Фотоэлектрический преобразователь с наноструктурными покрытиями

Использование: для преобразования солнечной энергии в электричество. Сущность изобретения заключается в том, что фотоэлектрический преобразователь содержит воронкообразные сквозные отверстия с просветляющим покрытием и толстопленочное покрытие (с обратной стороны), содержащее сферические микрочастицы, способные отражать сквозные солнечные лучи на грани сквозных отверстий. Технический результат: обеспечение возможности повышения КПД фотоэлектрического преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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

Известен фотоэлектрический преобразователь (см. патент RU 2359361, МПК H01L 31/0352, опубликован 20.06.2009, Бюл. №17). ФП содержит в приповерхностном слое со стороны лицевой поверхности совокупность параллельно соединенных p-n-переходов, суммарная площадь которых меньше площади лицевой поверхности, а расстояние между соседними p-n-переходами меньше толщины подложки.

Недостатком такого ФП является малая полезная фоточувствительная площадь лицевой поверхности между контактами.

Известен полупроводниковый ФП с градиентным профилем легирующей примеси в p- и n-областях p-n-перехода. Между микроконтактами размещены металлические наночастицы порядка 100 нм, встроенные в изолирующую диэлектрическую пленку на лицевой поверхности (см. патент RU 2432640, МПК H01L 31/042, H01L 31/18, B82B 1/00, B82B 3/00, опубликован 27.10.2011, Бюл. №30), а поверх всей структуры нанесено просветляющее покрытие.

Недостатком данного ФП является малая величина отношения общих площадей - полезной фоточувствительной площади к площади p-n-перехода, что недостаточно для уменьшения обратного тока p-n-перехода и увеличения напряжения холостого хода ФП.

Известен полупроводниковый ФП в виде диодной структуры с n⁺-p(p⁺-n)-переходом, изотипным р-р⁺(n-n⁺)-переходом в базовой области на тыльной поверхности, с металлическими контактами к обеим областям диодной структуры (см. патент RU 2374720, МПК H01L 31/042, B82B 1/00, B82B 3/00, опубликован 27.11.2009, Бюл. №33) и с антиотражающим покрытием между контактами. Диодная структура выполнена в виде отдельных участков, скоммутированных металлическими контактами, расстояние между отдельными соседними диодными структурами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, ширина диодных структур в 10-30 раз меньше расстояния между соседними диодными структурами. На свободных от диодных структур участках рабочей поверхности под антиотражающим покрытием выполнена пассивирующая диэлектрическая пленка толщиной 10-30 нм, на которой нанесены нанокластеры. Данный патент принят в качестве прототипа.

Недостатком этого ФП является наличие ограничения для величины отношения полезной фоточувствительной площади и площади p-n-перехода. Это ограничение имеет верхнюю и нижнюю границы. Так, расстояние между соседними диодными структурами не может превышать удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, а ширина отдельной диодной структуры не может быть меньше чем в 10-30 раз. Другим недостатком данного изобретения является наличие металлических наночастиц в размерами до 100 нм в тонком диэлектрическом слое с толщиной до 30 нм. Наличие таких наночастиц может приводить к существенному росту анизотропного рассеяния света на лицевой стороне ФП, что увеличит оптический коэффициент отражения и снизит КПД ФП.

Целью изобретения является повышение КПД фотоэлектрического преобразователя.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции ФП кремниевый фотоэлемент имеет по всей своей площади воронкообразные регулярные сквозные отверстия, заполненные просветляющим композитным наноматериалом [1]. Причем обратная сторона фотоэлемента покрыта композитной толстой пленкой, содержащей сферические микрочастицы, способные отражать сквозные лучи для дополнительного взаимодействия с массивом фотоэлемента. Воронкообразные регулярные сквозные отверстия представляют собой прямоугольные усеченные перевернутые пирамиды. При этом отверстия на плате соприкасаются друг с другом противоположными сторонами больших квадратов, а другие противоположные стороны больших квадратов соприкасаются с краями токоведущих микрополосковых топологий.

На фиг.1 и фиг.2 представлена схематическая конструкция фотопреобразователя.

На фиг.1 показано поперечное сечение фотопреобразователя, а на фиг.2 показан вид сверху на воронкообразное сквозное отверстие.

Фотоэлектрический преобразователь, как активный элемент, содержит кремниевую плату 1 с токопроводящими топологиями 2, 3 и регулярно расположенными сквозными воронкообразными местами 4. Воронкообразные сквозные места представляют собой перевернутые усеченные пирамиды, селективно растравленные анизотропно в кремниевой плате ФП [2], как показано на фиг.1, 2. Грани 11 пирамидальных сквозных воронкообразных полостей 12 (фиг.2) увеличивают объем фотоактивности элемента преобразования солнечных лучей в электричество платы фотоэлемента за счет граней равнобоких трапеций. Растравленные полости заполняют просветляющей нанокомпозицией 5 (фиг.1) при нанесении ее на поверхность платы 1. Нанокомпозиция выполняет двоякую роль: увеличивает прочность кремниевой пластины как стяжка и увеличивает доступ падающих фотонов в активную область разделения носителей заряда в электрическом поле p-n-перехода. Следует отметить, что только толстопленочная просветляющая нанокомпозиция [1] не связана условием четвертьволновой толщины и способна решить задачу просветления воронкообразных сквозных мест. Обратная сторона фотоэлектрического преобразователя покрыта композитной толстой пленкой 6, содержащей сферические алмазные микрочастицы 7, покрытые наночастицами металла (цинка, серебра и др.), способные отражать сквозные солнечные лучи в пространство воронкообразных отверстий 4 с трапецеидальными гранями, увеличивая, таким образом, количество носителей заряда в объеме активной платы. На фиг.1 показаны токосъемные выводы 8, 9, сопряженные с токосъемными микрополосковыми шинами пайкой 10. На фиг.3 показана металлическая жила 15 токосъемного вывода с закреплением к токосъемной микрополосковой шине 14 пайкой 16.

Наличие воронкообразных сквозных мест с просветляющим материалом в плате ФП значительно увеличивает прочность кремниевой пластины ФП и облегчает доступ падающих фотонов к области сильного электрического поля p-n-перехода. При этом убираются размерные ограничения для контактов и расстояний между ними, связанные с диффузионной длиной носителей заряда, уменьшается скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда.

Примеры исполнения.

Предлагаемое изобретение характеризуется чертежами, на которых изображены:

- на фиг.1 - плата фотоэлектрического преобразователя: 1 - кремниевая активная часть, 2 - токоведущая топология лицевая, 3 - токоведущая топология обратной стороны, 4 - отверстия пирамидальные воронкообразные, 5 - просветляющее покрытие, 6 - отражающее покрытие, 7 - сферические микрочастицы, 8, 9 - выводы токосъемные, 10 - место пайки;

- на фиг.2 - отверстие сквозное пирамидальное воронкообразное: 11 - грани трапецеидальные, 12 - полость сквозная;

- на фиг.3 - плата фотоэлектрического преобразователя: 13 - топология токоведущая, 14 - шина токосъемная микрополосковая, 15 - медная жила, 16 - место пайки.

Грани пирамидальных сквозных воронкообразных полостей увеличивают объем активности элемента преобразования солнечных лучей в электричество платы фотоэлемента за счет граней равнобоких трапеций. Растравленные полости заполняют просветляющей композицией при нанесении ее на поверхность платы. Обратная сторона фотоэлектрического преобразователя покрыта композитной толстой пленкой, содержащей сферические алмазные микрочастицы, покрытые наночастицами цинка, способные отражать сквозные солнечные лучи в пространство воронкообразных отверстий с трапецеидальными гранями, увеличивая, таким образом, количество носителей зарядов в объеме активной платы.

Сквозные воронкообразные пирамидальные полости (в перевернутом положении) растравлены в кремниевой плате фотоэлемента с обратной стороны.

Эксперименты с моделью фотоэлемента показали, что его КПД можно повысить на 90% и выше. Проведены измерения фотоэдс 4-секционного фотоэлемента с нанесенными пленками из композитных наноматериалов на основе серебра в матрице полиметилметакрилата. Измерения проводились в видимом диапазоне от одного источника белого света типа ОВС-1 с гибким световодом и оптическим калиброванным ослабителем потока. Расстояние от торца световода до измеряемого объекта было фиксирована. Ослабитель помещался между световодом и фотоэлементом. Перемещением диафрагмы и образца последовательно проводились измерения фотоэдс каждого элемента.

Напряжение измерялось на постоянном резисторе 2 МΩ с помощью прецизионного милливольтметра. Ошибка измерений не превышала 1%.

Предлагаемым изобретением решена задача увеличения функционального объема преобразователя за счет увеличения площади облучения солнечными лучами, проникающими сквозь просветляющее покрытие, причем расширенная площадь представляет собой воронкообразные сквозные отверстия, трапецеидальные грани которых и есть дополнительная площадь, за счет глубины структуры кремниевой платы.

Оценки показывают, что КПД предлагаемого фотоэлектрического преобразователя выгодно отличается от известных технических решений минимум на 30% и максимум на 90%.

Предлагаемая конструкция фотоэлектрического преобразователя с регулярными воронкообразными отверстиями позволяет создавать солнечные батареи, выгодно отличающиеся от общепринятых.

Список литературы

1. Гадомский О.Н., Ушаков Н.М., Подвигалкин В.Я., Музалев П.А., Кульбацкий Д.М., Кособудский И.Д. Нанокомпозиционное просветляющее покрытие в виде толстой пленки и способ его получения. Патент РФ №2456710, приоритет от 18.01.2011; опубл. 20.07.2012 г.

2. Bertz A., Kuchler M., Knofler R., Gessner T. //Sens. Actuats. 2002.V. A 97-98. P.691.

1. Фотоэлектрический преобразователь солнечных лучей в электричество, содержащий активный кремниевый фотоэлемент, покрытый с одной стороны просветляющей толстой пленкой, отличающийся тем, что кремниевый фотоэлемент имеет по всей своей площади воронкообразные регулярные сквозные отверстия, заполненные просветляющей средой, совместно с покрытием, причем обратная сторона фотоэлемента покрыта композитной толстой пленкой, содержащей сферические микрочастицы, способные отражать сквозные лучи для дополнительного взаимодействия с массивом фотоэлемента.

2. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что воронкообразные регулярные сквозные отверстия представляют собой прямоугольные (или конусные) усеченные перевернутые пирамиды.

3. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что отверстия на плате соприкасаются друг с другом противоположными сторонами больших квадратов, а другие стороны больших квадратов соприкасаются с краями токоведущих микрополосковых топологий.

4. Фотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве сферических микрочастиц выбраны алмазы, покрытые наночастицами цинка либо другими с аналогичными свойствами.