Полупроводниковое устройство тандемного типа

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и направлено на повышение качества преобразования энергии. Многопереходное полупроводниковое устройство, содержащее слой типа p, слой типа n из аморфного полупроводника или из аморфного полупроводника, включающего микрокристаллы и слой, блокирующий диффузию, расположенный между слоем типа p и слоем типа n толщиной от 5 до предпочтительно от 10 до Полупроводниковое устройство может уменьшать ухудшение качества, вызываемое диффузией атомов легирующего материала, присутствующего соответственно в слое типа p слое типа n в другой слой. 1 ил. 3 табл.

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в качестве солнечных батарей, способных генерировать высокое напряжение, а также в качестве фотодатчика, выпрямителя и т. д.

Известно устройство [1] представляющее собой высоковольтную батарею из последовательно соединенных тандемных переходов, имеющих промежуточный слой, выполненный из металлокерамики или металла, чтобы образовать туннельный переход для тандемного перехода солнечной батареи.

Однако многопереходный полупроводник имеет недостаток, состоящий в том, что атомы группы III и/или атомы группы V в слое p и в слое n соответственно диффундируют в другой слой через поверхность раздела p/n и поэтому поверхность раздела p/n функционирует недостаточно хорошо. Таким образом свойства таких устройств ухудшаются под воздействием тепла, генерируемого из-за термодиффузии легирующих атомов. В особенности при использовании на открытом воздухе солнечной батареи из аморфного кремния температура поверхности батареи достигает примерно 80^оС, и по этой причине ухудшаются свойства солнечной батареи, например заметно уменьшаются ток короткого замыкания, напряжение разомкнутой цепи, фактор заполнения и т. д. в результате понижается коэффициент преобразования солнечной батареи. Причиной этого является тот факт, что в гидрогенизованном аморфном полупроводнике термодиффузия происходит легче, чем в полупроводнике из единого кристалла.

Наиболее близкое техническое решение описано в [2] Полупроводниковое устройство тандемного типа, содержащее две или более состыкованных ячеек, каждая из которых имеет по меньшей мере один полупроводниковый слой p-типа и по меньшей мере один полупроводниковый слой n-типа, причем полупроводниковые слои являются аморфными или аморфными полупроводниковыми слоями, включающими монокристаллы, в которых слой p-типа одной ячейки и слой n-типа другой ячейки разделены буферным слоем.

К недостаткам этого технического решения также относятся плохое тепловое и световые сопротивления, приводящие к низкому качеству приборов.

Цель изобретения повышение термостойкости и светостойкости.

Цель достигается тем, что полупроводниковое устройство тандемного типа, содержащее две или более состыкованных ячеек, каждая из которых имеет по меньшей мере один полупроводниковый слой p-типа и по меньшей мере один полупроводниковый слой n-типа, полупроводниковые слои являются аморфными полупроводниковыми слоями или аморфными полупроводниковыми слоями, включающими микрокристаллы, причем слой p-типа одной ячейки и слой n-типа другой ячейки разделены буферным слоем, который представляет собой слой с термодиффузионным блокированием примеси из силицида или силицидообразующего металла, причем толщина этого слоя от 5 до 500, предпочтительно от 10 до 200 .

Предусматривается многопереходовое полупроводниковое устройство, содержащее полупроводниковый слой типа P, полупроводниковый слой типа n и слой, блокирующий диффузию.

Термодиффузия легирующих атомов группы III слоя p блокируется посредством блокирующего диффузию слоя, предусмотренного между слоем n и слоем p. Термодиффузия легирующих атомов группы V также блокируется этим блокирующим диффузию слоем. Многопереходное полупроводниковое устройство настоящего изобретения обладает свойствами устойчивости к теплу и свету.

На чертеже изображено схематически многопереходное полупроводниковое устройство.

В теплостойком многопереходном полупроводнике специальные ограничения полупроводника отсутствуют и можно использовать как аморфный полупроводник, так и аморфный полупроводник, включающий кристаллические пластинки. Примерами таких полупроводников являются а -Si:H, а -Si- F:H, а SiGe:H, а-SiNiH, а -SiG:FH, а-SiSN:FH, а-Si:N:FH, а SiC:H, а-SiO-H, а-SiOF:H μс:H, μc-SiSn:H и т. п. в которых a аморфность μc микрокристалличность, Si:H гидрогенизованный кремний, висящие связи которого оканчиваются атомами водорода. Полупроводник может быть легирован присадками с целью получения полупроводника типа p или типа n.

