ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ


RU (11) 2080690 (13) C1

(51) 6 H01L31/04 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 5041744/25 
(22) Дата подачи заявки: 1992.05.12 
(45) Опубликовано: 1997.05.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Патент США № 4191593, кл. Н 01 L 31/06, 1980. 2. Патент Великобритании № 2023927, кл. Н 01 L 31/06, 1980. 
(71) Заявитель(и): Научно-исследовательский институт цифрового телевидения Минского производственного объединения "Горизонт" (BY) 
(72) Автор(ы): Сычик Василий Андреевич[BY]; Бреднев Александр Викторович[BY] 
(73) Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт цифрового телевидения Минского производственного объединения "Горизонт" (BY) 

(54) ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 

Использование: в электронно-оптических и космических системах в качестве функциональных элементов источников электроэнергии. Сущность: n-область фотовольтаического преобразователя представляет собой слой: сильнолегированный слой n-типа, слой n-типа, варизонный слой n-типа. p-область преобразователя содержит варизонный слой p-типа и сильнолегированный слой p-типа. p-переход реализован на основе слоев n и p типа проводимости с концентрацией примесей около 1017 см-3. Прибор содержит нижний сплошной омический контакт и верхний решетчатый омический контакт. Особенность конструкции прибора состоит в том, что p-n переход и оба варизонных слоя выполнены так, что обедненная область заходит в варизонные слои на глубину 0,1 - 0,2 от суммарной толщины слоев образующих p-n переход. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с потенциальным барьером, в частности к фотовольтаическим преобразователем и может быть использовано в электронно-оптических и космических системах в качестве функциональных элементов источников электроэнергии.

Известен фотовольтаический преобразователь (солнечный элемент, описанный в пат. США N 4191593 H 01 L 31/06, 1980. Фотоэлектрический элемент такого преобразователя снабжен металлической деталью в форме параллелепипеда, на основании внутреннего объема которого в форме конуса расположена линза Френеля и отражательный элемент. В отверстии вблизи вершины параллелепипеда расположен фотоэлектрический элемент, представляющий структуру в виде двух гетеропереходов, гомоперехода и туннельного диода. Этот преобразователь солнечной энергии обладает малыми рабочими токами и сложной конструкцией.

В книге М. М. Колтуна Солнечные элементы, М. Наука, 1987 описаны фотовольтаические преобразователи, у которых для создания в базовом слое фотоэлемента тянущего электрического поля применяется вариозный слой. Однако такие элементы с указанной в книге структурой обладают невысокими рабочими напряжениями, сложной структурой и недостаточно высокой стабильностью работы.

Прототипом предлагаемого изобретения является фотовольтаический преобразователь, описанный в заявке Великобритании N 2023927 H 01 L 31/06, 1980, который содержит p-n-переход, полупроводниковый слой из фосфида индия и галия. Ширину этого слоя подбирают так, чтобы он был прозрачен для фотонов, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны фосфида индия и галия. Просветляющий слой и электрод контактирует с пассивирующим слоем p-n-перехода из GaAs, оканчивающегося электродом.

Недостатками прототипа являются:

а) невысокая рабочая температура, поскольку используется в структуре фотовольтаического преобразователя указанный p-n-переход (Eg < 1,27 эВ);

б) невысокое выходное напряжение, соответственно и его выходная мощность, т. к. сформированный на p-n-переходе и обращенный к свету компонент InP обладает Eg 1,27 эВ < 1,43 эВ (Eg GaAs);

в) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между омическими контактами и p-n-переходом, что обуславливает резкое повышение сопротивления растекания, а следовательно дополнительное снижение тока и выходной мощности.

Техническим результатом изобретения является увеличение рабочей температуры с одновременным повышением выходного напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что в фотовольтаическом преобразователе, содержащем p-n-переход, вариозной слой, просветляющий слой и омические контакты, p-n-переход размещен в более широкозонной части структуры и снабжен дополнительным вариозным слоем в более узкозонной его части, при этом обедненная область p-n-перехода заходит в вариозные слои.

Благодаря тому, что p-n-переход размещен в более ширикозонной части структуры и снабжен дополнительным вариозным слоем в более узкозонной его части, причем обедненный слой p-n-перехода заходит в вариозные слои, обеспечивается достижение поставленной цели.

Фото ЭДС холостого хода (Uam) предложенного фотовольтаического преобразователя составляет 1,47-1,52 В, а допустимая температура Tд 150oC, в то время как для прототипа Uam 0,78-0,81 B; Tд 100oC.

