ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ НА ОСНОВЕ P-N-ПЕРЕХОДА С ПОВЕРХНОСТНЫМ ИЗОТИПНЫМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ НА ОСНОВЕ P-N-ПЕРЕХОДА С ПОВЕРХНОСТНЫМ ИЗОТИПНЫМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОМ


RU (11) 2099818 (13) C1

(51) 6 H01L31/06 

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

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

(21) Заявка: 96107027/25 
(22) Дата подачи заявки: 1996.04.11 
(45) Опубликовано: 1997.12.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1984, т.2, с. 418 - 422. Гаврилова И.П. и др. Физика и техника полупроводников. - Л.: Наука, 1974, т.8, вып.1, с.119 - 124. 
(71) Заявитель(и): Вальднер Вадим Олегович; Терешин Сергей Анатольевич; Малов Юрий Анатольевич; Баранов Александр Михайлович 
(72) Автор(ы): Вальднер Вадим Олегович; Терешин Сергей Анатольевич; Малов Юрий Анатольевич; Баранов Александр Михайлович 
(73) Патентообладатель(и): Вальднер Вадим Олегович; Терешин Сергей Анатольевич; Малов Юрий Анатольевич; Баранов Александр Михайлович 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ НА ОСНОВЕ P-N-ПЕРЕХОДА С ПОВЕРХНОСТНЫМ ИЗОТИПНЫМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОМ 

Изобретение относится к средствам для преобразования световой энергии в электрическую. Устройство состоит из крайних металлических электродов 1 и 5, полупроводникового слоя 4 первого типа проводимости, полупроводникового слоя 3 второго, противоположного первому, типа проводимости и слоя 2 широкозонного и сильнолегированного по отношению к слоям 3 и 4 полупроводника второго типа проводимости, образующего поверхностный изотипный гетеропереход со слоем 3. Металлический электрод 1 со стороны слоя 2 выполнен в виде редкой сетки. 3 з.п. ф-лы, 5 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к средствам для преобразования световой энергии в электрическую.

Предшествующий уровень техники.

Известно фотовольтаическое устройство по патентной заявке ФРГ [1] содержащее подложку с проводящим электродом и нанесенными на нее последовательно тремя слоями полупроводникового материала различных типов проводимости (p-i-n-структура) и второй электрод. При этом подложка и ближайшие к ней первый и второй полупроводниковые слои выполнены с возможностью облучения падающим на устройство светом наиболее удаленного третьего слоя. Одним из слоев данного устройства может служить аморфный карбид кремния a-SixC1-x:H. Описанные конструкция и выбор материала слоев способствуют расширению оптической полосы устройства и повышению его энергетической эффективности.

Недостатком данного устройства является необходимость формирования дополнительного антиотражающего покрытия с целью уменьшения коэффициента отражения от поверхности. Кроме того, для данного устройства характерно несовершенство границ между слоями различных полупроводников и образование вследствие этого пограничных состояний, что ограничивает максимальный ток короткого замыкания вследствие высокой скорости поверхностной рекомбинации на границах раздела.

Известен также солнечный элемент, содержащий гетеропереход Si p-типа и слой ITO (смесь In2O3 и SnO3 с шириной запрещенной зоны Eg 3,7 эВ) n-типа с двумя электродами [2] ITO в данном устройстве играет одновременно роль как антиотражающего, так и хорошо проводящего слоя, собирающего электроны.

Недостатком данного устройства является то, что слой ITO не поглощает солнечного излучения и поэтому не вносит вклада в фототок. Поэтому данное устройство работает в узком спектральном диапазоне, характерном для кремниевых устройств. Кроме того, вследствие образования на границе раздела слоев Si-ITO пленки SiO2, создающей высокий потенциальный барьер и ограничивающей поток носителей заряда, происходит уменьшение максимального тока короткого замыкания.

Известен также солнечный элемент на основе p-n-гомоперехода (на основе GaAs) с добавленным к нему слоем полупроводника с большей шириной запрещенной зоны (Ga1-xAlxAs) [3] Примером может служить структура p-Ga1-xAlxAs/p-GaAs/n-GaAs. Широкозонный полупроводник используется в качестве контакта, пропускающего фотоны с энергией меньше ширины своей запрещенной зоны (эффект окна). Данная структура обладает достаточно высокой эффективностью собирания фотогенерированных носителей заряда и расширенным в область коротких длин волн спектральным откликом.

