Фотоэлектронный элемент

Изобретение относится к областям полупроводниковой фотоэлектроники, фотоэлектроэнергетики, к возобновляемым источникам энергии, к преобразователям энергии лазерного излучения. Техническим результатом изобретения является увеличение процента поглощения света светоприемной поверхностью и увеличение к.п.д. фотоэлектронного элемента. Сущность изобретения: фотоэлектронный элемент, состоящий из кристаллов монокристаллического кремния с плоскими диффузионными р-n переходами (р-n кристаллов), расположенных стопой последовательно один над другим с образованием светоприемной поверхности с чередующимися р- и n-областями, имеющий рельеф светоприемной поверхности в виде непрерывно повторяющихся продольных углублений, расположенных так, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания р-n кристаллов в стопу, отличающийся тем, что профиль углублений имеет вид асимметричных треугольников, основание которых находится на виртуальной плоской светоприемной поверхности, а углы у основания α и β связаны соотношением α<β≤90°. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к областям полупроводниковой фотоэлектроники, фотоэлектроэнергетики, к возобновляемым источникам энергии, к преобразователям энергии лазерного излучения.

Перспективным направлением в области прямого преобразования энергии света в электроэнергию является создание вертикальных многопереходных фотоэлектронных элементов (ВМП ФЭ), в которых отдельные кристаллы монокристаллического кремния с плоскими диффузионными р-n переходами располагаются стопой последовательно один над другим, образуя светоприемную поверхность с чередующимися р- и n- областями (патент РФ №2127009, кл. H01L 31/18 [1]). Светоприемная поверхность ВМП ФЭ, как и традиционных ФЭ (горизонтальных), не должна содержать нарушенного слоя. Это достигается механической или/и химической полировкой

При поглощении полупроводником энергии света происходит генерация электронно-дырочных пар - неравновесных носителей заряда (ННЗ). Вследствие разделения ННЗ собственным электрическим полем р-n перехода на р-n переходе возникает э.д.с.

Видимый спектр солнечного света поглощается полированным кремнием на глубине до 5 мкм. Дальнейшее распространение ННЗ вглубь полупроводника происходит за счет диффузии. Плотность диффузионного потока ННЗ равна D*dn/dx, где D - коэффициент диффузии, n - концентрация ННЗ. Коэффициент диффузии пропорционален подвижности носителей µ. Во времени концентрация ННЗ уменьшается с характеристическим временем τ (время жизни ННЗ) вследствие их рекомбинации. Таким образом, эффективность ФЭ (к.п.д.) увеличивается с увеличением значений µ и τ.

Принципиальным преимуществом ВМП ФЭ перед традиционными, в которых свет поглощается поверхностью сильнолегированной области, являются существенно большие значения τ и µ, которые растут с уменьшением степени легирования полупроводников N. В ВМП ФЭ свет направлен, в частности, на слаболегированную n-базу и слаболегированную область диффузионного р-слоя.

Реальная глубина распространения неравновесных носителей перпендикулярно поверхности в ВМП ФЭ составляет несколько сотен мкм.

Конструкция ВМП ФЭ [1] имеет плоскую светоприемную поверхность. Недостатком такой конструкции является то, что рабочая (приповерхностная) область кремния невелика. Недостатком является также высокий процент отражения солнечного света. Для сред воздух - полированный кремний в диапазоне углов падения от примерно 10° до 90° коэффициент отражения котр для видимого света составляет порядка 33%, для ульрафиолетового излучения (УФИ) - свыше 60% (http://www.Dpva.info/Guide/Guide Physics [2]). Просветляющие (антиотражающие) покрытия для полного солнечного спектра должны быть многослойными, что представляет дополнительную сложность при изготовлении и повышает стоимость ФЭ.