В известных технических решениях признаков, сходных с заявленным, не обнаружено. Поэтому предложенное техническое устройство фотовольтаический преобразователь (ФВП) обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображена конструкция ФВП, на фиг. 2 его зонная диаграмма.

Конструктивно фотовольтаический преобразователь состоит из p-n-перехода, выполненного из широкозонного полупроводника, включающего широкозонные обедненную n-область перехода 1 и обедненную p-область перехода 2, которая контактирует с P-вариозным и сильнолегированным p+-слоем 3 и широкозонного полупроводника. n-область фотовольтаического преобразователя состоит из широкозонной обедненной n-области 1 перехода, вариозного n1-слоя 4, узкозонной n-n+ области, состоящей из n2-слоя 5 и сильнолегированного n+2-слоя 6. Нижний сплошной омический контакт 7 фотовольтаического преобразователя сформирован на n+-слое 6, а верхний решетчатый омический контакт 8, в проемах решетки которого размещен просветляющий слой 9, сформирован на сильнолегированном P+-слое 3. Омические контакты имеют внешние выводы 10. n2-область фотовольтаического преобразователя изготавливается из полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем жизни носителей и возможностью методом легирования создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из Ge, Si, GaAs. Для достижения поставленной цели эта область выполняется из полупроводника узкозонного по сравнению с полупроводниковым материалом p-n-перехода. Как показали результаты эксперимента, соотношение ширины запрещенной зоны p-n-перехода Eg1 и ширины n2-области Eg2 составляет интервал 1,5-3,5.

В n2-области методом диффузии, либо ионной имплантации на n2-слое 5 формируется сильнолегированный n+2-слой 6, с низким удельным сопротивлением, что исключает потери электроэнергии на сопротивлении n-области. Толщина n+2-слоя 6 выбирается из условия минимизации сопротивления n-области, исключения влияния границы n+2-слой 6 омический контакт 7 на разделенные заряды p-n-перехода и должна быть выше диффузионной длины основных носителей. Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина n+2-слоя 6 составляет (1,1-2) Ld, причем она возрастает для полупроводников с высокой подвижностью основных носителей. На n2-слое 5 формируется методом ионно-плазменного распыления, жидкофазной либо газофазной эпитаксии варизоный n1-слой 4, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения . Параметр степени концентрации компонента в растворе X изменяется от нуля до единицы, причем со стороны области n он представляет материал этой области, например Am1Bn, а со стороны p-n-перехода это материал, идентичный материалу p-n-перехода, т. е. соединения Am2Bn. Например, если материалом p-n-перехода является AlAs с Eg1 2,15 эВ, а материалом узкозонной n-n+-области является GaAs с Eg2 1,43 эВ, то вариозный n1-слой 4 реализуется из материала GaxAl1-xАs, причем структура нижней границы слоя с параметром X=1 представляет GaAs, а структура верхней границы слоя представляет AlAs с параметром X=0. Толщина вариозного n-слоя 4 определяется скоростью изменения его ширины запрещенной зоны (от Eg1 до Eg2) при изменении X от 1 до 0 и диффузной длиной основных неравновесных носителей заряда Ld. Для достижения оптимального по максимуму разделения генерированных в n1-вариозном слое 4 и n2-слое узкозонного полупроводника 5 суммарная толщина этих слоев не должна превышать диффузионной длины основных избыточных носителей. Как показали результаты эксперимента, суммарная толщина этих слоев составляет (0,8-1) Ld, причем она максимальна для полупроводников с наиболее высокой подвижностью носителей. Соотношение толщин n1-вариозного слоя 4 и n2-слоя 5 составляет интервал от 1,5:1 до 3:1, который возрастает с ростом подвижности носителей.

Методами жидкофазной, газофазной эпитаксии либо ионно-плазменного распыления на n1-вариозном слое 4 формируется p-n-переход из широкозонного материала, соответствующего материалу верхней границы n1-вариозного слоя 4, например AlAs. Ширина p-n-перехода соответствует (0,8-0,9) суммарной толщины n- и p-широкозонных обедненных областей 1 и 2, что обеспечивает оптимальное разделение генерируемых под воздействием фотонов света избыточных носителей заряда в области p-n-перехода, вариозных слоях 3, 4 и n2-слое 5. Ширина p-n-перехода d (0,8-0,9)W0, где W0 суммарная толщина его p- и n-областей, выбрана также из условия, чтобы обеденная область p-n-перехода проникла внутрь p-вариозного слоя 3 и n-вариозного слоя 5, исключая появление локального потенциального барьера в валентной зоне и зоне проводимости структуры Pvar p-n-переход nvar.