Недостатком данного устройства является необходимость формирования дополнительного антиотражающего покрытия, так как слой Ga1-xAlxAs не выполняет этой функции по отношению к слоям GaAs. Кроме того, основным фотогенерационным слоем является слой GaAs, поэтому расширение спектрального отклика в коротковолновую часть спектра распространяется только для энергий приблизительно 2,3 эВ. Поэтому кванты света с энергией 2,3 эВ (которые в достаточном количестве присутствуют в солнечном излучении) не дают вклада в фототок.

Наиболее близко к предлагаемому устройство (на основе кристаллического кремния), содержащее p-n-переход, в котором слой n-типа имеет ступенчатое распределение примеси (структура n+-Si/n-Si/p-Si) [4] что приводит к существованию тянущего электрического поля. Это приводит к увеличению коэффициента собирания неосновных носителей в n-слое и понижению скорости поверхностной рекомбинации. Подобные элементы могут иметь высокую спектральную чувствительность в коротковолновой области спектра и низкое последовательное сопротивление.

Недостатками данного устройства являются узкий спектральный диапазон, характерный для преобразователей с постоянным значением ширины запрещенной зоны, и необходимость формирования на поверхности устройства антиотражающего покрытия.

Изобретение направлено на достижение результата, заключающегося в увеличении эффективности преобразования световой энергии в электрическую за счет расширения спектральной чувствительности в синюю часть видимого солнечного спектра, увеличение области, в которой происходит эффективное разделение фотогенерированных носителей, а также снижении последовательного сопротивления.

Увеличение эффективности преобразования световой энергии в электрическую энергию по сравнению с прототипом происходит по следующим причинам. В отличие от прототипа при создании в исходном полупроводниковом материале p-типа (далее слой П4) p-n-перехода n-область (слой П3) выполняется с однородным легированием с концентрацией порядка 1017 1018 см-3, а на поверхности П3 создается поверхностный изотипный n+-n-гетеропереход. Гетеропереход создается путем нанесения на слой П3 слоя П2 с концентрацией носителей заряда 1019-1020 см-3 и запрещенной зоной Eg2>Eg3, где Eg3 ширина запрещенной зоны слоя П3. При этом толщина слоя П3 выбирается такой, чтобы в нем создавалось тянущее электрическое поле. В результате общий уровень генерации электронно-дырочных пар в слое П3 выше, чем в прототипе, поскольку слой П2 имеет оптическую ширину запрещенной зоны больше, чем слои П3 и П4 и, следовательно, он прозрачен для квантов света, поглощаемых в этих слоях (эффект окна). В предлагаемом устройстве слой широкозонного полупроводника П2, образующий со слоем П3 n+-n-гетеропереход, является также генерационным, то есть в нем рождаются электронно-дырочные пары за счет поглощения квантов света с энергией E>Eg2 (Eg2 ширина запрещенной зоны слоя 2). Поэтому нанесение слоя П2 позволяет расширить в синюю область внутренний спектральный отклик преобразователя. Кроме того, слой П2 выбирается таким, чтобы он являлся антиотражающим покрытием к слою П3.

Таким образом, цель достигается тем, что в предлагаемом преобразователе в отличие от прототипа, тянущее электрическое поле в слое П3 создается путем формирования на поверхности структуры с p-n-переходом поверхностного n+-n-гетероперехода. Гетеропереход формируется путем нанесения сильнолегированного слоя n-типа (П2) на слой П3. При этом слой П2 является одновременно антиотражающим и фоточувствительным. Значение Eg2 слоя П2 больше, чем слоя n-типа (П3) и следующего p-типа (П4), но при этом находится в видимом диапазоне длин волн. То есть слой П2 прозрачен для фотонов с энергиями, значения которых находятся в области фоточувствительности слоя П3 и П4 (эффект окна). Благодаря этому генерация электронно-дырочных пар в слое П2 добавляется к генерации электронно-дырочных пар в слоях П3 и П4, что приводит к увеличению тока короткого замыкания. Более того спектральный отклик при поглощении квантов света с энергиями 2 эВ<E в кремнии также возрастет, так как генерация носителей будет происходить в поле пространственного заряда поверхностного гетероперехода. В целом предлагаемый преобразователь представляет собой структуру с внутренним p-n-переходом и поверхностным n-n+-гетеропереходом, в котором уровень легирования слоя П3 и его толщина подобраны таким образом, чтобы области пространственного заряда p-n-перехода и гетероперехода перекрывались. В качестве слоя П2 могут быть использованы соединения на основе твердых растворов элементов из II и VI групп таблицы Менделеева, например CdZnS, CdO, CdZnO, CdZnON и др.

Для достижения указанных целей слой n-типа (П3) должен иметь пониженную (по сравнению с традиционными преобразователями на p-n-переходах) концентрацию легирующей примеси. При этом концентрация легирующей примеси выбирается такой, чтобы области пространственного заряда поверхностного гетероперехода, образуемого слоями П2 и П3 и n-p-переходом (слои П3 и П4), перекрывались. То есть, создаются условия, когда слой П3 легирован донорной примесью, но в тоже время не имеет электронейтрального объема. Следовательно, ширина области пространственного заряда в предлагаемом преобразователе будет больше по сравнению с прототипом. Поэтому в n-слое (П3), также как и в слое p-типа (П4), будет происходить эффективное разделение носителей заряда, что увеличит ток короткого замыкания за счет уменьшения рекомбинационных потерь. Концентрацию легирующей примеси в слое кремния n-типа (слой П3), обеспечивающую перекрытие областей пространственного заряда поверхностного n+-n- гетероперехода и n-p-перехода, легко рассчитать. Если p-слой (П4) имеет удельное сопротивление 1 Омсм (концентрация легирующей примеси 1016 см-3), а глубина залегания n-p-перехода составляет 0,5 мкм, то концентрация легирующей примеси в слое П3 должна составлять приблизительно 41016 см-3. При таком уровне легирования область пространственного заряда в слое n-типа со стороны n-p-перехода будет распространяться приблизительно на 0,25 мкм. Область пространственного заряда со стороны гетероперехода n+-n-будет распространяться в слой n-типа также на глубину приблизительно 0,25 мкм. Следовательно, произойдет перекрытие областей пространственного заряда. При меньшей глубине залегания n-p-перехода концентрация легирующей примеси может быть увеличена в несколько раз.

Важно отметить, что увеличение тока короткого замыкания достигается и при такой концентрации легирующей примеси, когда области пространственного заряда поверхностного n+-n- гетероперехода и p-n-перехода не перекрываются. В этом случае необходимо, чтобы длина диффузии неосновных носителей заряда в n-области была больше глубины залегания p-n-перехода. Тогда фотогенерированные носители, диффундируя в разные стороны, в любом случае попадают или в область пространственного заряда n-p-перехода, или в область поверхностного n+-n-перехода, где происходит их разделение.

Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом достигаются

больший ток короткого замыкания (Iкз) за счет более эффективного разделения электронно-дырочных пар в слое П3, уменьшения скорости поверхностной рекомбинации на границе раздела слоев П2 и П3, уменьшения коэффициента отражения, расширения в синюю область внутреннего спектрального отклика;

увеличение заполнения (FF) вследствие уменьшения последовательного сопротивления устройства за счет нанесения на поверхность слоя П3 сильнолегированного полупроводникового слоя П2;

увеличение напряжения холостого хода (Vxx) за счет дополнительной генерации электронно-дырочных пар в изотопном гетеропереходе n+-n (слои П2 и П3).

Лучший вариант осуществления изобретения.

Предлагаемый преобразователь световой энергии в электрическую в описываемом варианте реализован в виде структуры (фиг. 1), содержащей полупроводниковую подложку из кремния с дырочной проводимостью (слой 4), слой 3 из кремния с электронной проводимостью, сильнолегированный слой 2 на основе сплава соединений AIIBVI CdZnOxN1-x, электрод 5 - омический контакт со стороны слоя 4 и второй металлический электрод 1 со стороны слоя 2, выполненный в виде редкой сетки.

