WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Характеристики кремниевых многопереходных солнечных элементов с вертикальными p-n-переходами © Е.Г. Гук, Т.А. Налет, М.З.Шварц, В.Б.Шуман Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 21 ноября 1996 г. Принята к печати 25 ноября 1996 г. ) Для изготовления многопереходных кремниевых солнечных элементов с вертикальными p-n переходами разработана относительно простая технология (без применения фотолитографии), основанная на диффузионной сварке и ионно-плазменном осаждении диэлектрического покрытия. Эффективный коэффициент собирания таких структур не зависит от длины волны падающего света в интервале длин волн = 340 1080 нм.

Еще на начальном этапе развития полупроводниковой при изготовлении планарных КСЭ [5]. Для успешной солнечной энергетики обсуждался вопрос о том, как це- пассивации поверхности необходимо было исключить лесообразнее располагать p-n-переходы по отношению пайку мягким припоем при соединении пластин, испольк направлению падающего света — перпендикулярно зованную в [3,4], и заменить ее методами, применяемыили параллельно [1,2]. Расчеты и эксперименты показа- ми в силовой технике и микроэлектронике (например, ли, что при параллельном расположении p-n-перехода диффузионной сваркой [6]). Для пассивации поверхноотносительно падающего излучения рекомбинация ге- сти было применено широко используемое в настоящее нерированных светом носителей заряда на освещенной время осаждение диэлектрических пленок SiO2 [7].

поверхности играет существенно большую роль, чем В настоящей работе для изготовления КСЭ испольпри перпендикулярном. Поскольку долгое время реше- зованы пластины кремния p-типа (КДБ-12) диаметром ние задачи пассивации поверхности наталкивалось на 40 60 мм, толщиной 300 мкм, на которых путем посленеразрешимые трудности, кпд кремниевых солнечных довательной диффузии бора и фосфора из полимерных элементов (КСЭ) с вертикальными p-n-переходами был источников [8] получена p+-p-n+-структура. Толщимал — 0.8% [3], 8%[4]. Поэтому планарная конструкция на диффузионных слоев составляла 1 мкм. После дифстала основной. Вместе с тем ранее отмечалось [1,2], фузии фосфора проводился 15-часовой отжиг пластин что КСЭ с вертикальными p-n-переходами имеют ряд при 720C для геттерирования примесей с глубокими существенных преимуществ по сравнению с планарной уровнями. Эта технология обеспечивает время жизни конструкцией:

электронов (измеряемое методом Лэкса [9]) в преде1) отсутствуют взаимно противоречивые требования лах 45 55 мкс, т. е. диффузионная длина электронов к слоевому сопротивлению эмиттера, спектральной чув- превышала толщину базы. После стравливания окисных ствительности, площади контактной сетки и т. д.; слоев на поверхность пластины напылялся алюминий 2) поскольку на фронтальной и тыльной поверхности при 350C. Диффузионная сварка проводилась двумя таких КСЭ нет металлизации, они прозрачны в длин- способами. В первом случае для проведения диффузионноволновой области спектра за краем основной полосы ной сварки пластины складывались в стопку, во втором поглощения. Поэтому равновесная рабочая температура варианте пластины чередовались с силуминовыми проих должна быть ниже, чем у планарного аналога; кладками толщиной 30 40 мкм. Дальнейшие исследова3) они являются двухсторонними и могут служить ния показали, что характеристики полученных образцов составной частью каскадных солнечных элементов (СЭ); близки, но в первом варианте ”затенение” составляло 4) КСЭ с вертикальными p-n-переходами генерируют, 1%, а во втором 10%. Диффузионную сварку пров отличие от планарных, высокое напряжение (за счет водили в вакууме при 550C с приложением давления, последовательного соединения элементов) и малый ток достаточного для создания необходимой пластической при той же мощности. Это приводит к повышению деформации алюминия и силумина. Далее проводили эффективности батареи, собранной из таких элементов, резку сформированной стопки пластин алмазным диском за счет снижения потерь, возникающих при создании на отдельные элементы, схематически показанные на сильноточных элементов. рис. 1, размером 5 1.2 1 мм. Наружный слой с наруЯсно, что реализовать эти преимущества можно толь- шенной в результате резки кристаллической структурой ко с учетом последних достижений технологии кремни- удалялся последовательными шлифовкой, механической евых приборов. Цель настоящей работы — разработка полировкой и кислотным травлением.

эффективной технологии изготовления многопереход- Пассивирующее покрытие (слой SiO2 толщиной ных концентраторных солнечных элементов с вертикаль- 100 ) и двухслойное четвертьволновое просветляными p-n-переходами. Так, например, формирование ющее покрытие, состоящее из Si3N4 и SiO2, получали p+-p-n+-структуры осуществлялось диффузией из по- в установке ионно-плазменного распыления триодного лимерных источников, хорошо зарекомендовавших себя типа методом ионно-плазменного реактивного распыле856 Е.Г. Гук, Т.А. Налет, М.З.Шварц, В.Б.Шуман сформированные многопереходные КСЭ имеют высокую чувствительность и в инфракрасной (ИК), и в ультрафиолетовой (УФ) областях спектра. В ИК области высокое собирание неосновных носителей обусловлено уменьшением расстояния (по сравнению с планарной структурой), которое носители проходят до их разделения вертикальными p-n-переходами. В УФ области спектра наблюдается высокое собирание носителей, связанное с тем, что УФ излучение поглощается не в сильно легированном эмиттере, а непосредственно в слабо легированной базе, имеющей большую диффузионную длину и низкую скорость поверхностной рекомбинации. Таким образом, эффективный коэффициент собирания носителей практически не зависит от длины волны в широком диапазоне длин волн (340 1080 нм). Этот эффект был Рис. 1. Нагрузочная характеристика КСЭ, содержащего 4 по- ранее предсказан из общих соображений [10].