Размещенный на обедненной p-области 2 перехода p-слой 3 включает p-вариознный слой, p+-слой и представляет сильнолегированный широкозонный полупроводник, ширина запрещенной зоны которого должна быть выше Eg1, а его постоянная решетка должна быть мало отличимой от постоянной решетки материала p-n-перехода. Для p-n-перехода из AlAs с Eg1 2,15 еВ p-варизонный слой 3 выполнен на основе соединения CdxZn1-xSe, а p+-слой 3 выполнен из ZnSe с Eg3 2,67 eB, причем несоответствие в решетках этих материалов меньше 2% Толщина p+-слоя 3 выбирается из условия минимизации сопротивления p-области ФВП и исключения процессов эффективной поверхностной рекомбинации генерируемых светом носителей на поверхности p-вариозного слоя 3. Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина широкозонного p+-слоя 3 составляет (1,5-3) Ld, возрастая с повышением подвижности носителей, а толщина p-вариозного слоя 3 составляет (0,7-0,9) Ld. Нижний омический контакт 7 к n+2-слою 6 формируется из газовой фазы в виде сплошного слоя, его толщина известна и составляет 1-5 мкм. В качестве нижнего электрода может использоваться кристаллическая жесткая пластина (базовый электрод). Верхний омический контакт 8 к p+-слою 3 выполнен решетчатой структурой, свет через проемы которой воздействует на p-обедненную область перехода.

Для повышения коэффициента поглощения фотонов воздействующего света, либо другого излучения на поверхность p+-слоя 3 в области проемов решетчатой структуры верхнего омического контакта 8 наносится просветляющий слой (прозрачный антиотражательный элемент) 9, оптическая плотность которого выше, чем у p+-слоя 3. В качестве материала просветляющего слоя обычно используются окислы кремния SiO и SiO2, а оптимальная толщина просветляющего слоя 9 составляет 0,08-0,15 мкм. Толщина решетчатого слоя верхнего омического контакта 8 составляет 1-5 мкм, а занимаемая им площадь составляет 8 12% от всей площади и p-области устройства.

Фотовольтаический преобразователь работает следующим образом. При воздействии квантов света, либо фотонов других источников излучений на рабочую поверхность фотовольтаического преобразователя со стороны решетчатого омического контакта 8 фотоны с энергиями Ei= hi< Eg3[p+], где Eg3[p+] - ширина запрещенной зоны p+-слоя 3, проходят просветляющий слой 9, p+-широкозонный сильнолегированный слой 3 и достигают p-варизонный слой 3 и p-n-переход, где фотоны с энергиями Eg3 Ei Eg1 поглощаются в p-варизонном слое и в p- и n-обедненных областях 1 и 2 перехода, а фотоны в энергиями Eg1 Ei Eg2 поглощаются в n1-варизонном слое 4 и в n2-слое 5 узкозонного полупроводника, создавая в поглощающих фотоны слоях избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями:

n=In; p = Ip, (I)

где квантовый выход; h коэффициент поглощения света; I - интенсивность света; tn, p время жизни избыточных электронов и дырок. Избыточные носители устремляются к p-n-переходу, разделяются его полем, причем электроны дрейфуют в n-область, а дырки в p-область перехода.

Вследствие разделения зарядов через p-n-переход течет ток



и возникает фотоЭДС, максимальное значение которой при холостом ходе



где Iф максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности; Is ток насыщения, Ua приложенное к p-n-переходу собственное напряжение.

В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями с концентрациями n и p, определяется выражением

Iф= e(nи+pp) Ea. (4)

Поскольку структурой фотовольтаического преобразователя активно поглощается широкий спектр фотонов с энергиями от Eg3, Eg1 до Eg2, то избыточные концентрации n и p в предложенном устройстве значительно выше, чем у прототипа, где активно поглощаются только лишь фотоны с энергией, равной Eg1.

При замыкании на нагрузку внешней цепи фотовольтаический преобразователь отдает в нее мощность



а ее максимальное значение Pam Uam Iam.

При условии равенства значений токов в предложенном устройстве и прототипе (практически Ia[3] Ia[n]) соотношение их выходных мощностей определяется соотношением напряжений, т.е.



мощности, токи и напряжения заявляемого устройства и прототипа соответственно.

