Стопкообразный многопереходный солнечный элемент и способ его получения
Настоящее изобретение касается стопкообразного многопереходного солнечного элемента с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, который включает стопку солнечного элемента с фронтальной стороной, тыльной стороной и сквозным контактным отверстием, проходящим от фронтальной стороны до тыльной стороны стопки солнечного элемента, контактный вывод фронтальной стороны, контактный вывод тыльной стороны, диэлектрический изолирующий слой, а также контактный слой, причем стопка солнечного элемента включает образующий ее тыльную сторону слой германиевой подложки, германиевый субэлемент и по меньшей мере два III-V-субэлемента, расположенные друг на друге в указанной последовательности, сквозное контактное отверстие обладает сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением, контактный вывод фронтальной стороны расположен на фронтальной стороне стопки солнечного элемента и неразъемно соединен с фронтальной стороной стопки солнечного элемента с возможностью протекания тока, диэлектрический изолирующий слой покрывает участок фронтальной стороны стопки солнечного элемента, не покрытый контактным выводом фронтальной стороны, краевую зону верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны, боковую поверхность сквозного контактного отверстия и участок тыльной стороны стопки солнечного элемента, граничащий со сквозным контактным отверстием, контактный слой пролегает на диэлектрическом изолирующем слое от участка верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны, не покрытого диэлектрическим изолирующим слоем, через сквозное контактное отверстие до тыльной стороны стопки солнечного элемента, неразъемно соединен с верхней стороной контактного вывода фронтальной стороны с возможностью протекания тока и неразъемно соединен с диэлектрическим изолирующим слоем, и контактный вывод тыльной стороны покрывает участок тыльной стороны стопки солнечного элемента, не покрытый диэлектрическим изолирующим слоем, и неразъемно соединен с тыльной стороной стопки солнечного элемента с возможностью протекания тока. Кроме того, объектом изобретения является способ получения указанного стопкообразного многопереходного солнечного элемента с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области полупроводниковой техники, в частности к стопкообразному многопереходному солнечному элементу с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, и к способу получения указанного стопкообразного многопереходного солнечного элемента с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной.
Для уменьшения затенения фронтальной стороны солнечного элемента на его тыльной стороне может быть расположена как положительная, так и отрицательная внешняя контактная площадка. Фронтальная сторона солнечных элементов, выполненных в соответствии с так называемой технологией Metal Wrap Through (MWT-технологией), контактирует с их тыльной стороной, например, посредством сквозного контактного отверстия.
Известны различные методы выполнения проходящего через солнечный элемент отверстия, соответственно сквозного контактного отверстия, используя которые получают соответствующие разные сквозные контактные отверстия и солнечные элементы, обладающие разной структурой.
Из диссертации „Die Metal Wrap Through Solarzelle - Entwicklung und Cha-rakterisierung" (автор F. Clement, февраль 2009) известна MWT-технология изготовления однопереходного солнечного элемента из поли кристаллического кремния, причем сквозные контактные отверстия в подложке из поликристаллического кремния выполняют с использованием ультрафиолетового или инфракрасного лазера. Лишь после этого посредством диффузии фосфора вдоль верхней стороны сквозного контактного отверстия, его боковых поверхностей и нижней стороны солнечного элемента формируют эмиттерный слой. Сквозное контактное отверстие посредством трафаретной печати заполняют токопроводящей пастой, например, пастой, содержащей серебро.
Посредством лазера в зоне сквозного отверстия может быть сформирована чрезвычайно гладкая боковая поверхность, а, кроме того, при лазерной абляции не образуются поднутрения. Однако выполнение отверстия посредством лазерной абляции через имеющийся pn-переход может приводить к коротким замыканиям.
Из доклада "III-V multi-junction metal-wrap-through (MWT) concentrator solar cells" (автор Ε. Oliva и другие), опубликованного в материалах 32-й Европейской конференции и выставки по использованию солнечной энергии (Мюнхен, 2016, сс.1367-1371), известна инвертированно выращенная структура GalnP/AIGaAs-солнечных элементов со сквозными контактными отверстиями, причем эпитаксиально выращивают структуру солнечных элементов с pn-переходами и лишь затем посредством сухого травления выполняют сквозные контактные отверстия. После этого боковую поверхность сквозного отверстия покрывают изолирующим слоем, а затем сквозное отверстие заполняют гальванизированной медью.
Из патента США US 9680035 В1 известна стопка из нескольких III-V-субэлементов на GaAs-подложке с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, причем отверстие, проходящее от верхней стороны солнечного элемента через субэлементы до еще не подвергнутого истончению слоя подложки, выполняют посредством мокрого химического травления.
Процесс травления основан на том, что скорости травления для различных используемых III-V-материалов стопки субэлементов солнечного элемента существенно не различаются. Отверстие открывается внизу лишь в результате истончения слоя подложки.
Пассивирование и металлизацию фронтальной стороны и отверстия выполняют до истончения слоя подложки. Преимущество мокрого химического травления по сравнению с соответствующими процессами сухого травления состоит в том, что боковые поверхности выполненного этим методом отверстия обладают гладкой поверхностью, благодаря чему оказывается возможным конформное осаждение пассивирующего слоя и отсутствие дефектов.
Проблема заключается в том, что каждый процесс маскирования, реализуемый после выполнения сквозных отверстий, требует значительных затрат для защиты, или соответственно герметизации этих отверстий.
С учетом вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача предложить солнечный элемент в конструктивном исполнении, улучшенном по сравнению с уровнем техники.
Указанная задача согласно изобретению решается с помощью стопкообразного многопереходного солнечного элемента (1) с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, включающего:
- стопку солнечного элемента (10) с фронтальной стороной (10.1), тыльной стороной (10.2) и сквозным контактным отверстием (12), проходящим от фронтальной стороны (10.1) до тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10),
- контактный вывод фронтальной стороны (26), контактный вывод тыльной стороны (34), диэлектрический изолирующий слой (30), а также контактный слой (32),
причем
- стопка солнечного элемента (10) включает образующий тыльную сторону (10.2) слой германиевой подложки (14), германиевый субэлемент (16) и по меньшей мере два III-V-субэлемента (18, 20), расположенные друг на друге в указанной последовательности,
- сквозное контактное отверстие (12) обладает сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением,
- контактный вывод фронтальной стороны (26) расположен на фронтальной стороне (10.1) стопки солнечного элемента (10) и неразъемно соединен с фронтальной стороной (10.1) стопки солнечного элемента (10) с возможностью протекания тока,
- диэлектрический изолирующий слой (30) покрывает участок фронтальной стороны (10.1) стопки солнечного элемента (10), не покрытый контактным выводом фронтальной стороны (26), краевую зону верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26), боковую поверхность (12.1) сквозного контактного отверстия (12) и участок тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10), граничащий со сквозным контактным отверстием (12),
- контактный слой (32) пролегает на диэлектрическом изолирующем слое (30) от участка верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26), не покрытого диэлектрическим изолирующим слоем (30), через сквозное контактное отверстие (12) до тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10), неразъемно соединен с верхней стороной контактного вывода фронтальной стороны (26) с возможностью протекания тока и неразъемно соединен с диэлектрическим изолирующим слоем (30), и
- контактный вывод тыльной стороны (34) покрывает участок тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10), не покрытый диэлектрическим изолирующим слоем (30), и неразъемно соединен с тыльной стороной (10.2) стопки солнечного элемента (10) с возможностью протекания тока.
Другим объектом настоящего изобретения является способ получения стопкообразного многопереходного солнечного элемента с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению получают стопкообразный многопереходный солнечный элемент с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, включающий стопку солнечного элемента с фронтальной стороной, тыльной стороной и сквозным контактным отверстием, проходящим от фронтальной стороны стопки солнечного элемента до ее тыльной стороны.
Кроме того, стопкообразный многопереходный солнечный элемент включает контактный вывод фронтальной стороны, контактный вывод тыльной стороны, диэлектрический изолирующий слой, а также контактный слой.
Стопка солнечного элемента включает образующий тыльную сторону слой германиевой подложки, германиевый субэлемент и по меньшей мере два III-V-субэлемента, расположенные друг на друге в указанной последовательности, а сквозное контактное отверстие обладает сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением.
Контактный вывод фронтальной стороны расположен на фронтальной стороне стопки солнечного элемента и неразъемно соединен с фронтальной стороной стопки солнечного элемента с возможностью протекания тока.
Диэлектрический изолирующий слой покрывает участок фронтальной стороны стопки солнечного элемента, не покрытый контактным выводом фронтальной стороны, краевую зону верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны стопки солнечного элемента, боковую поверхность сквозного контактного отверстия и участок тыльной стороны стопки солнечного элемента, граничащий со сквозным контактным отверстием.
Контактный слой пролегает на диэлектрическом изолирующем слое от участка верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны, не покрытого диэлектрическим изолирующим слоем, через сквозное контактное отверстие до тыльной стороны стопки солнечного элемента, неразъемно соединен с верхней стороной контактного вывода фронтальной стороны с возможностью протекания тока и неразъемно соединен с диэлектрическим изолирующим слоем.
Контактный вывод тыльной стороны покрывает участок тыльной стороны стопки солнечного элемента, не покрытый диэлектрическим изолирующим слоем, и неразъемно соединен с тыльной стороной стопки солнечного элемента с возможностью протекания тока.
Согласно изобретению отдельные субэлементы многопереходного солнечного элемента имеют соответствующий pn-переход, причем следующие после подложки слои выполнены друг на друге эпитаксильно и/или соединены друг с другом в соответствии с так называемой технологией соединения Wafer-Bonding.
Кроме того, согласно изобретению германиевый субэлемент содержит германий или состоит из германия, причем состоящий из германия слой помимо германия при необходимости содержит также другие вещества, в частности, легирующие материалы, а также примеси.
То же относится и к III-V-субэлементам, которые содержат один или несколько материалов с элементами III-й и V-й главных групп периодической системы Менделеева или состоят из подобных материалов, или соответственно комбинации подобных материалов.
Преимущество предлагаемого в изобретении многопереходного солнечного элемента состоит в том, что по меньшей мере контактные выводы фронтальной стороны могут быть сформированы до выполнения сквозных контактных отверстий, то есть фронтальная сторона может быть обработана с использованием стандартных технологических процессов.
Другое преимущество предлагаемого в изобретении многопереходного солнечного элемента состоит в том, что диэлектрический слой покрывает почти всю поверхность фронтальной стороны и защищает многопереходный солнечный элемент от агрессивного воздействия окружающей среды.
Другими преимуществами предлагаемого в изобретении многопереходного солнечного элемента являются высокая надежность и высокое качество.
Согласно первому альтернативному варианту осуществления изобретения диэлектрический изолирующий слой выполнен в виде антирефлексного слоя. Следовательно, диэлектрический изолирующий слой помимо изолирующей функции способен также предотвращать отражение света и усиливать его пропускание. Благодаря этому исключается необходимость нанесения дополнительного антирефлексного слоя.
Согласно другому альтернативному варианту осуществления изобретения многопереходный солнечный элемент снабжен антирефлексным слоем, расположенным между диэлектрическим изолирующим слоем и стопкой солнечного элемента, причем антирефлексный слой покрывает участок фронтальной стороны стопки солнечного элемента, не покрытый контактным выводом фронтальной стороны.
