Способ изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Латышев Сергей Викторович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Способ изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии, в котором на поверхности монокристаллической подложки из широкозонного полупроводника -типа проводимости последовательно формируют из того же широкозонного полупроводника -слой, эпитаксиальный -слой собственной проводимости и первый-слой, осуществляют травление противоположной поверхности подложки до толщины 1-2 мкм, формируют на противоположной поверхности подложки второй -слой, образуя таким образом фоточувствительную структуру из одного и того же широкозонного полупроводника, наносят на первый -слой электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой и жестко электрически соединяют получившуюся структуру вторым -слоем 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 полупроводникового преобразователя солнечной энергии 1, с помощью которого полупроводниковый слой изготовляют путем измельче 18229 1 2014.06.30 ния полупроводникового материала в порошок, нагрева порошка и спекания до образования полупроводникового слоя. Этот способ изготовления преобразователя солнечной энергии сложен в реализации, трудоемок, энергозатратен. Известен также способ изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии 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 электропроводящий материал. Этот способ также сложен в реализации, трудоемок, энергозатратен. Прототипом предлагаемого изобретения является способ изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии с фоточувствительной структурой 3, который включает операции формирования областей на основании фоточувствительной структуры, легирования донорной и акцепторной примесью монокристаллической полупроводниковой подложки и формирование омических контактов к областям структуры. Недостатками способа-прототипа являются а) низкопроизводительная технология изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии, обусловленная низкотемпературной диффузией легирующей примеси длительным во времени процессом формирования решетчатой фоточувствительной структуры б) невысокая рабочая температура изготовленного данным методом преобразователя солнечной энергии, поскольку в формируемой фоточувствительной структуре нет элемента термоохлаждения в) нестабильная работа преобразователя солнечной энергии при колебаниях температуры окружающей среды и невысокая его выходная мощность. Техническим результатом изобретения является увеличение рабочей температуры с одновременным повышением стабильности работы устройства, сокращение длительности процесса формирования полупроводникового преобразователя солнечной энергии. Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии на поверхности монокристаллической подложки из микрозонного полупроводника -типа проводимости последовательно формируют из того же широкозонного полупроводника -слой, эпитаксиальный -слой собственной проводимости и первый -слой, осуществляют травление противоположной поверхности подложки до толщины 1-2 мкм, формируют на противоположной поверхности подложки второй -слой, образуя таким образом фоточувствительную структуру из одного и того же широкозонного полупроводника, наносят на первый -слой электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой и жестко электрически соединяют получившуюся структуру вторым -слоем с металлическим основанием, а затем формируют на просветляющем слое внешний металлический вывод. Параметры полупроводникового преобразователя солнечной энергии, полученного предложенным способом, составляют выходная мощность 40-50 мВт/см 2 при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2, ток 15 м/см 2, его рабочая температура Тр 2 С, что почти в 10 раз выше, чем преобразователя солнечной энергии,изготовленного способом-прототипом. Технология изготовления полупроводникового преобразования солнечной энергии. На полупроводниковой монокристаллической подложке -типа проводимости из широкозонного полупроводника, например кремния, легированным бором с концентрацией 1016 - 1019 см-3 толщиной 0,3 мм формируют методом термической диффузии слой-типа проводимости, легированный донорной примесью - фосфором с концентрацией примеси 1016 - 1019 см-3 толщиной 0,6-1,2 мкм. Температура процесса диффузии фосфора составляет 1100-1200 С, а время процесса диффузии 0,2-0,8 ч. 2 18229 1 2014.06.30 На сформированный -слой методом газофазной эпитаксии - гидридным методом - наращивают эпитаксиальный слой кремния собственной проводимости толщиной 0,9-1,6 мкм, то есть толщиной 0,7-0,9 , поскольку диффузионная длина носителей заряда в собственном полупроводнике выше, чем в примесном. Температура нагрева в зоне реакции 600700, а средняя скорость наращивания эпитаксиального слоя составляет 20-30 /с. Методом термической диффузии на -слое широкозонного полупроводника, например кремния, формируют сильнолегированный -слой, легированный акцептной примесью бором с концентрацией примеси 1020 - 1021 см-3. Температура процесса диффузии бора 1000-1100 , а время процесса составляет 0,3-0,8 ч. Стравливают обратную сторону монокристаллической полупроводниковой подложки-типа, например кремниевой, методом ионно-плазменного травления до требуемой толщины в пределах 1,0-2,0 мкм. Скорость