Создано экспериментальное устройство фотовольтаический преобразователь с p-n-переходом на основе арсенида алюминия. n-область ФВП представляет слой n+2 из GaAs толщиной 2,8 мкм, легированный Te с концентрацией ND 31019 см-3, n2-слой выполнен также из GaAs, легированного Te с концентрацией ND 1016 см-3, толщиной 0,3 мкм, варизонный слой n1var выполнен из соединения GaxAl1-xAs, легирован Te с концентрацией ND 1016 см-3 и толщиной 0,5 0,6 мкм. Его ширина запрещенной зоны изменяется от 1,43 еВ до 2,15 еВ.

p-n-переход реализован на основе AlAs, его n-область легирована Te с концентрацией , а его p-область легирована Cd с концентрацией NA 1017 см-3 Суммарная толщина p-n-перехода составляет 0,65 мкм, что составляет 0,9 W0. P-область ВФП содержит варизонный слой Pvar, выполненный на основе соединения CdxZn1-xSe, причем параметр степени концентрации X изменяется от 0 до 0,3, его ширина запрещенной зоны изменяется от 2,15 еВ до 2,67 еВ. Варизонный p-слой 3 легирован Cu с концентрацией NA 1016 см-3, обладает толщиной 0,60 мкм, p+-сильнолегированный слой 3 выполнен из селенида цинка, легированного Cu с концентрацией NA 1019 см-3. Его толщина составляет 2,3 мкм.

Нижний сплошной омический контакт реализован структурой Te-Al-Ni общей толщиной 1 мкм. Верхний решетчатый, омический контакт изготовлен структурой Cu-Al-Ni общей толщиной 2 мкм. Занимаемая верхним контактом площадь на p+-слое составляет 12% рабочая площадь p+-слоя S 1x1 см2.

Экспериментальный фотовольтаический преобразователь при интенсивности солнечного излучения с энергией Pвх 65 мВт/см2 обладает следующими параметрами: Uam 1,48 В; Iam 21 мА/см2, выходная мощность Pam 20-30 мВт/см2; Tдоп 150oC.

Для прототипа эти параметры составляют: Uam 0,78 В; Iam 12 мА/см2; Pam 6 мВт/см2; Tдоп 100 В.

На базе предлагаемого устройства может быть создана экономичная солнечная батарея требуемых размеров и мощностей.

Таким образом, благодаря тому, что в предложенном фотовольтаическом преобразователе p-n-переход размещен в более широкозонной части структуры, p-область фотовольтаического преобразователя содержит последовательно контактирующие p+-сильнолегированный широкозонный слой, p-варизонный слой, широкозонную обедненную p-область перехода, а n-область фотовольтаического преобразователя включает последовательно контактирующие широкозонную обедненную n-область перехода, варизонный n-слой и n-n+ узкозонную область, т.е. p-n-переход снабжен дополнительным варизонным слоем в более узкозонной его части, причем обедненный слой p-n-перехода заходит в варизонные слои, достигается поставленная цель более, чем в 3 раза возрастает выходная мощность с 6 мВт/см2 у прототипа до 20 мВт/см2 у предлагаемого устройства, более чем в 1,5 раза возрастает фотоЭДС с 0,78 В у прототипа до 1,46 В у предлагаемого устройства, и более чем в 1,5 раза возрастает допустимая рабочая температура.

Технико-экономические преимущества предлагаемого фотовольтаического преобразователя в сравнении с базовым устройством-прототипом и другими аналогами:

1. Более, чем в три раза возрастает выходная мощность.

2. Более, чем в 1,5 раза возрастает фотоЭДС (при одинаковой степени освещенности).

3. Более, чем в 1,5 раза возрастает предельная рабочая температура. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Фотовольтаический преобразователь, содержащий p-n-переход, образованный широкозонными полупроводниками p- и n-типа проводимости, и омические контакты, отличающийся тем, что на поверхности широкозонного полупроводника p-типа последовательно выполнены варизонный слой p-типа и сильно легированный слой p-типа, на поверхности широкозонного полупроводника n-типа последовательно выполнены варизонный слой n-типа, слой полупроводника n-типа, более узкозонный, чем используемый для формирования p-n-перехода полупроводника n-типа и слой сильнолегированного полупроводника n-типа, при этом p-n-переход и оба варизонных слоя выполнены так, что обедненная область заходит в варизонные слои на глубину 0,1 0,2 от суммарной толщины слоев, образующих p-n-переход.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru