Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор выполнен в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, плоскости р-n - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от n-р - переходов размещена изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, на которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм с расстоянием между нанокластерами 60-120 нм, а над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика. Также предложены еще два варианта выполнения фотоэлектрического генератора. Изобретение обеспечивает: повышение кпд, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения при однократном излучении. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам.

Известен фотоэлектрический генератор матричного типа (патент РФ №2265915, 2005 г., МПК Н01L 31/18), в котором на полупроводниковой подложке расположены эпитаксиальные слои n и р-типа, а запирающий эффект обратносмещенных переходов устранен путем импульсного пробоя. Недостатком указанного преобразователя является недостаточно высокий кпд, не превышающий 8.6% при однократной интенсивности освещения.

Так же известен преобразователь солнечной энергии в электрическую (патент РФ №2217845, 2003 г., МПК Н01L 31/04) на основе фоточувствительного слоя на металлической пластине, содержащий металлические наночастицы в n-слое полупроводникового полимера и полупроводниковые нанокристаллы р-типа. Недостатком указанного преобразователя является нестабильность состояния, обеспечивающего возрастание диэлектрической проницаемости среды фоточувствительного слоя, увеличение потерь в n-области и появление эффекта фотонной деградации.

В качестве прототипа принята конструкция фотоэлектрического генератора (А.с. №288163 СССР, 1967 г., МПК Н01L 31/042), выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора.

Недостатком указанного преобразователя является недостаточно высокая эффективность преобразования.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение кпд фотоэлектрического генератора, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от n-р - переходов, размещена изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, на которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм с расстоянием между нанокластерами 60-120 нм, а над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.

Так же увеличение кпд и эффективности преобразования достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-р - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от р-n - переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.

Так же увеличение кпд и эффективности преобразования достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-р - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от р-n - переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, при этом изолирующая пленка выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 показаны основные элементы конструкции полупроводниковых фотоэлектрических генераторов с нанокластерами, расположенными на изолирующей пленке, с базовой областью n-типа. На фиг.2 показаны основные элементы конструкции полупроводниковых фотоэлектрических генераторов с эпитаксиальными вертикальными р-n - переходами с нанокластарами, расположенными на изолирующей пленке, для варианта подложки n-типа. На фиг.3 показаны основные элементы конструкции полупроводниковых фотоэлектрических генераторов с размещенными в изолирующей пленке нанокластерами. На фиг.4 показаны основные элементы конструкции полупроводниковых фотоэлектрических генераторов с нанокластерами внутри изолирующей пленки, которая выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия.

На фиг.1 фотоэлектрический генератор состоит из микрофотопреобразователей 1, содержащих n-р - переходы 2, базовую область 4 n-типа и легированный слой 5, рабочей поверхности 3, внешних металлических контактов 6, внутренних металлических контактов 7, изолирующей пленки 8, нанокластеров 9, пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика 10, свободной от n-р - переходов поверхности 11. При этом n-р - переходы 2 расположены перпендикулярно рабочей поверхности 3. Один или два линейных размера микрофотопреобразователей 1 соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области 4. Изолирующая пленка 8 расположена на свободной от n-р переходов поверхности 11, толщина пленки 8 10-30 нм. На изолирующей пленке 8 размещены нанокластеры 9, размер которых 10-40 нм, а расстояние между нанокластерами 9 составляет 60-120 нм. Над нанокластерами 9 расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика 10.

На фиг.2 на подложке n-типа 12 размещены эпитаксиальные слои n-типа 5 и р-типа 4, пробитые обратносмещенные р-n - переходы 7, а внутренние металлические контакты отсутствуют.

На фиг.3 нанокластеры 9 размещены внутри изолирующей пленки 8, а пассивирующее антиотражающее покрытие 10 расположено на изолирующей пленке 8.

На фиг.4 нанокластеры 9 размещены внутри изолирующей пленки 8, которая выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия.

Устройство работает следующим образом.

Падающее на рабочую поверхность 3 электромагнитное излучение через пассивирующее антиотражающее покрытие 10 и изолирующую пленку 8 поступает на поверхности 11 микрофотопреобразователей 1, свободные от n-р переходов 2, например, перпендикулярно n-р переходам 2. Происходит поглощение фотонов, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем, что вызывает во внешней цепи фототок, направленный к базовой области 4. Одновременно излучение поступает на нанокластеры 9. При этом частота плазменного резонанса нанокластеров 9 соответствует частоте падающего электромагнитного излучения что позволяет переизлучать падающее излучение через изолирующую пленку 8, и т.о. создается среда, в которой распространяется электромагнитная волна. Происходит резкое увеличение количества неосновных носителей заряда и увеличение функции генерации.

В устройстве по п.2 через пассивирующее антиотражающее покрытие из диэлектрика 10 излучение поступает на нанокластеры 9, расположенные в изолирующей пленке 8.

В устройстве по п.3 электромагнитное излучение поступает непосредственно на изолирующую пленку 8, которая выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия, и расположенные в ней нанокластеры 9.

Сочетание оптических, механических и диффузионных характеристик покрытия и характеристик нанокластеров позволяет в ряде случаев использовать изолирующую, диэлектрическую пленку, в которой размещены нанокластеры и в качестве антиотражающего покрытия (без дополнительного пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика над пленкой).

Т.к. для матричных фотоэлектрических генераторов характерна возможность генерации носителей заряда практически во всем объеме, то введение дополнительных источников генерации носителей в виде нанокластеров позволяет достичь при однократном излучении значений кпд, достижимых в других конструкциях при высоких концентрациях излучения. Таким образом, рост функции генерации в базовой области, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения приводит к повышению кпд в предлагаемой конструкции фотоэлектрического генератора в реальных условиях эксплуатации по сравнению с известными конструкциями.

Пример выполнения полупроводникового фотоэлектрическиого генератора.

ПРИМЕР 1. Фотоэлектрический генератор представляет собой матрицу из столбика микрофотопреобразователей с вертикальной n-p-n...-р - структурой. Микрофотопреобразователи представляют собой пластины кремния марки КДБ 0,5(0.1) с диффузионными переходами и сплошными омическими контактами из индия с обоих n- и р-сторон пластин. На поверхности, свободной от n-р - переходов, размещена изолирующая пленка двуокиси кремния толщиной 10-20 нм, на которой расположены нанокластеры металла, например золота, размером 10-40 нм, при этом расстояние между нанокластерами 60-120 нм. Над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика типа нитрида кремния Si_xN_у.

ПРИМЕР 2. Фотоэлектрический генератор представляет собой многослойную эпитаксиальную n-p-n...-р - структуру на полупроводниковой подложке из кремния n-типа марки КДБ 0,5(0.1) с пробитыми обратносмещенными р-n - переходами. На поверхности, свободной от n-р - переходов, размещена изолирующая пленка двуокиси кремния толщиной 10-20 нм, на которой расположены нанокластеры металла, например атомов серебра, размером 10-40 нм, при этом расстояние между нанокластерами 60-120 нм. Над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика типа нитрида кремния Si_xN_у.

Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, возможно создание в микрофотопреобразователях дополнительных р-n- или изотопных переходов, а также создание косоугольных матриц.

1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от n-р-переходов размещена изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, на которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм с расстоянием между нанокластерами 60-120 нм, а над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.

2. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-р-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от р-n-переходов размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.

3. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-р-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от р-n-переходов размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, при этом изолирующая пленка выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия.