Фотовольтаическая структура

Изобретение относится к полупроводниковым структурам, используемым для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Фотовольтаическая однопереходная структура представляет собой двухслойный компонент p-n гетероперехода a-SiC/c-Si. Слой аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной пленки 6-20 нм нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC. Верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди и расположен непосредственно на слое a-SiC. Нижний электрод из серебра или меди расположен на обратной стороне подложки из монокристаллического кремния. Фотовольтаическая структура с использованием полированной, неразвитой поверхности подложки из монокристаллического кремния и без применения концентраторов солнечного излучения демонстрирует эффективность 7,83%. 4 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к полупроводниковым фотовольтаическим структурам, используемым в электронике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др. для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для питания электронных приборов и электроприводов устройств и механизмов. Гетероструктуры полупроводниковых приборов не имеют альтернативы как источник электроэнергии для космических летательных аппаратов, являются экологически чистым средством получения электрической энергии.

В подавляющем большинстве случаев материалом солнечных элементов является кремний: 98.2% мощности действующих установок, из которых 38% - кристаллический кремний, 52% - поликристаллический, 5% - аморфный. Среди прочих материалов наибольшую часть, примерно 1.6%, занимают структуры на основе кадмия-теллура, а остальное - соединения элементов III-IV групп In, Ga, As, Sb, P и др., ячейки на основе полимеров, жидкостные фотовольтаические ячейки и т.д.

Наиболее эффективные солнечные элементы - многопереходные гетероструктуры, именуемые также каскадными или тандемными. Их конструкция основана на последовательном соединении ряда активных компонентов - элементарных солнечных ячеек или фотовольтаических ячеек, обеспечивающих эффективное преобразование солнечного излучения в электричество. Как правило, каждая ячейка такого гетерокаскада рассчитана на поглощение определенной части спектра солнечного излучения.

Выбор полупроводниковых материалов с последовательно уменьшающейся шириной запрещенной зоны обеспечивает эффективное преобразование энергии солнечного излучения в электрическую в полупроводниковом приборе, основанном на внутреннем фотоэффекте - генерации электронно-дырочной пары при поглощении фотона.

Карбид кремния SiC находит применение во многих отраслях науки и техники. Для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,4 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600°C. Кристаллическая структура карбида кремния сильно зависит от технологических условий получения, поэтому использование аморфных материалов ведет к снижению стоимости процесса получения солнечных элементов, фотовольтаических ячеек.

Известны p-i-n солнечные ячейки сложной структуры, включающие слой аморфного гидрогенизированного карбида кремния a-SiC:H с p-проводимостью, нанесенный на верхний полупрозрачный электрод в виде стеклянной подложки, покрытой слоем SnO2, далее нанесен микрокристаллический гидрогенизированный кремний µc-Si:H с n- проводимостью, а в качестве i-слоя - слой аморфного кремния a-Si. [Yoshihisa Tawada, Hideo Yamagishi, Mass-production of large size a-Si modules and future plan, Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) p.95-105]. Недостатком многопереходных ячеек сложной структуры является их дороговизна. Применение в качестве источников электроэнергии однопереходных фотовольтаических структур на основе аморфного карбида кремния ведет к снижению их стоимости.

Известна однопереходная солнечная ячейка, содержащая в качестве внешнего слоя p-типа гидрогенизированный аморфный a-SiC:H. Внешним электродом, нанесенным на стеклянную подложку, здесь также служит прозрачный проводящий оксид SnO2. В этой ячейке гетеропереход в p-i-n структуре на основе аморфных слоев гидрогенезированных карбида кремния и кремния a-SiC:H/a-Si:H демонстрирует эффективность преобразования солнечной энергии, равную 7.55% [Y. Hamakawa, Recent progress of the amorphous silicon solar cells and their technology. Journal de Physicque, Suppl №10, V.42, (1981), p.p.С4-1131].

