нацеленные на солнечные элементы для систем концентратора для работы при 500 интенсивностях солнечного излучения; тем не менее, цель была снижена до 250 интенсивностей солнечного излучения, когда столкнулись с неразрешимыми проблемами улучшения, связанными с попыткой решить проблему последовательного соединения в конструкции исследуемого солнечного элемента. Например, высокие потери последовательного соединения в солнечных элементах концентратора стали очевидной основной проблемой, которую технология традиционного VMJ солнечного элемента приняла во внимание и решила. Следует отметить, что значительная часть солнечных элементов, разработанных для технологии концентратора, является довольно сложной и дорогой с точки зрения производства, с 6 или 7 высокотемпературными этапами (>1000°С) и 6 или 7 этапами фотолитографического маскирования. Эта сложность относится к попыткам на уровне конструкции минимизировать потери последовательного соединения, которые изначально ограничивали работу при максимальной интенсивности, в лучших из этих конструкций, равной не более 250 интенсивностей солнечного излучения. Такая сложность и связанные с ней затраты препятствовали значительному развитию технологии концентратора и связанной с ней технологии солнечных элементов и способствовали развитию альтернативных технологий, таких как технология тонкопленочных солнечных элементов.

Технология многопереходных (VMJ) солнечных элементов с вертикальными переходами существенно отличается от традиционных солнечных элементов концентратора. Технология VMJ солнечных элементов обеспечивает, по меньшей мере, два преимущества относительно других технологий: (1) она не требует фотолитографии, и (2) один этап высокотемпературной диффузии, при температурах более 1000°С, может быть применен для формирования обоих переходов. Следовательно, задается меньшая стоимость производства. Кроме того, VMJ солнечные элементы могут работать при высоких интенсивностях, например, работать при 2500 интенсивностях солнечного излучения. Сразу понятно из таких условий работы, что сопротивление последовательного соединения не является проблемой для конструкции VMJ элемента; даже при интенсивностях с порядком величины, большей традиционно предлагаемой из соображений целесообразности, она не была жизнеспособна с точки зрения экономики. Также плотность тока в отдельном VMJ элементе при 2500 интенсивностях солнечного излучения обычно порядка 70А/см², что составляет уровень излучения, который может причинить существенный ущерб большинству солнечных элементов, основанных на других технологиях.

Как указано выше, возобновленный интерес к фотоэлектрическим концентраторам разрастается в связи с разработкой солнечных элементов с тремя переходами, изготовленных с использованием материалов III-V групп, включающих галлий (Ga), фосфор (P), арсенид (As), индий (In) и германий (Ge). Элемент с тремя переходами может задействовать от 20 до 30 различных полупроводниковых слоев, соединенных последовательно над пластиной из германия: легированные слои GaInP₂ и GaAs, выращенные в реакторе для химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), где каждый полупроводник будет иметь характерную ширину запрещенной энергетической зоны, что приведет к тому, что он будет поглощать солнечный свет наиболее эффективно при определенном цвете. Полупроводниковые слои выбираются аккуратно с целью поглощения практически всего спектра солнечного излучения, таким образом, генерируя столько электричества из света, сколько возможно. Эти многопереходные устройства являются наиболее эффективными солнечными элементами на сегодняшний день, достигая высокой отметки в 40,7% эффективности при умеренной концентрации солнечного света и лабораторных условиях. Но, так как они дорогие с точки зрения производства, необходимо их использование в фотоэлектрических концентраторах.

Тем не менее, потребность в материалах и стоимость материалов солнечных элементов III-V групп быстро увеличивается. Например, за 12 месяцев (12/2006-12/2007) стоимость чистого галлия увеличилась с порядка $350 за кг до $680 за кг, а цены на германий значительно увеличились до $1000-$1200 за кг. Цена на индий, которая была равна $94 за кг в 2002, увеличилась до практически $1000 за кг в 2007. Кроме того, потребность в индии по прогнозам продолжит увеличиваться в связи с большим объемом производства тонкопленных (CuInGaSe) солнечных элементов, начатым несколькими новыми компаниями в 2007 году. Более того, индий является редким элементом, который широко используется для формирования прозрачного электрического покрытия в виде оксида индия и олова для жидкокристаллических дисплеев и больших мониторов с плоской панелью. Фактически эти материалы оказываются нежизнеспособны с точки зрения долгосрочных фотоэлектрических (ФЭ) решений, необходимых для предоставления тераватт дешевой энергии в решении глобальных энергетических проблем.

При том, что полупроводниковые солнечные элементы III-V групп с площадью 0,26685 см² могут генерировать энергию, равную 2,6 ваттам или порядка 10 Вт/см², и было предварительно оценено, что такая технология может в итоге производить электричество по цене 8-10 центов/кВт·ч, практически равной цене за электричество от традиционных источников, дальнейший анализ может потребоваться для подтверждения такой оценки. Тем не менее, VMJ солнечные элементы продемонстрировали выходную мощность, превышающую 40 Вт/см² при 2500 интенсивностях солнечного излучения с использованием наименее дорогого полупроводникового материала с низкой стоимостью производства. (Эта выходная мощность превышает 400000 Вт/м².) Наряду с комплексом ФЭ технологий, основанных на улучшенных материалах, технология солнечных элементов на основе Si остается в целом преобладающей в фотоэлектрических элементах и областях применения. Более того, в случае возникновения глобальной потребности, кремний является единственным полупроводниковым материалом с существующей промышленной базой, которая будет способна предоставить тераватты фотоэлектрической энергии в обозримом будущем для широкого глобального применения.

Сущность изобретения

Приведенное ниже описание представляет упрощенную сущность изобретения с целью предоставления базового понимания некоторых аспектов, здесь описанных. Описание сущности изобретения не является подробным описанием и не предназначено для выявления ключевых/важнейших элементов или для ограничения объема различных аспектов, здесь описанных. Его единственной целью является предоставить некоторые концепции в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, которое представлено за ним.

Данное изобретение предоставляет фотоэлектрические элементы на основе полупроводников, которые уменьшают рекомбинационные потери фотогенерированных носителей. В аспекте для уменьшения рекомбинационных потерь диффузные легированные слои в активных фотоэлектрических элементах покрываются структурой диэлектрического(их) материала(ов), что уменьшает контакт между металлическими контактами и активным ФЭ элементом. Различные структуры могут быть использованы, и одна или более поверхности ФЭ элемента может быть покрыта одним или более диэлектриками. Многопереходные (VMJ) солнечные элементы с вертикальным переходом могут быть произведены со структурированными ФЭ элементами или отдельными элементами. Структурированные ФЭ элементы могут увеличить сопротивление последовательного соединения VMJ солнечных элементов, и структурирование одной или более поверхностей ФЭ элемента может увеличить сложность процесса, задействованного при производстве VMJ солнечных элементов; тем не менее, уменьшение потерь носителей в диффузных легированных слоях может увеличить эффективность солнечных элементов и, таким образом, предоставить ФЭ рабочие преимущества, которые перевешивают увеличение сложности производства. Система, которая делает возможным производство ФЭ элементов на основе полупроводников, также предоставляется.

Аспекты или особенности, здесь описанные и связанные с ними преимущества, такие как уменьшение рекомбинационных потерь фотогенерированных носителей, могут быть использованы в любом классе фотоэлектрических элементов, таких как солнечные элементы, термофотоэлектрические элементы, или элементы, возбуждаемые лазерными источниками или фотонами. Кроме того, аспекты данного изобретения также могут быть осуществлены в другом(их) классе(ах) элементов, преобразующих энергию, таких как бета-электрические элементы.

Данное изобретение уменьшает основную часть рекомбинационных потерь в многопереходном (VMJ) элементе с вертикальными переходами посредством текстурирования поверхностей, принимающих свет. Текстуры могут быть в виде имеющих форму углублений бороздок, такими как конфигурации c поперечным сечением в форме «V», конфигурации c поперечным сечением в форме «U» и им подобными, где плоскость, которая включает конфигурации с таким поперечным сечением, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. В одном аспекте плоскость, которая включает в основном периодически повторяющиеся поперечные сечения (например, при рассмотрении поперечного сечения в направлении, в котором по ней проходят бороздки), практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов. Такое расположение способствует направлению преломленного света от p+ и n- диффузных легированных областей VMJ, при этом в то же время создавая желательные носители в уменьшающемся объеме. Соответственно, падающий свет может быть преломлен на плоскости, которая включает конфигурацию с поперечным сечением и которая является практически перпендикулярной направлению наложения отдельных элементов.

Следует оценить, что текстурирование для VMJ данного изобретения отличается от известного уровня техники для текстур традиционных кремниевых полупроводниковых элементов, как в вопросе ориентации PN переходов, так и/или в вопросе взаимодействия с падающим светом. Например, традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы обычно текстурированы так, чтобы отклонить проникающий свет таким образом, чтобы больше волн, имеющих большую длину волны, поглощалось ближе к PN переходам (расположенным горизонтально) для лучшего токосъема носителями, и, следовательно, смягчить низкую спектральную чувствительность к большим длинам волн в спектре солнечного излучения. И напротив, это не требуется в VMJ данного изобретения, который включает вертикальные переходы и, следовательно, уже обеспечивает увеличенную спектральную чувствительность к более длинным волнам в спектре солнечного излучения.

В отдельном аспекте результат применения бороздок в соответствии с данным изобретением (например, бороздок в форме V) заключается в уменьшении основной части рекомбинационных потерь путем уменьшения объема основной части (по сравнению с поверхностями традиционных солнечных элементов с текстурой, которая уменьшает отражение или приближает отраженный или преломленный свет к переходам). В частности, VMJ элементы продемонстрировали лучший токосъем носителями как для коротких длин волн, так и для длинных длин волн, где чувствительность к коротким длинам волн наблюдается за счет исключения сильнолегированных горизонтальных переходов на верхней поверхности, а чувствительность к длинным длинам волн наблюдается в связи с увеличенной эффективностью сбора вертикальных переходов. В качестве другого примера, если вместо текстуры в виде бороздок в форме углублений в соответствии с данным изобретением другие текстуры (например, со случайной, пирамидальной, куполообразной или схожей выступающей конфигурацией) были бы использованы как часть VMJ, падающий свет начал бы преломляться во всех направлениях, что привело бы к поглощению света в p+ и n+ диффузных областях и, следовательно, к уменьшенной эффективности.

В соответствии со связанным способом на начальном этапе VMJ может быть сформирован путем наложения (в виде пакета) множества отдельных элементов, где каждый элемент сам может включать множество параллельных полупроводниковых подложек или слоев, которые сложены вместе. Каждый слой может состоять из нечистого легированного полупроводникового материала, который формирует PN переход, а также включать «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое облегчает перемещение неосновных носителей в сторону такого PN перехода. Затем множество таких отдельных элементов объединяется, чтобы сформировать VMJ. Далее на поверхности VMJ элемента, которая принимает свет, могут быть сформированы бороздки в форме углублений (например, посредством установки для резки полупроводниковых пластин), где плоскость, которая включает поперечное сечение конфигурации, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. Соответственно, падающий свет может быть преломлен в плоскости, которая включает повторяющиеся конфигурации с поперечным сечением и которая практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов (например, таким образом, обеспечивая более сильное поглощение для заданной глубины). Более того, различная(ые) задняя(задние) поверхность(и) и боковая(ые) поверхность(и) с отражающим покрытием могут быть использованы в сочетании с различными аспектами данного изобретения.

В связанном аспекте поверхность с бороздками по данному изобретению также улучшает съем носителей, при этом уменьшая большую часть рекомбинационных потерь. Например, бороздки в форме V могут быть расположены перпендикулярно p+nn+ (или n+pp+) отдельным элементам, чтобы увеличить оптическую длину путей поглощения более длинных длин волн в спектре солнечного излучения и сделать поглощение света практически целиком ограниченным внутри основного объема области n-типа p+nn+ отдельных элементов. Более того, такие бороздки в форме V могут иметь антиотражающее покрытие, примененное для улучшенного поглощения падающего света элементом.