Блокирующий диффузию слой предотвращает диффузию трехвалентных или пятивалентных легирующих атомов в другой легированный полупроводник, и при этом атомы, составляющие этот блокирующий диффузию слой, не диффундируют в полупроводник, так как атом в блокирующем диффузию слоем комбинируется с атомами кремния, образуя стабильное соединение, и таким образом блокирующий диффузию слой состоит из стабильного материала, а именно из химического соединения или сплава с высокой точной плавления. Кроме того, атомы блокирующего диффузию слоя не оказывают вредного влияния на электрические свойства полупроводника, такие как темновая проводимость, фотопроводимость, энергия активации и т. п.

Кроме того, блокирующий диффузию слой функционирует как слой, блокирующий диффузию атомов из электрода в полупроводниковый слой. Для этой цели блокирующий диффузию слой располагают между полупроводниковым слоем и электродом.

Примерами материалов, образующих блокирующий диффузию слой настоящего изобретения, являются металлы, образующие соединения с кремнием. Такой металл реагирует с атомами кремния в полупроводниковом слое и образует тонкий слой силицида металла, что предотвращает диффузию атомов легирующего металла. Таким образом слой металла, образующего соединения с кремнием, включает тонкий слой его силицида с обеих его сторон, т. е. на поверхности раздела между слоем металла, образующего соединения с кремниями, и полупроводником. Металлами, образующими соединения с кремнием, являются металлы группы IА, ПА (за исключением Be), IIIВ, IУ В, УВ, УIВ (за исключением ТС) и УIII периодической таблицы элементов. Конкретными примерами образующих соединения с кремнием металлов являются Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, N, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Rc, Fc, Pn, Os, Co, In, Ni и P. Предпочтителен металл из группы УI В, поскольку этот материал является недорогим и его слой легко формируется на полупроводнике. Особенно предпочтительным является хром или же металлический сплав, содержащий более 50% хрома.

Другими материалами, образующими блокирующий диффузию слой, являются силициды металлов групп Та, ТТА (,а исключением Ве), IIIВ, IУВ, УВ, УПВ (за исключением Тс) и УIII Периодической та блицы элементов. Конкретными примерами силицидов металлов являются силицид стронция, силицид бария, силицид титана, силицид циркония, силицид гафния, силицид ванадия, силицид ниобия, силицид тантала, силицид хрома, силицид молибдена, силицид вольфрама, силицид марганца, силицид рения, силицид рутения, силицид осмия, силицид кобальта, силицид иридия, силицид никеля и силицид платины. Среди них предпочтителен силицид металла группы УI В Периодической таблицы или силицид металлического сплава, содержащий более 50 ат. металла группы УIВ, поскольку этот материал недорог и его слой легко формируется на полупроводнике. Особенно предпочтительным является силицид хрома или силицид металлического сплава, содержащий больше 50 ат. хрома. Содержание металла в силициде металла составляет 1-90 ат. предпочтительно 10-90 ат. Когда содержание металла меньше 1 ат. термодиффузию атомов легирующего металла предотвратить невозможно. Когда содержание металла составляет больше 90 ат. в слое может поглощаться свет, что уменьшает фотоэлектрические свойства устройства. Толщина слоя силицида металла, содержащего металл в количестве порядка 10-90 ат. составляет 5-500, наиболее предпочтительно 10-200 , когда в устройстве используется свет. Толщина слоя металла, образующего соединения с кремнием, составляет 10 100 мкм, предпочтительно 30 10 мкм. В случае использования металла, образующего кремниевые соединения, толщина блокирующего диффузию слоя должна быть достаточной для формирования тонкого слоя силицида металла на обеих его сторонах, т. е. на поверхности раздела между слоем полупроводника и слоем, блокирующим диффузию.

Способ получения многопереходного полупроводникового устройства поясняется чертежом.

В приводимом ниже описании многопереходная солнечная батарея a-Si:H показана в качестве предпочтительного варианта настоящего изобретения.

Аморфные слои p, i и n последовательно формируют на прозрачном электроде 2, легко получаемом на прозрачной подложке (стеклянная подложка). 1. На ней осаждают материал блокирующего диффузию слоя 3.

Когда в качестве материала выбирают металл, образующий соединения с кремнием, можно использовать способы как напыления испарения, так и электронно-лучевого испарения. При использовании способа напыления в качестве мишени выбирают металл, образующий кремниевые соединения.

В случае использования силицида металла в качестве осаждаемого материала слой силицида металла формируют путем осаждения силицидно-металлического соединения посредством электронно-лучевого испарения или напыления. Однако можно использовать также испарения или напыления. Однако можно использовать также и другой способ, в котором осаждают металл, используя напылительную мишень, и одновременно посредством разложения тлеющим разрядом осаждают кремний. Процесс совместного напыления можно использовать также и для осаждения слоя, при котором одновременно осуществляют напыление металла и кремния.

Получение слоя силицида металла, кроме того, осуществляют путем осаждения только образующего кремниевые соединения металла на полупроводник новый слой типа p или n и, при необходимости, отжига осажденного слоя в течение 0,5-4 ч при температуре 80-400^оС. Осажденный слой можно подвергать отжигу после получения электрода на полупроводнике. Процесс отжига можно исключить при условии, что время осаждения и температура подложки должным образом регулируются во время осаждения образующего кремниевые соединения металла или полупроводника на слое, блокирующем диффузию. В полупроводнике происходит реакция между металлом и кремнием с образованием силицида металла. При этом получают слой силицида металла толщиной 5-300 .

В описанных выше процессах осаждения на полупроводнике типа pin получают блокирующий диффузию слой заданной толщины. При необходимости этот процесс можно повторить, как показано на чертеже. На последнем слое n можно создать блокирующий диффузию слой 4 для предотвращении диффузии атомов в металлический электрод, как было описано выше. После этого на последнем слое n формируют металлический электрод 5 заданной толщины, как подложечный электрод. После этого солнечную батарею отжигают при температуре 150-400^оС в течение 0,2-5 ч так что блокирующий диффузию слой приходит в более тесный контакт с полупроводником a -Si: H. В процессе отжига атом, составляющий блокирующий диффузию слой, и атом кремния слоя а-Si:H реагируют друг на друге.

В табл. 1-3 показаны различные типы многопереходных полупроводниковых устройств, в которых предусмотрен блокирующий диффузию слой. В табл. 1 и 2 SuS указывает на использование нержавеющей стали толщиной 0,1 мм, на которую нанесена тонкая полиимидная пленка, а Glass означает стеклянную подложку толщиной 2 мм. Полупроводниковая а-Si:H сформирована посредством метода тлеющего разряда CvD (химического парового осаждения), электроды Cr, Al и Ag получены методом электронно-лучевого испарения, а электрод SnO₂ получен путем напыления. BL означает блокирующий диффузию слой.

П р и м е р. На подложке из стекла толщиной 1 мм был сформирован прозрачный электрод IТО/SnO₂, 1000 .

Посредством разложения с помощью тлеющего разряда был осажден аморфный слой типа p 100 , слой типа i, 400 и слой типа n, 150 . При осаждении полупроводника типа p газ, в котором присутствовал (B₂H₆) в количестве 0,1 мол. продукта от моносилана (SiH₄), подвергается разложению при температуре 200^оС подложки и при давлении около 1 мм рт. ст. Слой типа n подвергается разложению под газом, в котором присутствовал фосфат (PH₃) в количестве 0,2 мол. от моносилана (SiH₄). Для осаждения слоя типа i использовали газовую смесь моносилана с водородом.

На сформированный указанным выше способом слой посредством электронно-лучевого испарения был нанесен хром толщиной 20 при давлении 10^-6 мм рт. ст. Затем на слое хрома был снова сформирован аморфный слой типа pin с толщиной слоя типа p 100 слоя типа i 900 и слоя типа n 150 . На этот последний слой n снова был осажден хром. Затем снова был сформирован слой типа pin толщиной 100 слоя p. 5000 слоя i и 150 слоя n. На него был осажден слой хрома толщиной 20 для блокирования диффузии атомов и в подложечный электрод, и на слой хрома был нанесен слой алюминия толщиной 1200 в качестве подложечного электрода посредством электронно-лучевого испарения, после чего солнечную батарею подвергли отжигу в течение 2 ч при температуре 200^оС, что обеспечило тесный контакт между слоем хрома и слоем полупроводника.

Предусмотрено теплостойкое многопереходное полупроводниковое устройство с блокирующим диффузию слоем, расположенным между слоем типа p и слоем типа n полупроводникового устройства. Блокирующий диффузию слой предотвращает диффузию атомов легирующего материала соответственно в слой типа p и в слой типа n. Характеристики полупроводникового устройства настоящего изобретения не снижаются даже при высокой температуре, поэтому полупроводниковое устройство эффективно применяется в солнечной батарее, используемой при высокой температуре.

Формула изобретения

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ТАНДЕМНОГО ТИПА, содержащее две или более состыкованных ячеек, каждая из которых имеет по меньшей мере один полупроводниковый слой p-типа, и по меньшей мере один полупроводниковый слой n-типа, полупроводниковые слои являются аморфными полупроводниковыми слоями или аморфными полупроводниковыми слоями, включающими микрокристаллы, причем слой p-типа одной ячейки и слой n-типа другой ячейки разделены буферным слоем, отличающееся тем, что, с целью повышения термостойкости и светостойкости, буферный слой представляет слой с термодиффузионным блокированием примеси из силицида или силицидообразующего металла, причем толщина этого слоя от 5 до предпочтительно от 10 до .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6