полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)
Классы МПК: | H01L31/042 содержащие панели или матрицы фотоэлектрических элементов, например солнечных элементов |
Автор(ы): | Стребков Дмитрий Семенович (RU), Поляков Владимир Иванович (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-12-28 публикация патента:
27.09.2013 |
Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью выполнен в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-p-p+(p+n-n+) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователя соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом , 30°<
<150°, к рабочей поверхности генератора, по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия. В другом варианте по всей площади рабочей поверхности генератора с двух сторон генератора размещены пассивирующие и просветляющие пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния. Изобретение обеспечивает повышение КПД фотоэлектрического генератора и повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.


Формула изобретения
1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-p-p+(p +n-n+) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователя соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом , 30°<
<150°, к рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия на основе диэлектрика.
2. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что плоскости пассивирующей пленки и просветляющего покрытия выполнены перпендикулярно плоскости диодных n+-p-p +(p+n-n+)-структур.
3. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-p-p+(p+n-n+) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователей соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом , 30°<
<150°, к рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что по всей площади рабочей поверхности генератора с двух сторон генератора размещены пассивирующие и просветляющие пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.
4. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.3, отличающийся тем, что плоскости нассивирующей просветляющей пленки выполнены перпендикулярно плоскости диодных n+-p-p+(p+n-n+)-структур.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам.
Известен полупроводниковый фотоэлектрический генератор (а.с 288163 СССР, 1967 г., МПК H01L 31/042), выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости p-n-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора.
Недостатком указанного преобразователя является недостаточно высокая эффективность преобразования.
В качестве прототипа принята конструкция полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от n-p-переходов, размещена изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, на которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм с расстоянием между нанокластерами 60-120 нм, а над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-p-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от p-n-переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.
В другом варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-p - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от p-n -переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, при этом изолирующая пленка выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия (патент РФ № 2336596, 2007, МПК H01L 31/042. Опубл. 20.10.2008. Бюл. № 29).
Недостатком указанного полупроводникового фотоэлектрического генератора является недостаточно высокая эффективность преобразования.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД фотоэлектрического генератора, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения.
Вышеуказанный результат достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-p-p+(p+n-n*) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователя соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом , 30°<
<150°, к рабочей поверхности генератора, по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия.
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора плоскости пассивирующей пленки и просветляющего покрытия выполнены перпендикулярно плоскости диодных n+-p-p+(p+-n-n+ ) структур.
Также повышение КПД и эффективности преобразования достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n+-p-p+(p+-n-n+ ) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователей соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом , 30°<
<150°, к рабочей поверхности генератора, по всей площади рабочей поверхности генератора с двух сторон генератора размещены пассивирующие и просветляющие пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.
В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора плоскости пассивирующей и просветляющей пленки выполнены перпендикулярно плоскости диодных n+ -p-p+(p+-n-n+) структур.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-2.
На фиг.1 показаны основные элементы конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, которого плоскости диодных p +-n-n+ структур наклонены под углом 60° к рабочей поверхности генератора с пассивирующей пленкой на основе окисла цинка и просветляющим покрытием из диэлектрика. На фиг.2 показаны основные элементы конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, которого плоскости диодных n+-p-p + структур перпендикулярны рабочей поверхности генератора с пассивирующей пленкой на основе оксида алюминия и оксида цинка на двух поверхностях генератора, которая совмещена с просветляющим покрытием.
На фиг.1 фотоэлектрический генератор состоит из микрофотопреобразователей 1 с диодными p+ -n-n+ структурами, плоскости которых наклонены под углом =60° к рабочей поверхности 2 генератора, содержащих p+-область 3, p+-n-переходы 4, базовую область 5 n-типа и p+-область 6, внешних металлических контактов 7, внутренних металлических контактов 8, пассивирующей пленки 9, просветляющего покрытия из диэлектрика 10. Один или два линейных размера микрофотопреобразователей 1 соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области 5. Пассивирующая пленка 9 выполнена из оксида цинка и расположена на двух рабочих поверхностях 3 по всей площади поверхности генератора, толщина пленки 9 10-60 нм. Над пленкой 9 расположен слой просветляющего покрытия из диэлектрика 10.
На фиг.2 микрофотопреобразователи 1 с диодными n+-p-p+ структурами, плоскости которых перпендикулярны рабочей поверхности 2 генератора, содержат n+-область 11, n+-p переход 12, базовую область 13 p-типа и p+-область 14, на каждой из двух рабочих поверхностях 2 генератора по всей их площади нанесена пассивирующая пленка 15, выполненная из оксида алюминия и оксида цинка, которая выполняет также функцию просветляющего покрытия.
Полупроводниковый фотоэлектрический генератор работает следующим образом.
Падающее на рабочую поверхность 2 (фиг.1) электромагнитное излучение через просветляющее покрытие 10 и пассивирующую пленку 9 поступает на рабочие поверхности 2 микрофотопреобразователей 1. Происходит поглощение фотонов, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением неосновных неравновесных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем p+-n - перехода 4, что вызывает во внешней цепи фототок, направленный к базовой области 5. Одновременно излучение поступает на пассивирующую пленку 15. Встроенные электрические заряды в пассивирующей пленке активизируются излучением и создают электрическое поле, которое ускоряет неосновные носители заряда - дырки в базовой области n - типа при их движении от рабочей поверхности 2.
Это приводит к снижению потерь на поверхностную рекомбинацию на рабочих поверхностях 2 генератора и увеличению фототока и КПД в 10 раз.
В полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе на фиг.2 электромагнитное излучение поступает непосредственно на пассивирующую пленку 15, которая выполняет функцию просветляющего покрытия. Сочетание оптических и зарядовых характеристик позволяет в ряде случаев использовать пассивирующую пленку 15 в качестве просветляющего покрытия. Для полупроводникового фотоэлектрического генератора с вертикальными диодными структурами на фиг.2 функция генерации не зависит от расстояния от n+-p-перехода 12, что создает возможность равномерной генерации носителей заряда в пространстве базовой области 13 между n+-p-переходом 12 и изотипным p-p +-переходом и модуляции проводимости базовой области 13 под действием излучения и электрических зарядов в пассивирующей пленке 15, что приводит к снижению последовательного сопротивления и увеличению коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики в реальных условиях эксплуатации по сравнению с известными конструкциями генераторов.
Пример выполнения полупроводникового фотоэлектрического генератора.
Пример 1. Фотоэлектрический генератор представляет собой матрицу из скоммутированных микрофотопреобразователей 1 с вертикальными диодными n+-p-p+ структурами. Микрофотопреобразователи 1 выполнены из кремния p-типа с вертикальными диффузионными n+-p и p+-p-переходами и сплошными вертикальными омическими контактами из никеля и олова. На двух рабочих поверхностях генератора размещена пассивирующая пленка 15 окиси алюминия Al2O3 толщиной 30 нм, на которой расположен слой просветляющего покрытия 10 из диэлектрика типа нитрида кремния SixNy .
Пример 2. Фотоэлектрический генератор представляет собой многослойную матрицу из диодных n+-p+ структур с базовой областью n-типа. На двух рабочих поверхностях 2 генератора размещена пассивирующая пленка 9 оксида цинка ZnO толщиной 60-100 нм, которая выполняет функции просветляющего покрытия.
Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, возможно создание в микрофотопреобразователях дополнительных р-n- или изотопных переходов, а также создание косоугольных матриц.
Класс H01L31/042 содержащие панели или матрицы фотоэлектрических элементов, например солнечных элементов