В ВМП ФЭ с «текстурированной», т.е. рельефной поверхностью может быть существенно увеличена область генерирования ННЗ.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является конструкция ВМП ФЭ (патент США №2010/0037943, кл. H01L 31/0236 [3]), где рельеф светоприемной поверхности выполнен в виде непрерывно повторяющихся продольных углублений, при этом плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания р-n элементов последовательно один над другим в стопу. В [3] патентуется профиль рельефа с углублениями V формы (повторяющихся равнобедренных треугольников, фиг.1) или U формы (то же, с закругленными углами).

Таким образом, профиль углублений [3] является симметричным (имеет осевую симметрию).

Однако профиль рельефа [3] не во всех отношениях является оптимальным. Выше указывалось, что светоприемная поверхность ФЭ должна быть полированной, т.е. отражать свет с достаточно высоким котр. При наличии углублений отраженный свет может падать на поверхность ФЭ еще несколько раз, существенно увеличивая к.п.д. Этот эффект в [3] не рассматривается.

Проведем рассмотрение падений (отражений и поглощений) света в конструкции [3] (Фиг.1).

При α=45° падающий поток видимого света, поглощаемый каждой боковой стороной углубления на 67%, отражается горизонтально на противоположную сторону с поглощением 33%*67%=22,11% энергии и затем выходит в окружающую среду. Таким образом, здесь за счет 2-х падений поглощается 67%+22,11%=89,11% видимого света.

Для УФИ примем котр=60%. Таким же образом получим, что поглощается 40%+60%*40%=64% УФИ.

Если α=60°, поток света полностью проходит 3 падения (Фиг.1). Видимый свет при третьем падении дополнительно поглощается еще на (100-89,11)%*67%≈7,3%. Суммарно поглощается 96,41% видимого света.

Для УФИ поглощается 64%+(100-64)%*40%=78,4%.

Таким образом, рельеф [3] (Фиг.1) не обеспечивает достаточно высокого процента поглощения света, особенно в УФ диапазоне.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение процента поглощения света и увеличение к.п.д. ФЭ за счет увеличения количества падений светового потока внутри углублений.

Технический результат достигается тем, что в ВМП ФЭ, состоящем из кристаллов монокристаллического кремния с плоскими диффузионными р-n переходами, расположенных стопой последовательно один над другим с образованием светоприемной поверхности с чередующимися р- и n-областями, имеющем рельеф светоприемной поверхности в виде непрерывно повторяющихся продольных углублений, расположенных так, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания р-n кристаллов в стопу, профиль углублений имеет вид асимметричных треугольников, основание которых находится на виртуальной плоской светоприемной поверхности, а углы у основания α и β связаны соотношением α<β≤90°.

Отличительным признаком предлагаемого решения является профиль непрерывно повторяющихся продольных углублений, имеющий вид асимметричных треугольников, основание которых находится на виртуальной плоской светоприемной поверхности, а углы у основания α и β связаны соотношением α<β≤90°.

Известных решений с указанными признаками не обнаружено.

Сущность предлагаемого решения поясняется на фигурах.

На фиг.1 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по прототипу.

На фиг.2 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по предлагаемому изобретению для значения максимального значения β=90°.

Из фиг.1 и 2 ясно, что площадь светоприемной поверхности для исходного светового потока S при равных углах α одинакова для предлагаемого решения при β=90° и для прототипа.

Преимуществом предлагаемого профиля углублений является не увеличение S, а увеличение количества падений полного светового потока N.

Действительно, по предлагаемому решению при α=45° (Фиг.2) световой поток, падая на боковую сторону углубления, отражается под углом 45° горизонтально и полностью падает на противоположную сторону под углом 90° к ней (второе падение). Падение света под углом 90° означает затем повторение светом пути в обратном направлении и третье падение на боковую сторону с отражением в окружающую среду (N=3, для прототипа N=2).