следовательно соединенных p-n-перехода, при интенсивности Для измерения абсолютной токовой чувствительности освещения 22 солнца. На врезке изображена структура КСЭ:

КСЭ использовался малогабаритный имитатор солнеч1 — p+-слой, 2 — n+-слой.

ного излучения, калиброванный на условия освещения АМО. При этом ток короткого замыкания (Isc), рассчитанный на фотоактивную поверхность одной структуры, имел величины в интервале 27.5 30 мА/см2 (АМО, ния кремниевой мишени в атмосфере кислорода (для 25C). Нагрузочные характеристики КСЭ, состоящих из формирования слоя SiO2) или азота (для напыления слоя 4-х последовательно соединенных p-n-переходов, измеSi3N4) при рабочих давлениях (5 7) · 10-4 мм рт.ст. Для рялись под импульсным имитатором концентрированнополучения высокого вакуума и формирования рабочей го солнечного излучения (АМО, 25C). Характеристика газовой среды использована безмасляная гетеро-ионная одного из образцов при концентрации солнечного изоткачка магнито-разрядным титановым насосом. Эти налучения K = 22 приведена на рис. 1. Напряжение сосы обеспечивают высоковакуумную откачку рабочей холостого хода (Uoc) на этом КСЭ достигало 2350 мВ, камеры и эффективную очистку рабочей газовой среIsc = 8 мА, а коэффициент заполнения (FF) составил ды от неконтролируемых газовых примесей-окислителей 0.8. Высокая величина FF свидетельствует о малом по(вода, кислород). Такая очистка газовой среды обуслоследовательном сопротивлении ( 10-2 Ом/ ) в расчете влена высокой эффективностью откачки, присущей этона одну структуру, достигнутом благодаря сплошной му типу насосов. Например, скорость откачки кислорода металлизации сильно легированных p+- и n+-слоев. Кпд приблизительно в 10 раз выше скорости откачки азота и преобразования излучения () при 22 солнцах составляпочти в 100 раз выше скорости откачки аргона. Разрабоет более 11% (АМ 1.5).

танная технология позволяет получать слои Si3N4 с коэффициентом преломления n2 = 1.96 ± 0.02 и слои SiO2 с n1 = 1.48 ± 0.02. Слои наносились на просветляемую поверхность в едином вакуумном цикле. Их толщина определялась требованием оптимального просветления поверхности в области длины волны 800 нм. Использование пассивирующего и просветляющего покрытия привело к росту фототока примерно вдвое по сравнению с образцами, имевшими механически полированную поверхность.

Спектральная зависимость коэффициента отражения (R) одного из образцов представлена на рис. 2 кривой 3. Двухслойное просветляющее покрытие дает по сравнению с однослойным покрытием более широкую спектральную область малых значений коэффициента отражения — в интервале = 710 1010 нм значение R не превышает 5%. Спектральная зависимость коэффициента собирания носителей (Q) для того же Рис. 2. Спектральные характеристики КСЭ: 1 — эффективный образца показана на рис. 2 (кривая 2), а эффективного внутренний коэффициент собирания; 2 — внешний коэффикоэффициента собирания — Q(1 - R) — кривой циент собирания; 3 — коэффициент отражения от лицевой того же рисунка. Как видно из приведенных данных, поверхности.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Характеристики кремниевых многопереходных солнечных элементов... Таким образом, разработанная технология впервые позволила получить на основе промышленного кремния концентраторные солнечные элементы с вертикальными p-n-переходами, имеющие вполне удовлетворительные характеристики. Высокая чувствительность в УФ области позволяет использовать эти структуры в качестве датчиков в этой области спектра.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант N 96-02-17903).

Список литературы [1] А. Фаренбрух, Р. Бьюб. Солнечные элементы. Теория и эксперимент (М., Энергоатомиздат, 1987) с. 182.

[2] М.М. Колтун. Оптика и метрология солнечных элементов (М., Наука, 1985) с. 30.

[3] А.П. Ландсман, Д.С. Стребков. ФТП, 4, 1922 (1970).

[4] C. Goradia, M.G. Goradia. 12th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Buton Rouge, La, 1976) p. 789.

[5] Е.Г. Гук, Н.С. Зимогорова, М.З. Шварц, В.Б. Шуман, Н.А. Токранова. Письма ЖТФ, 21, 40 (1995).

[6] Г.Н. Сурженков, Е.Д. Хуторянский, О.М. Корольков. В сб.: Технология силовых полупроводниковых приборов (Таллин, Валгус, 1987) с. 47.

[7] Технология СБИС, под ред. С. Зи (М., Мир, 1986) т. 1, с. 125.

[8] Е.Г. Гук, А.В. Ельцов, В.Б. Шуман, Т.А. Юрре. Фоторезисты-диффузанты в полупроводниковой технологии (Л., Наука, 1984) с. 47.

[9] D. Lax, S.F. Neustadter. J. Appl. Phys., 25, 1148 (1954).

[10] В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения (Л., Наука, 1989) с. 116.

Редактор В.В. Чалдышев Characteristics of silicon multijunction solar cells with vertical p-n junctions E.G. Guk, T.A. Nalet, M.Z. Shwarts, V.B. Shuman A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Adademy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

A relatively easy technique (without a photolithography) based on the diffusion welding and ion–plasma deposition of a dielectric coating is developed for manufacturing multijunction silicon solar cells with vertical p-n-junctions. The external quantum yield of such structures does not depend on the illumination wavelength in the wavelength region = 340 1080 nm.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.