травления составляет 30-40 /с, а температура процесса 300-400 С. На сформированный -слой широкозонного полупроводника со стороны -слоя наносят методом электронно-лучевого испарения или ионно-плазменного распыления проводящий слой из светопрозрачного материала, например из окиси олова или окиси индия толщиной 1,5-2 мкм, который является омическим контактом к -слою широкозонного полупроводника и просветляющим слоем. Скорость нанесения проводящего слоя составляет 30-60 /с, а температура процесса Т 350-450 С. Методом термической диффузии на поверхности кремниевой монокристаллической подложки формируют сильнолегированный -слой толщиной 0,1-0,3 мкм введением акцепторной примеси - бора с концентрацией 1020-1021 см-3. Температура термической диффузии бора 1000-1100 , а время процесса составляет 0,2-0,5 ч. 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 приклеивают внешние алюминиевые выводы к электропроводящему слою из светопрозрачного материала. Завершающей операцией способа изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии является термоотжиг сформированной фоточувствительной структуры в инертной среде в течение 10-15 мин при температуре 300-400 С для создания надежных омических контактов к -слоям широкозонного полупроводника (кремния). Пример. Изготовление полупроводникового преобразователя солнечной энергии на монокристаллической кремниевой подложке с фоточувствительной структурой типа с омическими контактами в соответствии с представленной на фигуре схемой. 1. На кремниевой монокристаллической подложке 1 -типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси - бора 1017 см-3, ориентированной в плоскости (111) и с совершенной поверхностью, размером 4848 мм, толщиной 0,2 мм формируют методом термической диффузии -слой 2 толщиной 0,9 микрона путем введения донорной примеси - фосфора с концентрацией 1017 см-3. Температура процесса диффузии бора Т 1100 С , а время процесса 0,6 ч. 2. На сформированный -слой 2 методом гидридной эпитаксии из газовой фазы наносят эпитаксиальный -слой 3 кремния собственной проводимости толщиной 1,3 микрона. Температура процесса эпитаксиального наращивания -слоя 3 Т 650 С , а средняя скорость наращивания -слоя 3 составляет 25 /с. 3. Методом термической диффузии на эпитаксиальном -слое 3 кремния формируют сильнолегированный -слой 4 путем введения акцепторной примеси - бора с концентра 3 18229 1 2014.06.30 цией 5 1020 см -3 толщиной 0,4 микрона. Температура процесса диффузии бора Т 1100 С , а время процесса легирования составляет 0,5 ч. 4. Стравливают обратную сторону монокристаллической подложки 1 методом ионноплазменного травления в реактивной среде 24 до требуемой толщины 1,2 мкм. Скорость травления кремниевой подложки в реактивной среде 30 /с, а температура процесса Т 350 С . 5. Методом термической диффузии на стравленной поверхности кремниевой монокристаллической подложки 1 -типа проводимости формируют сильнолегированный-слой 5 толщиной 0,2 микрона с концентрацией легирующей примеси - бора 51020 см-3. Температура процесса диффузии бора Т 1100 С , а время формирования-слоя 5 составляет 0,3 ч. 6. На сформированный -слой 4 методом ионно-плазменного распыления наносят проводящий слой 6 из светопрозрачного материала - окиси олова толщиной 2 микрона,который является омическим контактом к -слою 4 и просветляющим слоем. 7. Размещают монокристаллическую подложку 1 со сформированной светочувствительной структурой на алюминиевом основании 7 размером 4848 мм, толщиной 1 мм и жестко соединяют ее с алюминиевым основанием с помощью электропроводящего клея 70 алюминиевый порошок - 30 эпоксидная смола. Алюминиевое основание 7 - это нижний вывод полупроводникового преобразователя солнечной энергии. 8. Присоединяют к верхнему омическому контакту - электропроводящему слою 6 верхний внешний вывод полупроводникового преобразователя солнечной энергии из алюминия шириной 3 мм и толщиной 1 мм по периметру электропроводящего слоя 6 4848 мм, посредством приклеивания его электропроводящим клеем состава 70 алюминиевый порошок 30 эпоксидная смола. 9. Производят термоотжиг изготовленного полупроводникового преобразователя солнечной энергии с фоточувствительной структурой типа в инертной среде в течение 15 мин при температуре 350 С для создания надежных омических контактов к-слоям кремния. Изготовленный предложенным способом полупроводниковый преобразователь солнечной энергии с фоточувствительной структурой типа в виде трех последовательно соединенных переходов широкозонного полупроводника - кремния размером рабочей поверхности 4848 мм обладает следующими параметрами рабочий ток 0,32 А,полезная выходная мощность 0,256 Вт при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2. Рабочая температура 2 С, надежность безотказной работы составляет более 105 ч. Технико-экономические преимущества полупроводникового преобразователя солнечной энергии, полученного предлагаемым способом, в сравнении с базовым устройством,полученным способами-аналогами 1) существенно упрощается технологический процесс 2) более чем в 10 раз снижается рабочая температура 3) более чем в 5 раз повышается стабильность работы устройства. Источники информации 1.02148876, МПК 601 31/18. 2.20122259, МПК 601 31/18. 3.5383, МПК 01 31/04, 2009. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4