Для профиля по предлагаемому решению при α=60° (Фиг.2) видно, что световой поток, падая на боковую сторону под углом 30° и отражась под этим же углом, падает на противоположную сторону под углом 60° (второе падение) и, отражаясь, падает на первую сторону под углом 90° (третье падение). Далее свет проходит обратный путь с четвертым и пятым падениями и выходом в окружающую среду (N=5, для прототипа N=3). Полученные данные сведены в таблицу.

Таблица
α=45° α=60°
N % поглощения света N % поглощения света
Видимый спектр УФИ Видимый спектр УФИ
По прототипу (β=α) 2 89,11 64 3 96,41 78,4
По предлагаемому решению (β=90°) 3 96,41 78,4 5 99,6 92,22

Из таблицы видно, что в конструкции по предлагаемому решению с асимметричным профилем углублений процент поглощения света существенно выше, чем в конструкции по прототипу.

Второе преимущество предлагаемого решения относится к работе при высокой интенсивности облучения, соответствующей высоким значениям концентрации ННЗ n. В отличие от прототипа, в предлагаемой конструкции при β=90° имеется поверхность, не подвергаемая первичному облучению - перпендикулярная виртуальной плоской поверхности. На эту поверхность приходится второе падение света.

При высокой интенсивности облучения подвижность носителей µ снижается с повышением их концентрации n из-за рассеяния носителей на носителях. При повышении n существенно снижается и значение τ из-за возрастания вклада в рекомбинационный процесс Оже-рекомбинации (зона-зона) (С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М., Мир, 1984 г., т.1, стр.153-154 [4]). При этом скорость Оже-рекомбинации пропорциональна кубу концентрации n. Таким образом, к.п.д. ФЭ существенно снижается.

Сравним условия поглощения света при втором падении для предлагаемого решения и прототипа.

В V-конструкции (по прототипу) (фиг.1) второе падение света приходится на облученную поверхность, увеличивая световой поток до 133% для видимого света и до 160% для УФИ по сравнению с первым падением.

В конструкции по предлагаемому решению (фиг.2) при втором падении световой поток составляет 33% для видимого света и 60% для УФИ по сравнению с первым падением.

При α=45° (sin α=0,7) получаем, что значение n при втором падении света в предлагаемом решении меньше, чем в прототипе, в (133:33)*0,7=2,8 раз для видимого света и в (160:60)*0,7=1, 87 раза для УФИ.

Учитывая кубическую зависимость скорости Оже-рекомбинации u от n, получаем снижение u примерно в 22 раза для видимого света и в 6,5 раз для УФИ. Вместе с увеличением µ при снижении n это означает заметное увеличение к.п.д. предлагаемого ФЭ по сравнению с прототипом.

Очевидно, что эффект увеличения к.п.д. по сравнению с прототипом будет иметь место при всех α<β≤90°. При росте β в этом диапазоне число падений света будет возрастать, и, соответственно, к.п.д. ФЭ будет увеличиваться.

Заметим, что на практике для реализации необлучаемой поверхности можно использовать β до примерно 93°, однако тупые углы β приводят к затенению светоприемной поверхности.

Глубину углублений можно сделать любой, меняя масштаб профиля. Для реализации ФП по предлагаемому изобретению после соединения р-n кристаллов в стопу можно сделать углубления групповым методом, как при резке слитков кремния на пластины.

Фотоэлектронный элемент (ФЭ), состоящий из кристаллов монокристаллического кремния с плоскими диффузионными р-n переходами, расположенных стопой последовательно один над другим с образованием светоприемной поверхности с чередующимися р- и n-областями, имеющий рельеф светоприемной поверхности в виде непрерывно повторяющихся продольных углублений, расположенных так, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания р-n кристаллов в стопу, отличающийся тем, что профиль углублений имеет вид асимметричных треугольников, основание которых находится на виртуальной плоской светоприемной поверхности, а углы у основания α и β связаны соотношением α<β≤90°.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических генераторов (ПФГ). .

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). .

Изобретение относится к конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей. .

Изобретение относится к устройствам преобразования световой энергии в электрическую и может быть использовано как в концентраторных фотоэлектрических модульных установках, так и в космических солнечных батареях.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). .

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов. .

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении гибридных интегральных детекторов инфракрасного излучения, стойких к многократным циклам охлаждения-нагревания.

Изобретение относится к области электротехники. .

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). .

Изобретение относится к солнечным источникам света. .
Изобретение относится к области фотоэлектроники, а именно к фотоэлектрическим преобразователям (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразователей солнечной энергии, упрощении технологии изготовления при одновременном снижении ее себестоимости и увеличении светоприемной поверхности фотопреобразователя. Способ изготовления фотопреобразователя на основе оксида алюминия включает изготовление пористой пластины с размерами пор, равными нанометрам, в качестве пористой пластины используют оксид алюминия, в поры которого осаждают и заполняют полупроводниковый материал, при этом заполнение пор осуществляют при импульсном напряжении прямоугольной формы амплитудой 650-720 В и плотностью тока 8-10 А/см2 в электролите диметилсульфоксида следующего состава в г/л: хлорид цинка - 8,2-8,35, сера - 6,5-7,0. 1 табл.

Согласно изобретению предложена эффективная солнечная батарея, выполненная многопереходной с защитным диодом, причем у многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода имеется общая тыльная поверхность и разделенные меза-канавкой фронтальные стороны, общая тыльная поверхность включает в себя электропроводящий слой, многопереходная солнечная батарея включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей и имеет расположенную ближе всего к фронтальной стороне верхнюю солнечную батарею и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею, каждая солнечная батарея включает в себя np-переход, между соседними солнечными батареями размещены туннельные диоды, количество слоев полупроводника у структуры защитного диода меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи, последовательность слоев полупроводника у структуры защитного диода идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи, причем в структуре защитного диода выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод, а между соседними защитными диодами размещен туннельный диод, количество np-переходов в структуре защитного диода по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи, на передней стороне многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода выполнена структура соединительного контакта, содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта выполнен состоящий из нескольких слоев полупроводника электропроводящий контактный слой, и эти несколько слоев полупроводника включают в себя туннельный диод. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Солнечная панель (3) по настоящему изобретению, поверх которой перемещаются стрелки (7), установленные на стрелочной оси, вставленной в сквозное отверстие (3a), предусмотренное в центре солнечной панели (3), включает в себя центральный элемент (10), кругообразно сформированный вокруг сквозного отверстия (3a), и множество наружных периферийных элементов (11-15), сформированных по внешнему периметру центрального элемента (10) так, чтобы иметь практически одинаковые принимающие свет области. Центральный элемент (10) выполнен имеющим принимающую свет область, которая больше принимающей свет области каждого наружного периферийного элемента (11-15), с учетом заслоненной от света области, в которой стрелки (7) перекрывают центральный элемент (10). Вследствие этого даже в случае, когда стрелки (7) всегда перекрывают центральный элемент (10), а часть стрелок (7) перекрывает один из множества наружных периферийных элементов (11-15), может быть минимизирована флуктуация каждой принимающей свет области центрального элемента (10) и множества наружных периферийных элементов (11-15) вследствие такого перекрытия. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к источникам питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность: бета-вольтаическая батарея содержит корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности. Комплект собран из преобразователей, направленных разнополярными поверхностями друг к другу, между которыми размещены токопроводящие радиоизотопные элементы. Комплекты разделены изолирующими элементами, снабженными равномерно расположенными пазами. Противолежащие пазы снабжены токопроводящими контактами, выполненными с возможностью их электрического соединения как с токопроводящими контактами крайних преобразователей каждого комплекта, так и с регулятором. В качестве радиоизотопного элемента используется никель-63 с обогащением от 80%, нанесенный на n-слои полупроводниковых преобразователей. Технический результат: повышение удельной мощности батареи. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх