Способ изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ(71) Заявители Латышев Сергей Викторович Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Денисенко Михаил Фдорович Латышев Сергей Викторович Леонов Василий Севастьянович Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатели Латышев Сергей Викторович Сычик Василий Андреевич(57) Способ изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую, в котором на монокристаллической подложке из широкозонного полупроводника -типа проводимости создают структуру в виде совокупности столбиков, на которой последовательно формируют эпитаксиальный -слой собственной проводимости, слой -типа проводимости и -слой, образуя таким образом фоточувствительную структуру из одного и того же широкозонного полупроводника, а затем наносят на -слой электропроводящий просветляющий слой из оптически прозрачного материала и жестко электрически соединяют получившуюся структуру -стороной с металлическим основанием, а затем формируют на просветляющем слое внешний металлический вывод. Изобретение относится к технологии создания полупроводниковых фоточувствительных приборов с потенциальным барьером, в частности к технологии преобразователей солнечной энергии. Известен способ изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую 1, с помощью которого полупроводниковый слой изготовляют путем измельчения полупроводникового материала в порошок, нагрева порошка и спекания до образования полупроводникового слоя. 15176 1 2011.12.30 Этот способ преобразователя солнечной энергии сложен в реализации, трудоемок,энергозатратен. Известен также способ изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую 2, включающий операции образования на поверхности полупроводниковой подложки структуры параллельно расположенных канавок путем механического удаления или травления, нанесения на всю структурированную поверхность пассивирующего слоя и срезания возвышенностей гребней на глубину пассивирующего слоя. На платообразные области, а также на один из скосов каждой области наносят светопроводящий материал. Этот способ также сложен в реализации, трудоемок, энергозатратен. Прототипом предлагаемого изобретения является способ изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую с фоточувствительной структурой 3, который включает операции формирования - и -областей на основании фоточувствительной структуры,легирования донорной и акцепторной примесью монокристаллической полупроводниковой подложки, термоотжиг пролегированной полупроводниковой - и -структуры при температуре (540500) С в заданном временном интервале, последующее охлаждение подложки с структурой со скоростью не более 2 С/мин и формирование омических контактов к областям структуры. Недостатками способа-прототипа являются а) низкопроизводительная технология изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую, обусловленная диффузией легирующей примеси при низкой температуре процесса б) невысокая надежность работы омического контакта, формируемого пайкой, отсутствие сильнолегированных слоев между омическим контактом и переходом в) неэффективно используется активная поверхность фоточувствительной структуры,что приводит к существенному снижению выходного тока и мощности г) нестабильная работа преобразователя солнечной энергии при колебаниях температуры окружающей среды и невысокая его выходная мощность. Техническим результатом изобретения является увеличение активной поверхности фоточувствительной структуры выходной мощности с одновременным повышением стабильности работы устройства. Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую, в котором на монокристаллической подложке из широкозонного полупроводника -типа проводимости создают структуру в виде совокупности столбиков, на которой последовательно формируют эпитаксиальный -слой собственной проводимости, слой -типа проводимости и -слой, образуя таким образом фоточувствительную структуру из одного и того же широкозонного полупроводника, а затем наносят на -слой электропроводящий просветляющий слой из оптически прозрачного материала и жестко электрически соединяют получившуюся структуру -стороной с металлическим основанием, а затем формируют на просветляющем слое внешний металлический вывод. Параметры преобразователя солнечной энергии в электрическую размером 4446 мм,полученного предложенным способом, составляют выходная мощность 1,2 Вт при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2, ток 1,2 А, что в пять раз выше,чем преобразователь солнечной энергии, изготовленный способом-прототипом. Технология изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую. На полупроводниковой монокристаллической подложке -типа проводимости из широкозонного полупроводника, например, кремния, легированной донорной примесью фосфором с концентрацией (10201021) см-3, толщиной (0,10,3) мм, формируют методом фотолитографии и жидкофазного травления по стандартной технологии столбиковую структуру, состоящую из столбиков диаметром (10100) микрон, высотой каждый(10150) микрон и расстоянием между столбиками (10100) микрон. 