Солнечный элемент

(я)5 Н 0131/ ИЕ ИЗОБРЕТЕ титу ельский инаучно-проитор"Б.Алексан и А.МГир РЬ песаИ и зоаг с, 1986. Т гочес гасоп еИз, -тение от астности сится полуО ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Научно-исследоватприкладной механики Нвенного обьединения "Ро(57) Использование: изобрек электронной технике, в ч Изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым фотопреобразователям, и может быть использовано при изготовлении солнечных батарей для электропитания электронной аппаратуры различного назначения (электронных игр, электронных часов, микрокалькуляторов, радиоприемников),Известен солнечный элемент, содержащий подложку кремния р-типа проводимости, слой (фронтальный) кремния и -типа проводимости, локальный омический контакт к высоколегированному фронтальному слою, просветляющее покрытие и контакт к базовому слою, При этом отсутствие высоколегированного полупроводникового слоя (слоя р -типа проводимости) вблизи тыловой поверхности элемента снижает фото ЭДС при преобразовании излучений высопроводниковым фотопреобразователям.Сущность: солнечный элемент содержит подложку из кремния р-типа проводимости,+слой кремния и -типа проводимости, охранное кольцо вокруг слоя, выполненное из+кремния р -типа проводимости, просветляющее покрытие, локальный омический кон+такт к слою кремния и -типа проводимости, размещенные на фронтальной поверхности подложки, и расположенный на тыльной поверхности подложки металлический электрод на тыльной поверхности подложки дополнительно размещен нарушенный слой кремния толщиной 600 - 3000 мм, отделенныйй от металлического электрода слоем двуокиси кремния толщиной 2 - 5 мм. 1 п.ф., 1 й ил. кои интенсивности, что связано с увеличением рекомбинационного тока тылового контакта. Однако, зависимость фото ЭДС от освещенности остается значительной: при изменении освещенности от 100 люкс до 70000 люкс фото ЭДС изменяется от 200 до 580 мВ.Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа солнечный элемент, содержащий подложку кремния р+ типа проводимости, слой кремния и -типа проводимости (фронтальный слой), охранное кольцо вокруг фронтального слоя, расположенное на базовом слое и+выполненное из слоя кремния р -типа проводимости, просветляющее и пассивирующее покрытия, локальные омические контакты к фронтальному слою кремния и 1790015типа проводимости и расположенный натыльной стороне элемента металлическийэлектрод к базовому слою,Введение в структуру слоя кремния ртипа проводимости, расположенного на базовом слое вокруг фронтального слоякремния и -типа проводимости, уменьшаетобратный ток р-п-перехода, что несколькоснижает зависимость фото ЭДС от изменения уровня Освещенности (за счет повышения фото ЭДС йри низкой освещенности),однакО "этазаййсймость все еще остаетсязначительйой; прй увеличении освещенности до 70 000 лк фото ЭДС достигает 560 -600 мВ.Целью изобретения является снижениезависимости фото ЭДС солнечного элемента от уровня освещенности.Указанная цель достигается тем, что визвестном солнечном элементе, содеркащем подложку кремния р-типа проводимо+сти, слой кремния и -типа проводимости(фронтальный слой), охранное кольцо вокруг слоя и -типа, выполненное из кремнияр -типа проводимости, просветляющее покрытие, локальный омический контакт, размещенные нг фронтальной поверхностиподложки, и расположенный на тыльной поверхности подложки металлический электрод, между металлическим электродом ибазовым слоем дополнительно размещеннарушенный слой кремния толщиной от 600до 3000 нм, отделенный от металлическогоэлектрода слоем двуокиси кремния толщиной 2 - 5 нм,Сущность изобретения состоит в следующем.Слой двуокиси кремния образует с нарушенным слоем кремния и металлическимэлектродом туннельный УДП-диод, Барьерна туннельный МДП-диоде, расположенномна тыльной стороне солнечного элемента,+смещен в обратном направлении, когда и -р-переход смещен в прямом, Так как токсолнечного элемента определяется токомнасыщения УДП-диода, возникает фотоЭДС, имеющая обратную полярность относительно фото ЭДС на и -р-переходе, Придальнейшем увеличении интенсивностисветового потока фото ЭДС МДП-диода меняется сильнее, чем фото ЭДС фронтального и -р-переходе, в результате фото ЭДСсолнечного элемента снижается,Изменение фото ЭДС УДП-диода приизменении интенсивности светового потокасильно зависит от толщины слоя двуокисикремния, Допустимая минимальная толщина слоя двуокиси кремния составляет 25нм, При толщине слоя меньше 2 нм фотоЭДС солнечного элемента на высоких уров 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нях освещенности почти не снижается - зависимость фото ЭДС от изменения освещенности остается незначительной, Это связано с тем, что слой двуокиси кремния тоньше 2 нм практически не мешает движению носителей между металлом и полупроводником (структура представляет собой барьер Шоттки). При увеличении толщины слоя двуокиси кремния свыше 5 нм снижается фото ЭДС во всем диапазоне освещенности и, соответственно, падает КПД солнечного элемента,Нарушенный слой кремния, расположенный между слоем двуокиси кремния и базовым слоем р-типа проводимости, увеличивает захват излучения, повышает эффективность работы УДП-диода за счет увеличения его активной площади. Минимально допустимая толщина нарушенного слоя кремния составляет 600 нм. При толщине нарушенного слоя меньше 600 нм сникается эффективность работы МДП-диода из-за уменьшения захвата излучения и уменьшения эффективной площади УДП диода. В результате при высоких уровнях освещенности фото ЭДС солнечного элемента снижается незначительно. При увеличении толщины нарушенного слоя кремния свыше 3000 нгл фото ЭДС МДП-диода на высоких уровнях освещенности резко возрастает, что ведет к резкому снижению фото ЭДС солнечного элемента на высоких уровнях освещенности, Изобретение иллюстрируется фиг, 1, где изобракен солнечный элемент в разрезе.Солнечный элемент содержит кремниевую подлокку р-типа пооводимости (базовый слой) 1, высоколегированный+фронтальный слой кремния и -типа прово+димости 2, слой кремния р -типа проводимости 3, расположенный на базовом слое и+окружающий слой кремния п -типа со всех сторон, просветляющее покрытие 4, пассивирующее покрытие 5, располокенное на краях элемента, локальный омический+контакт 6 к слою кремния и -типа проводимости, являющийся отрицательным электродом солнечного элемента, располокенный на тыльной стороне солнечного элемента нарушенный слой кремния 7 толщиной от 600 до 3000 нм, слой двуокиси кремния 8 толщиной от 2 до 5 нм и металлический электрод 9, который является полокительным электродом солнечного элемента,Солнечный элемент работает следующим образом,При освещении солнечного элемента со стороны слоя и -типа проводимости 2, из-за поглощения света в р-и-переходе и областиполупроводника, прилегающего к р-и-переходу, происходит генерация новых носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в р-п-переходе, производит разделение неравновесных носителей, Другими словами, с точки зрения энергетической диаграммы р-п-перехода, неравновесные электроны "скатываются" с+ потенциального барьера и попадают в и - слой, а дырки - в р-слой (базовый слой) 1. В результате происходит накопление электронов в и -слое и дырок в р-слое. Протекающий ток выводится с помощью электронов 6 и 9. При достижении фото ЭДС - 0,4 В барье р на контакте металл-диэлектри к-полуп роводник, расположенный на тыльной стороне солнечного элемента, оказывается смещенным в обратном направлении, когда п -р-переходе смещен в прямом, На переходе металл-диэлектрик-полупроводник возникает фото ЭДС, имеющая обратную полярность относительно фото ЭДС на п -рпереходе, Эта фото ЭДС возрастает с увеличением интенсивности излучения сильнее, чем фото ЭДС фронтального и -р-перехода, в результате фото ЭДС солнечного элемента снижается,В предложенных солнечных элементах зависимость фото ЭДС от уровня освещенности в 5 - 8 раз меньше, чем у солнечного элемента-прототипа, При выходе за оптимальные значения толщин двуокиси кремния и нарушенного слоя кремния зависимость фотоЭДС от уровня освещенности увеличивается,П р и м е р. Изготовление солнечного элемента. Тыльную сторону кремниевой подложки типа КДБтолщиной 300450 мкм шлифуют абразивной суспензией КЭМ. В результате получаем нарушенный слой кремния толщиной 1000 . 1500 нм.На лицевой стороне кремниевой подложки формируют фронтальный слой кремния п -типа проводимости и просветляющее покрытие, Для этого на лицевую сторону подложки наносят фосфоросодержащую композицию КФК-7 Т (М), проводят термооб работку подложки в диффузионной печи при температуре 350 С в течение 300 мин. в атмосфере кислорода при расходе газов 150 л/ч, Получили слой кремния п -типа проводимости глубиной от 0,4 до 0,6 мкм и просветляющее покрытие толщиной 0,1 мкм.Для снижения токов утечки по периметру солнечного элемента формируют р -слой. Для этого на поверхность подложки с сфор+мированным и -слоем наносят позитивный фоторезист РН, сушат при 110 -5 С, экспонируют фоторезист с помощью Уф-излу 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5055 чения через фотошаблон, промывают в 0,7 - 1,0 Оводном растворе гидроокиси калия промывают подложку в каскадной ванне с деионизованной ванне с деионизованной водой, сушат на центрифуге в течение 2-3 мин., термообрабатывают фоторезист при 140 - 10 С в течение 25 - 35 мин. В результате вышеперечисленных операций на поверхности подложки получили защитную фоторезистовую массу, в которой по контуру солнечного элемента имеется незакрытая фоторезистом замкнутая полоска шириной 200 мкм, с которой стравливают+ просветляющее покрытие и и -слой. Травление просветляющего покрытия (фосфорно силикатного стекла) проводят в ИН 4 Е: Н 20: НЕ (3:6:1,25) в течение 45 . 5 сек. Травление и+-слоя проводят в НИОз: НЕ: Н 20 (19:1:8) в течение 40 с. Глубина вытравленную кольцевую канавку проводят имплантацию бора - получают р -слой. Для ионной имплантации бора используют ионно-лучевую установку "Везувий". Для стабилизации времени жизни неосновных носителей заряда и выращивания окисла на р -слоя проводят термообработку подложки в атмосфере кислорода при 650 -1 С в течение 15 мин., затем при 850 -1 С в течение 40 - 60 мин.После получения кольцевого р -слоя с помощью фотолитографических приемов вскрывают окна под контакты к п -слою, Вскрытие окон проводят следующим образом.На лицевую поверхность подложки наносят позитивный фоторезист РН, сушат при 110 С, экспонируют фоторезист с помощью источника Уф-излучения через фотошаблон, проявляют в 0,7 - 1,0 орастворе гидроокиси калия водного, промывают подложку в каскадной ванне с деионизованной водой, сушат на центрифуге, дубят фоторезист при 140 С в течение 25 - 30 мин. Получили защитную фоторезистовую маску, в которой имеются незакрытые фоторезистом окна под контакты к и -слою кремния. Затем проводят травление просветляющего покрытия на участках, не защищенных фоторезистом. Травление проводят в буферном травителе состава: МН 4 Е: Н 20: НЕ(3:6:1,25) в течение 45 с,После промывки подложки в деионизованной воде снимают фоторезист в нагретом до 65 - 75 С щелочно-перекисном растворе, вновь промывают подложку в деионизованной воде и сушат на центрифуге.Затем на тыльной стороне подложки (базовом слое) выращивают тонкий окисел,1790015 Формула изобретения Составитель Ю.Прохоцкийедактор О,Стенина Техред М.Моргентал К, ррек бр аз 351 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, ".01 Для этого проводят термообработку подложки в диффузионной печи в потоке кислорода при температуре 550 С в течение 45-60 мин. Образовавшийся окисел в окнах под контакты к и+-слою снимают в буферном травителе, предварительно защитив просветляющее покрытие фоторезистовой маской, После снятия фоторезиста к фронтальному высоколегированному слою и -типа проводимости формируют контакты. Для улучшения адгезии в качестве материала контактов используют сплав никеля с алюминием следующего состава: 20 - 35 мас. алюминия, остальное - никель. С целью обеспеченияпайки контактов сверху наносят никель с небольшим содержанием алюминия (2 - 6 мас. ). Контакты наносят термическим испарением в вакууме.Затем на лицевую сторону подложки наносят фоторезист РН, который экспонируют УФ-излучением через фото- шаблон, проявляют фоторезист и дубят при 120 .+ 10 С в течение 20 - 30 мин. Получили фоторезистовую маску, в которой контакты закрыты задубленным слоем фоторезиста. После этого проводят травлеСолнечный элемент, содержащий подложку кремния р-типа проводимости, слой+кремния и -типа проводимости, охранное кольцо вокруг слоя п -типа, выполненное из кремния р -типа проводимости, просветляющее покрытие, локальный омический контакт, размещенные на фронтальной поверхности подложки, и расположенный ние слоев алюминий никелевого сплава.Травление ведут в смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 2:1 соответственно в течение 1-2 мин, 5 фоторезистовую маску удаляют в диметилформамиде, промывают подложку в деионизованной воде и сушат на центрифуге, Получили локальные двуслойные металлизированные контакты к и -слою кремния, 10 После формирования контактов к фронтальному слою на слой двуокиси кремния, расположенный на тыльной стороне подложки, наносят сплошной металлический электрод, Для этого подложку помещают в 15 вакуумную камеру установки типа "Оратория", наносят слой алюминия толщиной 100 нм, затем наносят слой алюминий никелевого сплава с содержанием алюминия в сплаве от 2 до 6 мас,% толщиной 200 - 300 20 нм по режимам, приведенным для нанесения контактов к фронтальному слою.С целью снижения последовательногосопротивления контактов и возможности присоединения выводов пайкой на контак ты (электроды) наносят слой оловосодержащего припоя. 30 на тыльной поверхности подложки металлический электрод, отл и ч а ю щи йс я тем, что, с целью снижения зависимости фото- ЭДС солнечного элемента от изменения уровня освещенности, на тыльной поверх ности подложки дополнительно размещеннарушенный слой кремния толщиной 600 - 3000 нм, отделенный от металлического электрода слоем двуокиси кремния толщиной 2 - 5 нм.