Все приведенные при раскрытии изобретения физические соображения подтверждены на конкретной структуре, соответствующей фиг. 1, где в качестве слоя 4 выступает подложка из кремния КДБ-1 с дырочной проводимостью толщиной 330 мкм, в которой методом диффузии сформирован слой 3 с электронной проводимостью. Глубина p-n-перехода приблизительно 0,5 мкм. Далее на поверхность сформированного p-n- перехода ионно-плазменным осаждением был нанесен слой 2 CdZnOxN1-x толщиной 50 нм, с удельным сопротивлением 110-3 Омсм и шириной запрещенной зоны Eg2 2,5 эВ. Параметры CdZnOxN1-x были подобраны таким образом, чтобы данный слой являлся антиотражающим покрытием к кремнию, поглощал кванты света из диапазона, в котором внутренний квантовый выход в кремнии меньше 1, и обеспечивал перенос носителей заряда. К слою 4 был сделан омический контакт. Сверху на слой CdZnOxN1-x была нанесена металлическая коллекторная сетка с целью улучшения сбора электрического тока.

На фиг. 2 представлены BAX исследуемой структуры с площадью 0,62 см2 при освещении светом, соответствующем интенсивности стандарта АМ1 (0,1 Вт/см2). Видно, что Vxx 0,512 В, Iкз 44 мА/см2 FF 0,73 (кривая 2). Эффективность преобразования структуры 17% Параметры p-n-перехода без слоя 2 были следующими: Vxx 0,501 В, Iкз 33 мА/см2 FF 0,66 (кривая 1). Эффективность преобразования 11%

При изготовлении предлагаемого преобразователя слой 2 на основе соединений типа AIIBVI, например CdZnOxN1-x, может быть получен вакуумными ионно-плазменными методами, например магнетронным распылением Cd1-xZnx мишени в смеси газов, содержащей кислород (например, O2+N2, O2+Ar и т.д.). Осаждение может проводиться как на нагреваемую, так и на охлаждаемую подложку. Преобразователь может быть применен в составе источника электрической энергии, в том числе, в качестве составной части другого, более сложного устройства, преобразующего энергию солнечной радиации и иных источников светового излучения.

Описание предложенного устройства иллюстрируется следующими чертежами:

На фиг. 1 схематически изображена конструкция устройства; на фиг. 2 - энергетическая зонная диаграмма предлагаемого устройства, где Ec - энергия дна зоны проводимости, Ev энергия потолка валентной зоны, EF энергия уровня Ферми; на фиг. 3 вольт-амперные характеристики преобразователя на основе p-n-перехода до создания поверхностного гетероперехода (кривая 1) и лучшего варианта осуществления предлагаемого устройства (кривая 2) при освещении солнечным светом с интенсивностью 0,1 Вт/см2; на фиг. 4 спектральная зависимость коэффициента поглощения (А) слоя CdZnOxN1-x; на фиг. 5 коэффициента отражения света (R) от предлагаемого устройства в зависимости от длины волны падающего света.

Список литературы.

1. Заявка на патент N 4010302, кл. H 01 L 31/0376, опубл. 30.03.90.

2. Sites J.R. Current Mechananisms and Barrier Height in ITO / Si Heterojunctions, Inst. Phys. Conf. Ser. 43, Chap. 22 (1979).

3. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Москва: Мир, 1984, том 2.

4. И. П.Гаврилова, В.М.Евдокимов, М.М.Колтун, В.П.Матвеев, Е.С.Макаров, Физика и техника полупроводников, т.8, в.1, 1974, с.119-124. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Преобразователь световой энергии в электрическую, содержащий лицевой и тыльный металлические электроды, заключенный между ними р-n-переход, состоящий из полупроводникового слоя первого типа проводимости и полупроводникового слоя второго противоположного первому типа проводимости, отличающийся тем, что между полупроводниковым слоем второго типа и лицевым электродом размещен слой широкозонного и сильнолегированного по отношению к слоям первого и второго типа проводимости полупроводника второго типа проводимости, образующий поверхностный изотипный гетеропереход с полупроводниковым слоем второго типа проводимости и при этом являющийся одновременно:

антиотражающим покрытием по отношению к полупроводниковому слою второго типа проводимости;

собирающим носители заряда со всей поверхности преобразователя;

генерирующим электрон-дырочные пары за счет поглощения света в синем диапазоне видимого солнечного спектра.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что уровень легирования и толщина полупроводникового слоя второго типа проводимости выбираются такими, чтобы области пространственного заряда р-n-перехода и поверхностного изотипного гетероперехода перекрывались.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые слои первого и второго типа проводимости выполнены из полупроводников с разной запрещенной зоной.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что слой широкозонного полупроводника выполнен из материала, принадлежащего к группе AIIBVI, включающей CdSnO, CdZnOx N1-x, CdO, CdS, CdTl.




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