2 15176 1 2011.12.30 На сформированную -подложку со столбиковой поверхностью методом газофазной эпитаксии - хлоридным или гидридным методом конформно, то есть равномерной толщиной по всей столбиковой поверхности, наносят эпитаксиальный -слой широкозонного полупроводника - кремния собственной проводимости толщиной (1,02,0) мкм, то есть толщиной (0,50,9) , поскольку диффузионная длина носителей заряда в собственном полупроводнике выше, чем в приемном. Температура нагрева в зоне реакции при гидридной эпитаксии(600700) С, а средняя скорость наращивания эпитаксиального слоя составляет (2030) /сек. Методом термической диффузии на -слое широкозонного полупроводника (кремния) формируют -слой, легированный акцепторной примесью - бором с концентрацией(10161017) см-3, толщиной (0,30,6) мкм. Температура процесса диффузии бора(10001100) С, а время процесса составляет (0,60,9) часа. Методом термической диффузии на -слое кремния формируют -слой, легированный акцепторной примесью - бором с концентрацией(10201021) см-3, толщиной(0,10,3) мкм. Температура процесса диффузии бора(10001100) С, а время процесса формирования -слоя составляет (0,20,5) часа. В результате термической диффузии на -слое кремния толщиной (0,50,9)формируется -слой кремния толщиной (0,20,4)и -слой кремния толщиной (0,10,2) . На сформированный -слой широкозонного полупроводника - кремния наносят методом ионно-плазменного распыления электропроводящий слой из светопрозрачного материала, например, из окиси олова-индия толщиной (1,02,0) мкм, который является омическим контактом к -слою широкозонного полупроводника и просветляющим слоем. Скорость нанесения электропроводящего слоя составляет (1030) /сек, а температура процесса(300450) С. Методом вакуумного напыления наносят на -подложку с обратной столбиковой поверхности стороны слой алюминия толщиной (0,30,5) мкм. С помощью электропроводящего клея, представляющего смесь эпоксидной смолы и алюминиевого или серебряного порошка, приклеивают сформированную фоточувствительную структуру к алюминиевому основанию по стандартной технологии. Затем методом приклеивания электропроводящим клеем на основе эпоксидной смолы и серебряного порошка присоединяют внешние алюминиевые выводы к электропроводящему слою из светопрозрачного материала. Завершающей операцией способа изготовления преобразователя солнечной энергии в электрическую является термообжиг, сформированной фоточувствительной структуры в инертной среде в течение (1015) минут при температуре (200400) С для создания надежных омических контактов к - и -слоям. Пример Изготовление преобразователя солнечной энергии в электрическую на монокристаллической кремниевой подложке -типа проводимости с фоточувствительной структурой в соответствии с представленной на фиг. 1 схемой. 1. На кремниевой монокристаллической подложке 1 -типа проводимости с концентрацией донорной примеси 1021 см-3, ориентированной в плоскости (111) и с совершенной поверхностью, размером 4646 мм, толщиной 0,2 мм, формируют методом фотолитографии и жидкостного травления по стандартной технологии столбиковую структуру, состоящую из столбиков диаметром 40 мкм, высотой каждой 100 мкм и расстоянием между столбиками 10 мкм. 2. На сформированную на -монокристаллической подложке 1 столбиковую поверхность наносят методом гидридной эпитаксии из газовой фазы равномерный по толщине эпитаксиальный -слой 2 кремния собственной проводимости толщиной 1,5 мкм. Температура процесса эпитаксиального наращивания -слоя 2650 С, а средняя скорость наращивания -слоя 2 составляет 25 /сек. 3 15176 1 2011.12.30 3. Методом термической диффузии на -слое 2 кремния формируют -слой 3 кремния путем легирования акцепторной примесью - бором до концентрации 1016 см-3, толщиной 0,5 мкм. Температура процесса диффузии бора 1100 С, а время процесса составляет 0,6 часа. 4. Методом термической диффузии на -слое 3 кремния формируют -слой 4 кремния,легированный акцепторной примесью - бором до концентрации 1021 см-3, толщиной 0,1 мкм. Температура процесса диффузии бора 1100 С, а время процесса формирования -слой 4 составляет 0,2 часа. 5. На сформированный -слой 4 кремния наносят равномерно методом ионноплазменного распыления электропроводящий слой 5 из светопрозрачного материала окиси олова-индия толщиной 1,5 микрон, который является омическим контактом к-слою 4 и просветляющим слоем. Скорость нанесения электропроводящего слоя 5 составляет 20 /сек, а температура нагрева -подложки 1350 С. 6. Методом вакуумного напыления наносят на кремниевую монокристаллическую подложку 1 с обратной столбиковой поверхности стороны слой алюминия 6 толщиной 0,5 мкм. Температура нагрева -подложки 1350 С, а скорость нанесения слоя 50 /сек. Слой алюминия 6 является омическим контактом к -подложке 1. 7. Размещают кремниевую монокристаллическую подложку 1 со сформированной светочувствительной столбиковой структурой на алюминиевом основании 7 размером 4848 мм, толщиной 1 мм и жестко соединяют ее с алюминиевым основанием 7 с помощью электропроводящего клея 70 алюминиевый порошок 30 эпоксидная смола. Алюминиевое основание 7 - это нижний вывод преобразователя солнечной энергии в электрическую. 8. Присоединяют к верхнему омическому контакту - электропроводящему слою 5 верхний внешний вывод 8 в виде алюминиевой рамки с внешними размерами 4848 мм,внутренними размерами 4444 мм и толщиной 1 мм путем приклеивания его электропроводящим клеем состава 70 порошок 30 эпоксидная смола. 9. Производят термоотжиг изготовленного преобразователя солнечной энергии в электрическую с фоточувствительной структурой в инертной среде в течение 15 минут при температуре 350 С для создания надежных омических контактов к - и-слоям кремния. Изготовленный предложенным способом преобразователь солнечной энергии в электрическую с фоточувствительной столбиковой структурой в виде двух последовательно соединенных переходов широкозонного полупроводника - кремния размером рабочей поверхности 4646 мм обладает следующими параметрами рабочий ток при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2 составляет 1,2 А, рабочее напряжение 0,9 В, полезная мощность Рвых 1,2 Вт. Технико-экономические преимущества преобразователя солнечной энергии в электрическую, полученного предлагаемым способом, в сравнении с полученным способомпрототипом 1. Более чем в 5 раз повышается активная площадь фоточувствительной структуры. 2. Более чем в 5 раза возрастает выходной электрический ток и выходная мощность. Источники информации 1.02148876, МПК 601 31/18. 2.02122259, МПК 601 31/18. 3.9339 1, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4