В вышеприведенных источниках для получения пленок аморфного гидрогенизированного a-SiC:H использовались разновидности CVD технологий (Chemical vapor deposition - химическое парофазное осаждение), а именно - химическое парофазное осаждение с горячей нитью HWCVD/HFCVD (Hot wire chemical vapor deposition/hot filament CVD), также известное как каталитический Cat-CVD (Catalitic chemical vapor deposition) [Агеев О.А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С., Киселев B.C., Конакова Р.В., Лебедев А.А.. Миленин В В., Охрименко О.Б., Поляков В.В., Светличный A.M., Чередниченко Д.И. Карбид кремния: технология, свойства, применение. Харьков: «ИСМА», (2010), С.532].

Известна описанная в источнике [Banerjee C, Haga K.; Miyajima S.; Yamada A.; Konagai M., Fabrication of µc-3C-SiC/c-Si Heterojunction Solar Cell by Hot Wire CVD System, Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference, on 7-12 May 2006, V.2, pp.1334-1337.] однопереходная фотовольтаическая структура на основе микрокристаллической гидрогенизированной пленки 3C-SiC:H, полученной методом химического осаждения с горячей нитью (HWCVD). Толщина пленки n-типа 3C-SiC:H на подложке p-типа Si составляла 200 нм и удельное сопротивление 1-10 Ом·см. Эффективность данной структуры составила 14.2%. Недостатком является сложная технология получения и значительная толщина пленки карбида кремния.

Известна структура из источника [J. Appl. Phys. 67, 6538 (1990); http://dx.doi.org/10.1063/1.345131 (6 pages) A new type of high efficiency with a low cost solar cell having the structure of а µc SiC/polycrystalline silicon heterojunction Y. Matsumoto, G. Hirata, H. Takakura, H. Okamoto, and Y. Hamakawa], где микрокристаллическая пленка толщиной 70 нм µc-SiC n-типа проводимости на поликристаллической подложке Si p-типа проводимости была получена с применением плазмы, возбуждаемой циклотронным электронным резонансом, в сочетании с химическим осаждением из паровой фазы. А в качестве верхнего электрода использован сплав оксида индия и олова. Эффективность данной структуры составила 15.4%. К недостатком структуры можно отнести сложность технологии и толщину пленки карбида кремния микрокристаллической модификации.

За прототип принята структура из источника [A. Solangi, M.I. Chaudhry, Amorphous and Crystalline Silicon Carbide IV, Springer, Proceedings in Physics, Volume 71, (1992), pp 362-367], представляющая собой ячейку β n-SiC/p Si, с верхним электродом в виде металлической решетки и металлическим нижним электродом, где микрокристаллический слой карбида кремния n-типа проводимости получают методом химического осаждения из паровой фазы на подложку - монокристаллическую пластину Si ориентации (100) и p-типа проводимости. Эффективность данной структуры составила 7.7%. Недостатком является сложная технология, которая не позволяет получать толщину пленки менее 70-100 нм, не гарантирует возможность получения пленки карбида кремния аморфной модификации, а также является недостаточно экологически безопасной.

Задача - создание однопереходной фотовольтаической структуры гетероструктуры солнечного элемента на основе монокристаллического кремния p-типа, покрытого слоем аморфного карбида кремния n-типа проводимости.

Технический результат - эффективность фотовольтаической структуры не ниже, чем у прототипа, при толщине пленки аморфного карбида кремния n-типа проводимости в диапазоне 6-20 нм.

Дополнительный технический результат - более низкая стоимость фотовольтаической структуры и более экологичная технология ее получения.

Технический результат достигается за счет того, что в структуру, содержащую слой карбида кремния n-типа проводимости, подложку из монокристаллической пластины Si ориентации (100) p-типа проводимости, верхний и нижний металлические электроды, внесены следующие новые признаки:

- структура представляет собой двухслойный компонент p-n гетеропереход a-SiC/c-Si, на основе аморфного карбида кремния n-типа проводимости и монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости;

- слой карбида кремния n-типа проводимости толщиной в диапазоне 6-20 нм представляет собой аморфную модификацию и нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC;

- верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди;

- нижний электрод из серебра или меди расположен непосредственно на обратной стороне подложки из монокристаллического кремния.