Хотя нанесение дополнительного антирефлексного слоя и означает необходимость реализации дополнительной технологической стадии, однако в этом случае предоставляется возможность более свободного выбора материалов антирефлексного слоя. Кроме того, может быть выбрана более простая структура диэлектрического изолирующего слоя, в частности, изолирующий слой может быть выполнен в виде единственного слоя.
Согласно улучшенному варианту осуществления изобретения антирефлексный слой покрывает краевую зону верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны. В другом улучшенном варианте антирефлексный слой является токопроводящим слоем.
Покрывает или не покрывает антирефлексный слой краевую зону контактного вывода фронтальной стороны, определяется главным образом спецификой производственного процесса.
Согласно другому варианту осуществления изобретения диэлектрический изолирующий слой содержит TiО, и/или MgF2, и/или Al2O3, и/или SiO2, и/или Si3N4, и/или Та2O5, и/или ZrO2. Указанные материалы пригодны для реализации функции электрического изолирования, а также для формирования структуры, предотвращающей, или соответственно подавляющей отражение света.
В улучшенном варианте осуществления изобретения контактный вывод фронтальной стороны имеет сильнолегированный полупроводниковый контактный слой, неразъемно соединенный с фронтальной стороной стопки солнечного элемента, а также металлический слой, неразъемно соединенный с полупроводниковым контактным слоем.
В одном варианте осуществления изобретения общая толщина слоя III-V-субэлементов составляет от 5 до 15 мкм.
В другом варианте осуществления изобретения сквозное контактное отверстие на фронтальной стороне многопереходного солнечного элемента обладает первым диаметром по меньшей мере 50 мкм, по меньшей мере 100 мкм или по меньшей мере 300 мкм, причем первый диаметр не превышает 1 мм.
Согласно другому улучшенному варианту осуществления изобретения диаметр сквозного контактного отверстия ступенчато уменьшается в направлении от фронтальной стороны многопереходного солнечного элемента к тыльной стороне, причем первая ступень образована верхней стороной германиевого субэлемента, а вторая ступень образована зоной германиевого субэлемента, находящейся ниже pn-перехода германиевого субэлемента, и причем каждая из ступеней выступает на глубину по окружности внутрь сквозного контактного отверстия (12).
Согласно другому варианту осуществления изобретения глубина выступа первой ступени составляет по меньшей мере 5 мкм и/или глубина выступа второй ступени составляет по меньшей мере 6 мкм или по меньшей мере
7 мкм. В улучшенном варианте максимальная глубина выступа первой ступени составляет 100 мкм и/или максимальная глубина выступа второй ступени составляет 500 мкм.
В другом варианте осуществления изобретения германиевый субэлемент совместно с германиевой подложкой обладает толщиной от 80 до 300 мкм, от 140 до 160 мкм или от 80 до 120 мкм.
Согласно другому улучшенному варианту контактный слой выполнен в виде многослойной системы, которая включает в указанной последовательности содержащий золото и германий первый слой толщиной по меньшей мере 2 нм и максимум 50 нм, содержащий титан второй слой толщиной по меньшей мере 10 нм и максимум 300 нм, содержащий палладий, никель или платину третий слой толщиной по меньшей мере 5 нм и максимум 300 нм, и по меньшей мере один металлический четвертый слой толщиной по меньшей мере 2 мкм.
При этом первый слой граничит с диэлектрическим изолирующим слоем и контактным выводом фронтальной стороны.
Предлагаемое в изобретении комбинирование слоев позволяет обеспечить надежное материальное соединение контактного слоя с верхней стороной контактного вывода фронтальной стороны, а также с поверхностью диэлектрического изолирующего слоя.
Указанная выше задача изобретения решается также с помощью другого объекта изобретения, а именно способа получения стопкообразного многопереходного солнечного элемента с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, включающего по меньшей мере следующие стадии:
- предоставление полупроводниковой пластины с верхней стороной и нижней стороной, включающей несколько стопок солнечного элемента, причем каждая стопка солнечного элемента включает образующую нижнюю сторону полупроводниковой пластины германиевую подложку, германиевый субэлемент и по меньшей мере два III-V-субэлемента, расположенные друг на друге в указанной последовательности,
- нанесение контактного вывода фронтальной стороны на верхнюю сторону полупроводниковой пластины, выполняемое для каждой стопки солнечного элемента,
- изготовление углубления, простирающегося в полупроводниковую пластину от верхней стороны полупроводниковой пластины по меньшей мере до pn-перехода германиевого субэлемента, со сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением, и находящегося на расстоянии от контактного вывода фронтальной стороны, выполняемое для каждой стопки солнечного элемента,
- изготовление сквозного отверстия, проходящего от дна углубления до нижней стороны полупроводниковой пластины, со сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением, выполняемое для каждой стопки солнечного элемента,
- нанесение диэлектрического изолирующего слоя вдоль фронтальной стороны полупроводниковой пластины, тыльной стороны полупроводниковой пластины и на боковую поверхность углубления, а также на боковую поверхность сквозного отверстия,
- удаление изолирующего слоя с части верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны, выполняемое для каждой стопки солнечного элемента,
- нанесение контактного слоя, проходящего от открытой верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны по диэлектрическому изолирующему слою через углубление и сквозное отверстие до граничащего со сквозным отверстием участка тыльной стороны полупроводниковой пластины, покрытого диэлектрическим изолирующим слоем, выполняемое для каждой стопки солнечного элемента,
причем
- для каждой стопки солнечного элемента в момент времени до нанесения диэлектрического слоя на тыльной стороне полупроводниковой пластины располагают контактный вывод тыльной стороны и в момент времени после нанесения диэлектрического изолирующего слоя с части верхней стороны контактного вывода тыльной стороны удаляют диэлектрический изолирующий слой, или
- для каждой стопки солнечного элемента в момент времени после нанесения диэлектрического изолирующего слоя с участка поверхности тыльной стороны полупроводниковой пластины удаляют диэлектрический изолирующий слой и в последующий момент времени на открытый участок поверхности тыльной стороны полупроводниковой пластины наносят контактный вывод тыльной стороны.
Согласно изобретению помимо контактного вывода фронтальной стороны на фронтальной стороне при необходимости дополнительно расположены другие контактные структуры, причем поверхностный участок дополнительных контактных структур при необходимости не обнажают.
Диэлектрический изолирующий слой, например, слой SiO2 и/или SiNx (нитрида кремния), можно наносить на всю поверхность фронтальной, или соответственно тыльной стороны простым методом, например, посредством химического газофазного осаждения, поддерживаемого плазмой.
Кроме того, согласно предлагаемому в изобретении способу диэлектрический слой не должен быть структурирован по большой площади. Нанесенный диэлектрический изолирующий слой удаляют лишь в зоне над контактным выводом фронтальной стороны, соответственно открывают контактный вывод фронтальной стороны в указанной зоне.
Диэлектрический изолирующий слой можно удалять посредством стадии травления и/или с помощью лазера. Преимущество удаления диэлектрического изолирующего слоя с помощью лазера состоит в том, что в этом случае удается избежать возникновения типичных для процесса травления дефектов, в частности, микроотверстий. Благодаря этому солнечные элементы, изготовленные предлагаемым в изобретении способом, обладают высокой надежностью и качеством. Кроме того, благодаря этому исключается необходимость выполнения технологических операций, предусматривающих использование плавиковой кислоты, а, следовательно, отсутствует нежелательное воздействие на окружающую среду и повышается безопасность труда.
Согласно первому улучшенному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа до изготовления углубления на часть верхней стороны полупроводниковой пластины, не покрытую контактным выводом фронтальной стороны, наносят антирефлексный слой, причем после удаления изолирующего слоя на части верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны с части верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны удаляют антирефлексный слой, что относится к каждой стопке солнечного элемента. Согласно улучшенному варианту изолирующий слой и антирефлексный слой удаляют на одной и той же технологической стадии.
Согласно альтернативному улучшенному варианту осуществления способа диэлектрический изолирующий слой выполняют в виде антирефлексного слоя. Так, например, наносят изолирующий слой, который обладает слоевой структурой, включающей по меньшей мере один слой из ТiO, и/или MgF2, и/или Аl2O3, и/или SiO2, и/или Si3N4, и/или Та2O5, и/или ZrO2, который выполняет функцию электрической изоляции и одновременно функцию подавления отражения.
Согласно одному варианту осуществления способа осаждают диэлектрический изолирующий слой, который характеризуется адаптированным к антирефлексному слою светопропусканием и адаптированным к антирефлексному слою показателем преломления. Светопропускание и показатель преломления, например, соответствуют светопропусканию и показателю преломления защитного стекла, приклеиваемого на более поздней стадии, а также силиконового клея, используемого для приклеивания защитного стекла.
Преимуществом предлагаемого в изобретении способа является упрощенное управление процессом, который состоит из небольшого числа технологических стадий. В частности, оказываются излишними стадии фотолитографичекого и мокрого химического травления.
Таким образом, предлагаемый в изобретении способ изготовления многопереходного солнечного элемента отличается особой простотой и экономичностью.
Кроме того, обладающий большой площадью диэлектрический изолирующий слой, который остается на верхней стороне многопереходного солнечного элемента, защищает последний от агрессивного воздействия окружающей среды.
В улучшенном варианте осуществления способа сначала на фронтальную сторону полупроводниковой пластины в качестве контактного вывода фронтальной стороны сначала наносят сильнолегированный полупроводниковый контактный слой, и на верхнюю сторону сильнолегированного полупроводникового контактного слоя наносят металлический слой.
В другом варианте осуществления способа контактный вывод фронтальной стороны наносят посредством по меньшей мере одного процесса маскирования.
Согласно другому улучшенному варианту осуществления способа углубление выполняют посредством процесса травления, причем согласно другому улучшенному варианту процесс травления, реализуемый для изготовления углубления, включает две стадии травления, например, стадию селективного травления материала III-V-субэлементов и стадию травления германия.
В другом варианте осуществления способа углубление выполняют посредством процесса лазерной абляции. Посредством лазерной абляции относительно быстро и легко выполняют отверстие, которое обладает гладкой боковой поверхностью.
Комбинирование процесса травления для изготовления проходящего через все pn-переходы углубления с процессом лазерной абляции позволяет быстро выполнять сквозное отверстие, в том числе и через еще не подвергнутые истончению слои подложки, и одновременно предотвращать короткие замыкания в зоне pn-переходов, обусловленные подводом энергии лазера.
В других вариантах осуществления способа диэлектрический изолирующий слой удаляют с верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны и/или с нижней стороны полупроводниковой пластины посредством процесса лазерной абляции или посредством процесса травления.
В другом улучшенном варианте осуществления способа после выполнения углубления или после выполнения сквозного отверстия германиевую подложку истончают с тыльной стороны полупроводниковой пластины. В случае если подложку истончают после изготовления углубления методом травления и до выполнения сквозного отверстия методом лазерной абляции, процесс лазерной абляции ускоряется, соответственно его продолжительность сокращается.
Хотя в случае, если истончение осуществляют после лазерной абляции, продолжительность процесса лазерной абляции возрастает, однако при этом повышается стабильность во время выполнения других технологических стадий, при необходимости подлежащих осуществлению, что обусловливает меньшее разрушение, а, следовательно, более высокий выход продукции.
Истончение выполняют, например, по всей поверхности или, в качестве альтернативы, с использованием так называемой технологии TAIKO.
Изобретение относится также к любым комбинациям предпочтительных вариантов конструктивного исполнения и предпочтительных вариантов осуществления при условии, что они не являются взаимоисключающими.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. При этом одинаковые детали обозначены идентичными позициями. Представленные на чертежах варианты конструктивного исполнения сильно схематизированы, то есть горизонтальные и вертикальные расстояния указаны без соблюдения масштаба, а также, в отсутствие особых указаний, без соблюдения истинных геометрических пропорций. На чертежах показано:
на фиг. 1А поперечное сечение стопкообразного многопереходного солнечного элемента согласно изобретению с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, в первом варианте конструктивного исполнения,
на фиг. 1В поперечное сечение стопкообразного многопереходного солнечного элемента согласно изобретению с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, в другом варианте конструктивного исполнения,
на фиг. 1С поперечное сечение стопкообразного многопереходного солнечного элемента согласно изобретению с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, в другом варианте конструктивного исполнения,
на фиг. 2 вид сверху многопереходного солнечного элемента согласно изобретению в одном варианте конструктивного исполнения,
на фиг. 3 тыльная сторона многопереходного солнечного элемента согласно изобретению в одном варианте конструктивного исполнения,
на фиг. 4 вид сверху полупроводниковой пластины, включающей множество стопкообразных многопереходных солнечных элементов,
на фиг. 5 первый вариант осуществления способа получения согласно изобретению,
на фиг.6 дополнительные стадии способа получения согласно другому варианту осуществления согласно изобретению.
На фиг. 1А представлено частичное поперечное сечение предлагаемого в изобретении стопкообразного многопереходного солнечного элемента 1 с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, в первом варианте конструктивного исполнения.
Стопкообразный многопереходный солнечный элемент включает стопку солнечного элемента 10 с фронтальной стороной 10.1, тыльной стороной 10.2 и сквозным контактным отверстием 12, проходящим от фронтальной стороны 10.1 до тыльной стороны 10.2 стопки солнечного элемента 10. Стопка солнечного элемента 10, в свою очередь, включает образующий ее тыльную сторону 10.2 слой германиевой подложки 14, германиевый субэлемент 16 и два III-V-субэлемента 18 и 20, расположенные друг на друге в указанной последовательности. Сквозное контактное отверстие 12 обладает сплошной боковой поверхностью 12.1 и овальным поперечным сечением.
Кроме того, стопкообразный многопереходный солнечный элемент включает контактный вывод фронтальной стороны 26, контактный вывод тыльной стороны 34, диэлектрический изолирующий слой 30, а также контактный слой 32.
Контактный вывод фронтальной стороны 26 состоит из сильнолегированного полупроводникового контактного слоя 26.1, расположенного на участке фронтальной стороны 10.1 стопки субэлементов 10, и металлического слоя 26.2, неразъемно соединенного с фронтальной стороной 10.1 стопки солнечного элемента 10 и неразъемно соединенного с полупроводниковым контактным слоем 26.1.
Контактный вывод тыльной стороны 34 покрывает участок тыльной стороны 10.2 стопки солнечного элемента 10 и на покрытом участке неразъемно соединен с тыльной стороной 10.2 стопки солнечного элемента 10.
Диэлектрический изолирующий слой 30 покрывает участок фронтальной стороны 10.1 стопки солнечного элемента 10, не покрытую контактным выводом фронтальной стороны 26, краевую зону верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны 26, боковую поверхность 12.1 сквозного контактного отверстия 12, а также участок тыльной стороны 10.2 стопки солнечного элемента 10, граничащий со сквозным контактным отверстием 12, так что в проекции, перпендикулярной фронтальной стороне 10.1 стопки солнечного элемента, изолирующим слоем 30 не покрыта лишь центральная зона контактного вывода фронтальной стороны 26. В проекции, перпендикулярной тыльной стороне 10.2 стопки солнечного элемента, изолирующий слой 30 окружает сквозное контактное отверстие и доходит не далее чем до контактного вывода тыльной стороны 34.
Контактный слой 32 пролегает на диэлектрическом изолирующем слое 30 от не покрытого диэлектрическим изолирующим слоем 30 участка верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны 26 через сквозное контактное отверстие 12 до тыльной стороны 10.2 стопки солнечного элемента 10 и, таким образом, обеспечивает возможность контактирования контактного вывода фронтальной стороны 26 на тыльной стороне 10.2 стопки солнечного элемента. Контактный слой 32 неразъемно соединен с верхней стороной контактного вывода фронтальной стороны 26 с возможностью протекания тока и неразъемно соединен с диэлектрическим изолирующим слоем 30.
Согласно улучшенному варианту конструктивного исполнения солнечного элемента диэлектрический изолирующий слой 30 выполнен в виде антирефлексного слоя, то есть изолирующий слой 30 содержит диэлектрические, соответственно электрически изолирующие материалы, и обладает структурой, подавляющей отражению света.
На фиг. 1В представлено поперечное сечение стопкообразного многопереходного солнечного элемента 1 в альтернативном варианте конструктивного исполнения, причем ниже поясняются лишь отличия данного варианта от варианта, представленного на фиг. 1А.
Стопкообразный многопереходный солнечный элемент 1 имеет антирефлексный слой 28, расположенный между стопкой солнечного элемента 10 и диэлектрическим изолирующим слоем 30.
Антирефлексный слой 28 покрывает участок фронтальной стороны 10.1 стопки солнечного элемента 10, не покрытый контактным выводом фронтальной стороны 26, а также краевую зону контактного вывода фронтальной стороны 26, и доходит до края сквозного контактного отверстия 12. В данном варианте конструктивного исполнения диэлектрический изолирующий слой 30 полностью покрывает антирефлексный слой 28.