В связанном аспекте данное изобретение уменьшает основную часть рекомбинационных потерь в многопереходном (VMJ) элементе с вертикальными переходами посредством структурирования его принимающей свет поверхности. Текстуры могут иметь форму углубленных бороздок, таких как конфигурации с поперечным сечением в форме «V», конфигурации с поперечным сечением в форме «U» и им подобными, где плоскость, которая включает такую конфигурацию с поперечным сечением, является практически перпендикулярной направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. В одном аспекте плоскость, которая включает постоянно повторяющиеся поперечные сечения (например, создающая поперечное сечение в направлении, в котором проходят бороздки), практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов. Такое расположение способствует направлению преломленного света от p+ и n- диффузных легированных областей VMJ, при этом в то же время создавая желательные носители в уменьшающемся объеме. Соответственно, падающий свет может быть преломлен на плоскости, которая включает конфигурацию с поперечным сечением и которая является практически перпендикулярной направлению наложения отдельных элементов.

Следует оценить, что текстурирование для VMJ данного изобретения отличается от известного уровня техники для текстур традиционных кремниевых полупроводниковых элементов как в вопросе ориентации PN переходов, так и/или в вопросе взаимодействия с падающим светом. Например, традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы обычно текстурированы так, чтобы отклонить проникающий свет таким образом, чтобы больше волн, имеющих большую длину волны, поглощалось ближе к PN переходам (расположенным горизонтально) для лучшего токосъема носителями, и, следовательно, смягчить низкую спектральную чувствительность к большим длинам волн в спектре солнечного излучения. И напротив, это не требуется в VMJ данного изобретения, который включает вертикальные переходы и, следовательно, уже обеспечивает увеличенную спектральную чувствительность к более длинным волнам в спектре солнечного излучения.

В отдельном аспекте результат применения бороздок в соответствии с данным изобретением (например, бороздки в форме V) заключается в уменьшении основной части рекомбинационных потерь путем уменьшения объема основной части (по сравнению с поверхностями традиционных солнечных элементов со структурой, которая уменьшает отражение или приближает отраженный или преломленный свет к переходам). В частности, VMJ элементы продемонстрировали лучший токосъем носителями как для коротких длин волн, так и для длинных длин волн, где чувствительность к коротким длинам волн наблюдается за счет исключения сильнолегированных горизонтальных переходов на верхней поверхности, а чувствительность к длинным длинам волн наблюдается в связи с увеличенной эффективностью сбора вертикальных переходов. В качестве другого примера, если вместо структуры бороздок углубленной формы в соответствии с данным изобретением другие структуры (например, со случайной, пирамидальной, куполообразной или схожей выступающей конфигурацией) были бы использованы как часть VMJ, падающий свет начнет преломляться во всех направлениях, что приведет к поглощению света в p+ и n+ диффузных областях и, следовательно, к уменьшенной эффективности.

В соответствии со связанным способом на начальном этапе VMJ может быть сформирован путем наложения множества отдельных элементов, где каждый элемент сам может включать множество параллельных полупроводниковых подложек или слоев, которые сложены вместе. Каждый слой может состоять из нечистого легированного полупроводникового материала, который формирует PN переход, а также включать «встроенное» электростатическое дрейфовое поле, которое увеличивает малую скорость носителя в сторону такого PN перехода. Затем множество таких отдельных элементов объединяется, чтобы сформировать VMJ. Далее на поверхности VMJ элемента, которая принимает свет, могут быть сформированы бороздки в форме углублений (например, посредством установки для резки полупроводниковых пластин), где плоскость, которая включает поперечное сечение конфигурации, практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов, которые формируют VMJ. Соответственно, падающий свет может быть преломлен в плоскости, которая включает повторяющиеся конфигурации с поперечным сечением и которая практически перпендикулярна направлению наложения отдельных элементов (например, таким образом, обеспечивая более сильное поглощение для заданной глубины). Более того, различная(ые) задняя(задние) поверхность(и) и боковая(ые) поверхность(и) с отражающим покрытием могут быть использованы в сочетании с различными аспектами данного изобретения.

В связанном аспекте поверхность с бороздками по данному изобретению также улучшает съем носителей, при этом уменьшая большую часть рекомбинационных потерь. Например, бороздки в форме V могут быть расположены перпендикулярно p+nn+ (или n+pp+) отдельным элементам, чтобы увеличить оптическую длину путей поглощения более длинных длин волн в спектре солнечного излучения и сделать поглощение света практически целиком ограниченным внутри основного объема области n-типа p+nn+ отдельных элементов. Более того, такие бороздки в форме V могут иметь антиотражающее покрытие, примененное для улучшенного поглощения падающего света элементом.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет буферную(ые) зону(ы) на конце слоев кремниевого многопереходного (VMJ) фотоэлектрического элемента с вертикальными переходами высокого напряжения, чтобы обеспечить барьер, который защищает активные слои, в то же время обеспечивая омический контакт. Такая(ие) буферная(ые) зона(ы) может быть в форме структуры неактивного(ых) слоя(ев), которая дополнительно накладывается на и/или под концевые слои VMJ элемента. VMJ элемент сам по себе может включать множество отдельных элементов, где каждый отдельный элемент задействует несколько активных слоев (например, три), чтобы сформировать PN переход и «встроенное» электростатическое дрейфовое поле (которое увеличивает малую скорость перемещения носителя в сторону PN перехода).

Соответственно, различные активные слои, такие как nn+ и/или p+n переходы, расположенные на обоих концах VMJ элемента (и являющиеся частями его отдельных элементов), могут быть защищены от неблагоприятных видов давления и/или растяжения (например, от термического/механического сжатия, скручивания, напряжения, деформации и им подобного, которые могут быть приложены к VMJ в процессе его производства и/или работы). Более того, буферная зона может быть сформирована с использованием материалов, которые имеют омический контакт очень малого сопротивления, как металлов, так и полупроводников, такого, что он не приведет к каким-либо значительным потерям последовательного сопротивления в фотоэлектрическом элементе при рабочих условиях. Например, буферная зона может быть сформирована путем использования легированных кремниевых пластин p-типа с низким сопротивлением таким образом, что при использовании других легирующих примесей p-типа, таких как сплавы алюминия при производстве VMJ фотоэлектрического элемента, она снизит опасность автолегирования (в сравнении с использованием пластин n-типа, которые могут создать нежелательные pn переходы), когда целью является создание омического контакта очень малого сопротивления. Следует оценить, что данное изобретение может быть использовано как часть любого класса фотоэлектрических элементов, таких как солнечные элементы и термофотоэлектрические элементы. Кроме того, аспекты данного изобретения также могут быть применены в преобразующих энергию элементах другого(их) класса(ов), таких как бета-электрические элементы.

В связанных аспектах буферная зона может быть в форме бандажа на поверхности концевого слоя отдельного элемента, которая выступает в роли защитной границы для такого активного слоя и также обрамляет VMJ элемент для простоты обращения и транспортировки. Также путем обеспечения защитного захвата VMJ элемента конструкция такого бандажа также облегчает процедуру, связанную с антиотражающим покрытием (например, покрытие может быть нанесено равномерно, когда элемент надежно удерживается в процессе обработки, например, с помощью механического зажима). Более того, буферные зоны (например, неактивные слои, расположенные на концах VMJ) могут быть физически расположены рядом с другими буферными зонами в процессе отложения, и, следовательно, любой нежелательный диэлектрический материал покрытия, который неблагоприятно проникает ниже на контактные поверхности, может быть легко удален, не повреждая активные отдельные элементы. Буферная зона может быть сформирована из сильнолегированного кремния очень низкого сопротивления (например, толщиной порядка 0,008”). Такая буферная зона может в целом контактировать с проводниками, которые отгораживают или разделяют VMJ элемент от другого VMJ элемента в структуре фотоэлектрического элемента.

В соответствии со следующим аспектом буферная зона может быть расположена между электрическим контактом и активными слоями VMJ элементов. Более того, такие буферные зоны могут иметь характеристики теплового расширения, которые практически совпадают с характеристиками активных слоев, таким образом снижая ухудшение эффективности (например, снижение давления/растяжения, прилагаемых, когда проводники привариваются или припаиваются в процессе производства). Например, сильнолегированные слои кремния малого сопротивления могут быть использованы, которые совпадают по значению коэффициента теплового расширения (3×10^-6/°С) со всеми ак