Изобретение характеризуют следующие фигуры:

Фигура 1. Разрез фотовольтаической структуры (вид сбоку),

Фигура 2. Вид сверху на фотовольтаическую однопереходную структуру;

Фигура 3. Изображения, полученные на просвечивающем микроскопе JEM 2100, подтверждающие аморфную модификацию пленки SiC:

Фотовольтаическая структура представляет собой полупроводниковый однопереходный p-n солнечный элемент a-SiC/c-Si, включающий верхний электрод 1, выполненный в виде контактной гребенки из серебра или меди, слой 2 аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной в диапазоне 6-20 нм, нанесенный методом нереактивного магнетронного распыления из твердотельной мишени SiC на предварительно подготовленную поверхность подложки 3 из монокристаллического кремния ориентации (100) p-типа проводимости и нижний электрод 4 из серебра или меди, нанесенный непосредственно на обратную сторону подложки из монокристаллического кремния.

Конкретный пример выполнения.

Верхний электрод 1, выполненный в виде контактной гребенки из серебра или меди, нанесен на слой 2 аморфного карбида кремния. Слой 2 аморфного карбида кремния n-типа проводимости толщиной в диапазоне 6-20 нм нанесен методом нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени, представляющей собой синтезированный предварительно SiC, на предварительно подготовленную поверхность подложки 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 p-типа проводимости ориентации (100), толщиной 300 мкм, с удельным сопротивлением 2 Ом·см. На нижней обратной стороне подложки 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 нанесен нижний электрод 4 из серебра или меди.

В предложенной структуре аморфный SiC n-типа проводимости выступает в роли внешнего светопоглощающего слоя, поэтому не требуется нанесения дополнительных слоев концентраторов солнечного излучения.

Перед нанесением аморфного карбида кремния на предварительно подготовленную с целью удаления естественного слоя оксида кремния подложку 3 из монокристаллического кремния марки КДБ2 поверхность, со стороны, где наносится SiC, может быть отполирована, что положительно влияет на качество наносимой пленки.

С другой стороны, на развитой неполированной поверхности подложки поглощение солнечной энергии, а следовательно, и эффективность фотовольтаической структуры может возрасти.

Для улучшения контакта с металлом обратная поверхность подложки 3, на которую наносят второй электрод 4, может быть также отполирована, однако улучшение не столь значительно, поэтому допустимо наносить второй электрод 4 на неполированную поверхность подложки 3.

Аморфное состояние пленки карбида кремния подтверждено результатами дифракции электронного пучка в просвечивающем электронном микроскопе JEM 2100. Дифракционные кольца на фиг.3a свидетельствуют об отсутствии преобладающей ориентации в аморфной пленке SiC, выращенной на подложке Si (100), на фиг.3b явственно видна островковая структура аморфной пленки SiC.

Заявленная фотовольтаическая структура на основе гетероструктуры a-SiC/c-Si «аморфный карбид кремния - кремний p-типа» с использованием полированной, неразвитой поверхности подложки из монокристаллического кремния и без применения концентраторов солнечного излучения демонстрирует эффективность 7,83%.

Следовательно, поставленная задача по достижению заявленного технического результата решена.

Фотовольтаическая однопереходная структура, содержащая слой карбида кремния n-типа проводимости, подложку из монокристаллической пластины Si ориентации (100) p-типа проводимости, верхний и нижний металлические электроды, отличающаяся тем, что представляет собой двухслойный компонент p-n гетероперехода a-SiC/c-Si, где слой аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной пленки 6-20 нм нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC, верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди и расположен непосредственно на слое a-SiC, а нижний электрод из серебра или меди расположен на обратной стороне пластины монокристаллического кремния.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, а именно к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Предложены два варианта двустороннего солнечного фотопреобразователя (ФП), содержащего два идентичных солнечных элемента (СЭ) на основе сенсибилизированных металло-оксидных (МО) мезоструктур, освещаемые поверхности которых ориентированы в противоположных направлениях.

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Предложен тандемный солнечный фотопреобразователь, содержащий два расположенных один под другим солнечных элемента, верхний из которых является металлооксидным солнечным элементом на основе мезоскопического слоя сенсибилизированного металлооксида, а нижний - твердотельным солнечным элементом.

Фотогальваническое устройство, содержащее: набор по меньшей мере из двух фотогальванических элементов (160, 260), промежуточный листовой материал (300), расположенный между каждым фотогальваническим элементом, при этом каждый фотогальванический элемент содержит: два токовых вывода (185, 185'), по меньшей мере один фотогальванический переход (150, 250), токосъемную шину (180, 180'), и соединительные полосы (190, 190'), которые проходят от токосъемной шины до токовых выводов, при этом все токовые выводы расположены с одной стороны.

Изобретение относится к композиции для уменьшения пожелтения и способу получения такой композиции. Композиция состоит из фотоэлектрического устройства, содержащего металлический компонент, поливинилбутирального слоя, расположенного в контакте с указанным металлическим компонентом, и защитной подложки, являющейся второй подложкой, расположенной в контакте с указанным поливинилбутиральным слоем.

Раскрыт модуль солнечной батареи, в котором расположены поочередным образом: первый солнечный элемент, содержащий подложку первого типа проводимости, имеющую светоприемную поверхность и несветоприемную поверхность и электроды взаимно противоположной полярности, соответственно сформированные на светоприемной и несветоприемной поверхностях, и второй солнечный элемент, содержащий подложку второго типа проводимости, имеющую светоприемную поверхность и несветоприемную поверхность и электроды взаимно противоположной полярности, соответственно сформированные на светоприемной и несветоприемной поверхностях, при этом солнечные элементы отрегулированы во время изготовления таким образом, что разность в плотности тока короткого замыкания между первым и вторым солнечными элементами составляет вплоть до 20%.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые могут быть использованы в качестве элементов промышленного и строительного дизайна, подвергающихся упругой деформации в продольном и/или поперечном направлении (кручение или изгиб, в качестве элементов электропитания дирижаблей, аэростатов, беспилотных летательных аппаратов и т.п.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ).

Изобретение относится к полимерному фотоэлектрическому модулю, выполненному на основе допированной пленки проводящего полимера полианилина. Модуль характеризуется тем, что полианилин допирован гетерополианионным комплексом 2-18 ряда, имеющим химическую формулу [P2W18O62]6-.

Использование: для реализации панелей солнечных генераторов с целью обеспечения питания электрической энергией космических аппаратов, в частности спутников. Сущность изобретения заключается в том, что каждый фотогальванический элемент решетки крепят на подложке при помощи мягкого самоклеящегося и легко отсоединяемого устройства крепления, при этом заднюю сторону каждой ячейки и переднюю сторону подложки покрывают слоем, улучшающим их свойства теплового излучения.

Для производства вакуумных элементов, которые необязательно содержат фитинги в форме по меньшей мере одного солнечного модуля (фотогальванического элемента) и/или солнечного коллектора или дисплейного элемента, отрицательное давление образуется в пространстве между двумя плоскими компонентами, в частности пропускающими свет, или прозрачными пластинами, такими как стеклянные панели, которые связаны вместе через полосу, выполненную из герметизирующего материала, так, что конструкция, которая состоит из первого компонента, предусмотренного с полосой и расположенного на расстоянии от нее, но параллельно второму компоненту, расположенному в ней, вводится в вакуумную камеру и сдавливается в вакууме.
Изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений, в частности к способам получения полимерных носителей путем химической модификации исходных полимерных микросфер на основе сополимера акролеина-стирола, полученных безэмульгаторной радикальной полимеризацией.

Изобретение может быть использовано в космической технике, строительстве, в химической, пищевой и легкой промышленности. Пигмент для светоотражающих покрытий содержит смесь частиц диоксида циркония со средним размером 3 мкм и наночастицы диоксида циркония размером 30-40 нм.

Способ изготовления солнечного элемента содержит этапы формирования pn-перехода в полупроводниковой подложке, формирования пассивирующего слоя на светопринимающей поверхности и/или не принимающей свет поверхности полупроводниковой подложки и формирования электродов отбора мощности на светопринимающей поверхности и не принимающей свет поверхности.

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Предложен тандемный солнечный фотопреобразователь, содержащий два расположенных один под другим солнечных элемента, верхний из которых является металлооксидным солнечным элементом на основе мезоскопического слоя сенсибилизированного металлооксида, а нижний - твердотельным солнечным элементом.
Изобретение относится к нефтепереработке, в частности к способу получения катализатора для крекинга тяжелых и остаточных нефтяных фракций. Предложенный способ получения гранулированного катализатора крекинга включает введение цеолита типа Y в носитель, содержащий коллоидные компоненты и/или их предшественники, формование и термическую обработку.

Изобретение относится к фармацевтической промышленности и представляет собой туалетную бумагу с лечебно-профилактическими свойствами, включающую бумажную основу с введенными в нее лекарственными препаратами в виде наночастиц равномерно в весь ее объем в соотношении их массы к массе бумаги от 1:50 до 1:1000, причем в качестве лекарственных препаратов, введенных в сухую бумажную основу, используются либо комплекс из Hamamelis Virginiana в виде настойки или в гомеопатических разведениях 3-6-С, Aesculus Hyppocastanum в виде настойки или в разведениях 3-6-С и Acidum Nitricum в разведениях 6-12-С, либо комплекс из Hamamelis Virginiana в виде настойки или в разведениях 3-6-С, Aesculus Hyppocastanum в виде настойки или в разведениях 3-6-С, Acidum Nitricum в разведениях 6-12-С и ромашки (Matricaria Chamomilla) в виде настойки или в разведениях 3-6-С.

Изобретение относится к медицине, в частности к способу диагностики мультиформной глиобластомы методом магнитно-резонансной томографии(МРТ).Способ включает МРТ-исследование до и после внутривенного введения контрастного вещества.

Изобретение относится к области супрамолекулярной химии, в частности получению низкоконцентрированных гелей на основе N-ацетил-L-цистеина и нитрата серебра. Способ получения низкоконцентрированных гелей на основе N-ацетил-L-цистеина и нитрата серебра включает приготовление водного раствора N-ацетил-L-цистеина и водного раствора нитрата серебра, смешивание растворов таким образом, чтобы концентрации компонентов в смеси были равны и находились в диапазоне от 1 мМ до 1,8 мМ.

Способ получения слоистого наноматериала, включающий формирование слоев различного состава, отличается тем, что в пределах толщины граничащих друг с другом областей слоев, равной трем монослоям, формируют иную конфигурацию и/или плотность химических связей атомов, чем в соответствующих по толщине и граничащих друг с другом областях объемных фаз материала слоев.

Изобретение относится к средствам маркировки изделий. Технический результат заключается в повышении степени защиты маркировки.
Изобретение относится к области медицины, а именно к фармации, и касается разработки медицинских стоматологических карандашей, содержащих кальция глюконат, и может быть использовано в комплексном лечении заболеваний полости рта, связанных с недостатком кальция в организме. Стоматологический карандаш содержит механоактивированную аморфную или аморфно-кристаллическую кальциевую соль глюконовой кислоты в качестве действующего вещества, в качестве основы содержит парафин, вазелиновое масло, твин 80, низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ), лутрол 127 при следующем соотношении компонентов, г на 1 карандаш: механоактивированная аморфная или аморфно-кристаллическая кальциевая соль глюконовой кислоты - 0,4; парафин - 0,4, вазелиновое масло 0,4, твин 80-0,6, низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) - 2,0, лутрол 127-0,02. В качестве консерванта стоматологический карандаш дополнительно содержит бензойную кислоту - 0,0008 г. Предлагаемые стоматологические карандаши обладают высокой лечебной активностью, обеспечивают равномерное высвобождение действующих веществ, выраженное пролонгированное действие и удобство для самостоятельного применения больными. 2 з.п. ф-лы, 5 пр.

Изобретение относится к полупроводниковым структурам, используемым для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Фотовольтаическая однопереходная структура представляет собой двухслойный компонент p-n гетероперехода a-SiCc-Si. Слой аморфного карбида кремния n-типа проводимости с толщиной пленки 6-20 нм нанесен на предварительно подготовленную поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости путем нереактивного магнетронного распыления в аргоне из твердотельной мишени SiC. Верхний электрод выполнен в виде контактной гребенки из серебра или меди и расположен непосредственно на слое a-SiC. Нижний электрод из серебра или меди расположен на обратной стороне подложки из монокристаллического кремния. Фотовольтаическая структура с использованием полированной, неразвитой поверхности подложки из монокристаллического кремния и без применения концентраторов солнечного излучения демонстрирует эффективность 7,83. 4 ил., 1 пр.

Наверх