На фиг. 1С представлено поперечное сечение стопкообразного многопереходного солнечного элемента 1 в другом альтернативном варианте конструктивного исполнения, причем ниже поясняются лишь отличия данного варианта от вариантов, представленных на фиг. 1А и 1В.
Антирефлексный слой 28 покрывает фронтальную сторону 10.1 стопки солнечного элемента 10 и граничит с контактным выводом фронтальной стороны 26, так что в проекции, перпендикулярной фронтальной стороне 10.1 стопки солнечного элемента, антирефлексный слой 28 окружает контактный вывод фронтальной стороны 26 и доходит до края сквозного контактного отверстия 12.
На фиг. 2 представлен вид сверху стопкообразного многопереходного солнечного элемента 1 согласно изобретению в одном варианте конструктивного исполнения. Ниже поясняются лишь отличия данного варианта от варианта, представленного на фиг. 1.
Стопкообразный многопереходный солнечный элемент 1 имеет два сквозных контактных отверстия 12, два контактных вывода фронтальной стороны 26 и контактную структуру фронтальной стороны 26.3 с контактной перемычкой, соединяющей два контактных вывода фронтальной стороны 26, и несколькими отходящими от контактной перемычки контактными пальцами. Согласно изобретению может быть выполнено также только одно сквозное отверстие или более двух сквозных отверстий.
Контактный слой 32 покрывает участок поверхности, граничащий с соответствующим сквозным контактным отверстием 12, и доходит до непокрытой центральной зоны соответствующего контактного вывода фронтальной стороны 26.
Остальная поверхность фронтальной стороны 10.1, в частности, также контактная структура фронтальной стороны 26.3, покрыта диэлектрическим изолирующим слоем 30.
На фиг. 3 представлен вид сверху стопкообразного многопереходного солнечного элемента 1 согласно изобретению в одном варианте конструктивного исполнения. Ниже поясняются лишь отличия данного варианта от варианта, представленного на фиг. 1 и 2.
На тыльной стороне 10.2 стопки солнечного элемента участок тыльной стороны 10.2, граничащий с обоими сквозными контактными отверстиями 12, окружен контактным слоем 32. Оба сквозных контактных отверстия 12 и покрытые контактным слоем 32 краевые зоны окружающего участка тыльной стороны 10.2 покрыты диэлектрическим изолирующим слоем 30. Остальная поверхность тыльной стороны 10.2 стопки солнечного элемента покрыта контактным выводом тыльной стороны 34.
На фиг. 4 представлен вид сверху варианта осуществления согласно изобретению полупроводниковой пластины 100, которая включает несколько стопкообразных многопереходных солнечных элементов 1. Ниже поясняются лишь отличия от варианта, представленного на фиг. 1.
Полупроводниковая пластина 100 включает несколько еще не разъединенных стопок солнечного элемента 10, так что тыльные стороны 10.2 отдельных стопок солнечного элемента 10 соответственно образуют часть нижней стороны полупроводниковой пластины 100, а верхние стороны 10.1 отдельных стопок солнечного элемента 10 соответственно образуют часть верхней стороны полупроводниковой пластины 100.
На фиг. 5 представлен первый вариант осуществления способа получения согласно изобретению стопкообразного многопереходного солнечного элемента 1.
На первой стадии изготавливают полупроводниковую пластину 100 с верхней стороной 100.1 и нижней стороной 100.2, причем полупроводниковая пластина 100 включает несколько стопок солнечного элемента 10 и причем каждая стопка солнечного элемента 10, в свою очередь, включает германиевую подложку 14, образующую нижнюю сторону 100.2 полупроводниковой пластины 100, германиевый субэлемент 16 и два III-V-субэлемента 18 и 20, расположенные друг на друге в указанной последовательности.
На второй стадии на верхнюю сторону 100.1 полупроводниковой пластины 100, например, методом маскирования наносят контактные выводы фронтальной стороны 26 и контактные структуры фронтальной стороны 26.3 (соответственно для каждой стопки солнечного элемента 10).
Кроме того, на часть верхней стороны 100.1 полупроводниковой пластины 100, не покрытую контактными выводами фронтальной стороны 26 и контактной структурой фронтальной стороны 26.3, например, методом маскирования одновременно для всех стопок солнечного элемента полупроводниковой пластины 100 наносят антирефлексный слой 28.
На третьей стадии в каждой стопке солнечного элемента 10 полупроводниковой пластины 100 изготавливают углубление 40, простирающееся в полупроводниковую пластину от верхней стороны (100.1) полупроводниковой пластины (100) по меньшей мере до pn-перехода германиевого субэлемента (16), со сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением и находящееся на расстоянии от контактного вывода фронтальной стороны 26, причем углубление 40 выполняют, например, либо посредством травления одновременно для всех стопок солнечного элемента полупроводниковой пластины 100, либо посредством лазерной абляции одновременно для всех или некоторых стопок солнечного элемента или последовательно для отдельных стопок солнечного элемента.
На четвертой стадии в каждой стопке солнечного элемента 10 одновременно или последовательно выполняют сквозное отверстие 42, которое проходит от дна углубления 40 до нижней стороны 100.2 полупроводниковой пластины 100 со сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением, причем сквозное отверстие 42 также выполняют, например, посредством травления или лазерной абляции.
На пятой стадии вдоль фронтальной стороны 100.1 полупроводниковой пластины 100, тыльной стороны 100.2 полупроводниковой пластины и на боковую поверхность каждого углубления 40, а также на боковую поверхность каждого сквозного отверстия 42, например, методом поддерживаемого плазмой химического газофазного осаждения наносят диэлектрический изолирующий слой 30.
На шестой стадии с части верхней стороны каждого контактного вывода фронтальной стороны 26, а также с участка нижней стороны 100.2, находящегося на расстоянии от соответствующего сквозного отверстия 42, удаляют изолирующий слой 30, что относится к каждой стопке солнечного элемента. В одном варианте осуществления способа на шестой стадии можно удалять также антирефлексный слой.
На седьмой стадии выполняют нанесение контактного слоя, проходящего от непокрытой верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны 26 по диэлектрическому изолирующему слою 30 через углубление 40 и сквозное отверстие 42 до граничащего со сквозным отверстием 42 участка тыльной стороны 100.2 полупроводниковой пластины 100, покрытого диэлектрическим изолирующим слоем 30, что относится к каждой стопке солнечного элемента 10. Кроме того, для каждой стопки солнечного элемента на участке тыльной стороны 100.2 полупроводниковой пластины 100, открытом благодаря удалению диэлектрического изолирующего слоя 30, располагают контактный вывод тыльной стороны 34.
На фиг.6 представлен другой вариант осуществления способа получения стопкообразного многопереходного солнечного элемента 1 согласно изобретению. Ниже поясняются лишь отличия данного варианта от варианта, представленного на фиг. 5.
На третьей стадии способа, то есть до, после или во время расположения контактного вывода фронтальной стороны 26 и/или изготовления углубления 40, контактный вывод тыльной стороны 34 располагают на участке тыльной стороны 100.2 полупроводниковой пластины 100, находящемся на расстоянии от выполняемого на более поздней стадии сквозного отверстия 42.
На пятой стадии диэлектрический изолирующий слой 30 наносят также на верхнюю сторону контактного вывода тыльной стороны 34, и на шестой стадии удаляют диэлектрический изолирующий слой 30 с участка верхней стороны контактного вывода тыльной стороны 34.
1. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент (1) с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, включающий:
- стопку солнечного элемента (10) с фронтальной стороной (10.1), тыльной стороной (10.2) и сквозным контактным отверстием (12), проходящим от фронтальной стороны (10.1) до тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10),
- контактный вывод фронтальной стороны (26), контактный вывод тыльной стороны (34), диэлектрический изолирующий слой (30), а также контактный слой (32),
причем
- стопка солнечного элемента (10) включает образующий тыльную сторону (10.2) слой германиевой подложки (14), германиевый субэлемент (16) и по меньшей мере два III-V-субэлемента (18, 20), расположенные друг на друге в указанной последовательности,
- сквозное контактное отверстие (12) обладает сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением,
- контактный вывод фронтальной стороны (26) расположен на фронтальной стороне (10.1) стопки солнечного элемента (10) и неразъемно соединен с фронтальной стороной (10.1) стопки солнечного элемента (10) с возможностью протекания тока,
- диэлектрический изолирующий слой (30) покрывает участок фронтальной стороны (10.1) стопки солнечного элемента (10), не покрытый контактным выводом фронтальной стороны (26), краевую зону верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26), боковую поверхность (12.1) сквозного контактного отверстия (12) и участок тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10), граничащий со сквозным контактным отверстием (12),
- контактный слой (32) пролегает на диэлектрическом изолирующем слое (30) от участка верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26), не покрытого диэлектрическим изолирующим слоем (30), через сквозное контактное отверстие (12) до тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10), неразъемно соединен с верхней стороной контактного вывода фронтальной стороны (26) с возможностью протекания тока и неразъемно соединен с диэлектрическим изолирующим слоем (30), и
- контактный вывод тыльной стороны (34) покрывает участок тыльной стороны (10.2) стопки солнечного элемента (10), не покрытый диэлектрическим изолирующим слоем (30), и неразъемно соединен с тыльной стороной (10.2) стопки солнечного элемента (10) с возможностью протекания тока.
2. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический изолирующий слой (30) выполнен в виде антирефлексного слоя.
3. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что многопереходный солнечный элемент снабжен антирефлексным слоем (28), расположенным между диэлектрическим изолирующим слоем (30) и стопкой солнечного элемента (10), причем антирефлексный слой (28) покрывает участок фронтальной стороны (10.1) стопки солнечного элемента (10), не покрытый контактным выводом фронтальной стороны (26).
4. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент по п. 3, отличающийся тем, что антирефлексный слой (28) покрывает краевую зону верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26).
5. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент по п. 3, отличающийся тем, что антирефлексный слой (28) является токопроводящим слоем.
6. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический изолирующий слой (30) содержит ТiO, и/или MgF2, и/или Al2O3, и/или SiO2, и/или Si3N4, и/или Та2O5, и/или ZrO2.
7. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что контактный вывод фронтальной стороны имеет сильнолегированный полупроводниковый контактный слой (26.1), неразъемно соединенный с фронтальной стороной (10.1) стопки солнечного элемента (10), а также металлический слой (26.2), неразъемно соединенный с полупроводниковым контактным слоем (26.1).
8. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент (10) по п. 1, отличающийся тем, что общая толщина слоя III-V-суб-элементов составляет от 5 до 15 мкм.
9. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент (10) по п. 1, отличающийся тем, что сквозное контактное отверстие (12) на фронтальной стороне (10.1) многопереходного солнечного элемента (10) обладает первым диаметром по меньшей мере 50 мкм, причем первый диаметр не превышает 1 мм.
10. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент (10) по п. 1, отличающийся тем, что диаметр сквозного контактного отверстия (12) ступенчато уменьшается в направлении от фронтальной стороны (10.1) к тыльной стороне (10.2) многопереходного солнечного элемента (10), причем первая ступень образована верхней стороной германиевого субэлемента (16), а вторая ступень областью германиевого субэлемента (16), находящейся ниже pn-перехода (16.2) германиевого субэлемента (16), и причем каждая из ступеней выступает на глубину по окружности внутрь сквозного контактного отверстия (12).
11. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент (10) по п. 5, отличающийся тем, что глубина выступа первой ступени составляет по меньшей мере 5 мкм и/или глубина выступа второй ступени составляет по меньшей мере 6 мкм.
12. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент (10) по п. 1, отличающийся тем, что германиевый субэлемент совместно с германиевой подложкой обладает толщиной слоя от 80 до 300 мкм.
13. Стопкообразный многопереходный солнечный элемент (10) по одному из пп. 1-12, отличающийся тем, что контактный слой (32) выполнен в виде многослойной системы, которая включает в указанной последовательности содержащий золото и германий первый слой толщиной по меньшей мере 2 нм и максимум 50 нм, содержащий титан второй слой толщиной по меньшей мере 10 нм и максимум 300 нм, содержащий палладий, никель или платину третий слой толщиной по меньшей мере 5 нм и максимум 300 нм, и по меньшей мере один металлический четвертый слой толщиной по меньшей мере 2 мкм, причем первый слой граничит с диэлектрическим изолирующим слоем (30) и контактным выводом фронтальной стороны (26).
14. Способ получения стопкообразного многопереходного солнечного элемента (1) с фронтальной стороной, контактирующей с тыльной стороной, включающий стадии:
- предоставление полупроводниковой пластины (100) с верхней стороной (100.1), нижней стороной (100.2) и включающей несколько стопок солнечного элемента (10),
- причем каждая стопка солнечного элемента (10) включает образующую нижнюю сторону (100.2) полупроводниковой пластины (100) германиевую подложку (14), германиевый субэлемент (16) и по меньшей мере два III-V-субэлемента (18, 20), расположенные друг на друге в указанной последовательности,
- нанесение контактного вывода фронтальной стороны (26) на верхнюю сторону (100.1) полупроводниковой пластины (100), выполняемое для каждой стопки солнечного элемента (10),
- изготовление углубления (40), простирающегося в полупроводниковую пластину от верхней стороны (100.1) полупроводниковой пластины (100) по меньшей мере до pn-перехода германиевого субэлемента (16), со сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением, и находящегося на расстоянии от контактного вывода фронтальной стороны (26), выполняемое для каждой стопки солнечного элемента (10),
- изготовление сквозного отверстия (42), проходящего от дна углубления (40) до нижней стороны (100.2) полупроводниковой пластины (100), со сплошной боковой поверхностью и овальным поперечным сечением, выполняемое для каждой стопки солнечного элемента (10),
- нанесение диэлектрического изолирующего слоя (30) вдоль фронтальной стороны (100.1) полупроводниковой пластины (100), тыльной стороны (100.2) полупроводниковой пластины (100) и на боковую поверхность углубления (40), а также на боковую поверхность сквозного отверстия (42),
- удаление изолирующего слоя (30) с части верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26), выполняемое для каждой стопки солнечного элемента (10),
- нанесение контактного слоя, проходящего от открытой верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26) по диэлектрическому изолирующему слою (30) через углубление (40) и сквозное отверстие (42) до граничащего со сквозным отверстием (42) участка тыльной стороны (100.2) полупроводниковой пластины (100), покрытого диэлектрическим изолирующим слоем (30), выполняемое для каждой стопки солнечного элемента (10),
причем
- для каждой стопки солнечного элемента (10) в момент времени до нанесения диэлектрического слоя на тыльной стороне (100.2) полупроводниковой пластины (100) располагают контактный вывод тыльной стороны (34) и в момент времени после нанесения диэлектрического изолирующего слоя (30) с части верхней стороны контактного вывода тыльной стороны (34) удаляют диэлектрический изолирующий слой (30), или
- для каждой стопки солнечного элемента (10) в момент времени после нанесения диэлектрического изолирующего слоя (30) с участка поверхности тыльной стороны (100.2) полупроводниковой пластины (100) удаляют диэлектрический изолирующий слой (30) и в последующий момент времени на открытый участок поверхности тыльной стороны (100.2) полупроводниковой пластины (100) наносят контактный вывод тыльной стороны (34).
15. Способ получения по п. 14, отличающийся тем, что до изготовления углубления (40) на часть верхней стороны (100.1) полупроводниковой пластины (100), не покрытую контактным выводом фронтальной стороны (26), наносят антирефлексный слой (28), и после удаления изолирующего слоя (30) на части верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26) с части верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26) удаляют антирефлексный слой (28).
16. Способ получения по п. 14, отличающийся тем, что диэлектрический изолирующий слой (30) выполняют в виде антирефлексного слоя.
17. Способ получения по п. 14, отличающийся тем, что сначала на фронтальную сторону (100.1) полупроводниковой пластины (100) в качестве контактного вывода фронтальной стороны (26) наносят сильнолегированный полупроводниковый контактный слой (26.1), и на верхнюю сторону сильнолегированного полупроводникового контактного слоя (26.1) наносят металлический слой (26.2).
18. Способ получения по п. 14, отличающийся тем, что контактный вывод фронтальной стороны (26) наносят посредством по меньшей мере одного процесса маскирования.
19. Способ получения по п. 14, отличающийся тем, что углубление (40) выполняют посредством процесса травления.
20. Способ получения по п. 19, отличающийся тем, что процесс травления для изготовления углубления, включает две стадии травления.
21. Способ получения по п. 14, отличающийся тем, что углубление (40) выполняют посредством процесса лазерной абляции.
22. Способ получения по п. 14, отличающийся тем, что диэлектрический изолирующий слой (30) удаляют с верхней стороны контактного вывода фронтальной стороны (26) и/или с нижней стороны (100.2) полупроводниковой пластины (100) посредством процесса лазерной абляции или посредством процесса травления.
23. Способ получения по одному из пп. 14-22, отличающийся тем, что после изготовления углубления (40) или после изготовления сквозного отверстия (42) германиевую подложку истончают с тыльной стороны (100.2) полупроводниковой пластины (100).
