Полупроводниковый датчик солнечной энергии

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Автор Сычик Василий Андреевич Шумило Виктор Степанович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии, включающий фоточувствительную структуру типа р- переход с омическими контактами и просветляющий слой,отличающийся тем, что фоточувствительной является структура, содержащая два последовательно соединенных - и - перехода из широкозонного полупроводника, при этом структура выполнена решетчатой с выступами квадратной формы 8080 мк и углублениями вокруг выступов шириной 20 мк и высотой 100 мк, на р-слое р- перехода сформирован проводящий слой из светопрозрачного материала, одновременно являющегося просветляющим слоем, -слой широкозонного полупроводника выполнен толщиной (0,6-0,95), где -диффузионная длина носителей заряда, р-слой выполнен толщиной (0,1-0,3), а толщина -слоя соответствует толщине подложки из широкозонного полупроводника. 53832009.06.30 Полезная модель относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с потенциальным барьером, в частности к устройствам преобразования солнечной энергии в электрическую, и может быть использована в электронно-оптических и космических системах в качестве автономных источников электроэнергии. Известен полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в электрическую 1,на основании внутреннего объема которого в форме конуса расположена линза Френеля и отражательный элемент. В отверстии внутреннего объема расположен фотоэлектрический элемент, представляющий структуру в виде двух гетеропереходов, гомоперехода и туннельного диода. Однако такой преобразователь солнечной энергии обладает сложной конструкцией, малыми рабочими токами и низким КПД. Прототипом предлагаемой полезной модели является полупроводниковый датчик солнечной энергии 2, который содержит фоточувствительную структуру типа р- переход,полупроводниковый слой из фосфида индия и галлия, просветляющий слой и омические контакты. Просветляющий слой и электрод контактируют с пассивирующим слоем рперехода из арсенида галлия, оканчивающегося электродом. Недостатки прототипа а) невысокие выходной ток и выходная мощность датчика, поскольку он конструктивно реализован сложной структурой, причем дополнительные полупроводниковые слои слаболегированы, обладают большим внутренним сопротивлением б) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между контактами и р- переходом, что обусловливает резкое повышение сопротивления растекания, то есть снижение выходного тока в) невысокая стабильность работы датчика, связанная со сложной структурой чувствительного элемента г) недостаточно полно используется активная поверхность датчика. Техническим результатом полезной модели является увеличение выходного рабочего тока, выходной мощности с одновременным повышением активной рабочей поверхности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом датчике солнечной энергии, включающем фоточувствительную структуру типа р- переход с омическими контактами и просветляющий слой, фоточувствительной является структура, содержащая два последовательно соединенные - и - перехода из широкозонного полупроводника, при этом фоточувствительная структура выполнена решетчатой с выступами квадратной формы 8080 мк и углублениями вокруг выступов шириной 20 мк и высотой 100 мк, на р-слое и перехода сформирован проводящий слой из светопрозрачного материала, одновременно являющегося просветляющим слоем, -слой широкозонного полупроводника выполнен толщиной (0,6-0,95), гдедиффузионная длина носителей заряда р-слой выполнен толщиной (0,1-0,3), а толщина -слоя соответствует толщине подложки из широкозонного полупроводника. Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция полупроводникового датчика солнечной энергии (ПСЭ), а на фиг. 2 - его зонная диаграмма. Конструктивно ПСЭ состоит из полупроводниковой фоточувствительной структуры, включающей -слой 1 из широкозонного полупроводника, представляющий сильнолегированную полупроводниковую подложку, на котором размещены сформированные методом газо-фазной эпитаксии -слой 2 собственного широкозонного полупроводника, сильнолегированный р-слой 3 из того же широкозонного полупроводника и нанесенный методом вакуумного распыления проводящий слой 4 из светопрозрачного материала, который одновременно является просветляющим слоем фоточувствительной структуры. На проводящий слой 4, являющийся омическим контактом к р-слою 3 широкозонного полупроводника, нанесены внешние выводы 5. фоточувствительная структура слоем 1 установлена на металлическом основании 6. 2-слой 2 фоточувствительной структуры ПСЭ, который с р-слоем 3 создает первый р- переход, изготавливается из широкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей заряда, большой из диффузионной длиной, низкой концентрацией собственных носителей и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои, это, например, из кремния или арсенида галлия. В нем под действием солнечного излучения генерируются пары электрон-дырка. Толщина -слоя 2 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь электронов, достигающих второго- перехода, где происходит разделение генерированных носителей заряда, то есть фотоэлектроны дрейфуют в -слой 1, а дырки диффундируют к р-слою 3 широкозонного полупроводника. Толщина -слоя 2 зависит от диффузионной длины фотогенерированных носителей зарядаи составляет величину (0,6-0,95) . -слой 1 широкозонного полупроводника сильно легирован донорной примесью с концентрацией(10201021) см-3,он представляет полупроводниковую подложку и его толщина соответствует толщине подложки в пределах (0,20,4) мм. Сильнолегированный р-слой 3 широкозонного полупроводника сформирован на -слое 2 путем введения акцепторной примеси с высокой концентрацией акцепторной примеси(1020-1021) см-3 обладает малым электросопротивлением и обеспечивает омический контакт с электропроводящим слоем 4. Его толщина составляет (0,10,3) . Омическим контактом к р-слою 3 является проводящий слой 4,выполненный из прозрачного материала, например окиси индия-олова, который одновременно является просветляющим слоем. Он формируется толщиной (13) мкм. С помощью электропроводящего клея к нему по периметру присоединяется внешний металлический вывод 5, а сильнолегированный -слой 1 электропроводящим клеем закрепляется на металлическом основании 6. Для расширения активной площади ПСЭ, расширения зоны действия солнечного излечения на весь дневной период солнечной освещенности при различном угле падения солнечных лучей на ПСЭ и неподвижном положении, что ведет к возрастанию плотности генерируемого ПСЭ электрического тока и выходной электрической мощности, поверхность датчика солнечной энергии со стороны солнечного воздействия выполнена решетчатой с выступами квадратной формы. Как показали результаты расчета и эксперимента, размеры выступов решетчатой структуры ПСЭ составляют 8080 мк, а углубления вокруг выступов имеют ширину 20 мк и глубину 100 мк. В результате более чем в 2 раза повышается активная площадь ПСЭ и возрастает выходная мощность полупроводникового датчика солнечной энергии. Полупроводниковый датчик солнечной энергии работает следующим образом. При воздействии квантов света на рабочую поверхность ПСЭ со стороны просветляющего слоя 4 фотоны с энергиями Е, где- ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника, проходят просветляющий слой 4, р-слой 3 широкозонного полупроводника, достигают -слой 2 собственной проводимости по всей поверхности его решетчатой структуры и создают в -слое 2 широкозонного полупроводника избыточную концентрацию носителей заряда. Избыточная концентрация фотогенерированных электронов и дырок в -слое 2 определяется из зависимости(1), р,где- квантовый выход,- коэффициент поглощения света в -слое 2,- интенсивность света, , р - время жизни избыточных электронов и дырок. Фотогенерированные дырки разделяются полем - перехода фоточувствительной структуры и движутся под действием электрического поля первого - перехода к омическому контакту - проводящему слою 4, а фотогенерированные электроны в -слое 2 движутся под действием электрического поля второго - перехода через сильнолегированный -слой 1 к металлическому основанию 6 - являющемуся нижним внешним электродом ПСЭ. 3 53832009.06.30 Вследствие разделения зарядов на последовательно соединенных р- и - переходах возникает суммарная фото ЭДС , максимальное значение которой при холостом ходе и течет ток через - переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками Здесь ф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности- ток насыщения р- перехода. При заданной интенсивности света фототек, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациямии р, определяется выражениеме(М). Напряжениепрямой полярности и градиент концентрации и в -слое 2 широкозонного полупроводника обеспечивает эффективную инжекцию электронов через - переход в -слой 1, который заряжается отрицательно, и инжекцию дырок через - переход в р-слой 3, который заряжается положительно. Величина фото ЭДС определяется суммарной высотой потенциальных барьеров первого р и второго - переходов и составляет величину (0,9-1,0)В. Создано экспериментальное устройство - полупроводниковый датчик солнечной энергии размером 4040 мм, который может использоваться как элемент - модуль солнечной электростанции. Устройство выполнено структуройрезкий переход - - резкий переход с омическими контактами из электропроводящего светопрозрачного проводника окисла олова-индия. Р-слой 3 выполнен из широкозонного полупроводника - кремния,легированного бором до концентрации 21 см-3, толщина р-слоя 3 составляет 0,2 мк. Он сформирован методом термической диффузии на -слое 2, выполненном из кремния,который нанесен на -слой 1 из кремния, выполненного со стороны -слое 2 решетчатой структурой с выступами размером 7575 мк, углублением между выступами 24 мк и глубиной 102 мк, причем -слой 1 является сильнолегированной донорной примесью полупроводниковой подложкой толщиной 0,2 мм и легированной фосфором до концентрации 1021 см-3. -слой 2 представляет кремний собственной проводимости толщиной 1,2 мк,р- переход выполнен резким суммарной толщиной обедненных областей 0,35 мк,- переход также выполнен резким с суммарной толщиной обедненных областей 0,35 мк. Ширина -слоя 2 выбрана из условия максимального поглощения этим слоем падающего солнечного излучения, максимальной генерации пар электрон-дырка и максимального разделения р- ипереходами генерированных фотоносителей электрического заряда. На р-слой 3 нанесен методом ионно-плазменного распыления проводящий слой 4 из светопрозрачного материала типа окиси олова-индия толщиной 1 мк, на который по периметру нанесен внешний верхний электрод 5 структурой алюминий-никель суммарной толщиной 1 мк и шириной 1 мм. Конструкция фоточувствительной структуры ПСЭ размещена на алюминиевом основании 6 размером 4040 мм толщиной 1 мм и соединена с ним токопроводящим клеем. Алюминиевое основание 6 является нижним внешним выводом ПСЭ. Экспериментальный полупроводниковый датчик солнечной энергии размером полезной площади 3838 мм с квадратными выступами решетчатой структуры 8080 мк, углублениями шириной 20 мк и глубиной 100 мк при интенсивности солнечного излучения 65 мВт/см 2 позволяет получать рабочий ток 0,6 А, рабочее напряжение 0,9 В, полез ную выходную мощность выходную мощность Рвых.0,54 Вт. Надежность работы со 105 ч. Для прототипа аналогичных размеров эти параметры соответственно ставляет 4 составляет 0,21 А, Рвых.0,15 Вт и надежность работы не выше 2.104 ч. Активная полезная площадь ПСЭ повышается более чем в 2 раза. На базе предлагаемого ПСЭ при использовании матрицы элементов может быть создана солнечная батарея электрической энергии большой мощности, используемая как автономный источник электроэнергии в стационарных, подвижных и космических объектах. Технико-экономические преимущества предлагаемого полупроводникового датчика солнечной энергии в сравнении с прототипом и аналогами 1. В 2 раза повышается активная полезная площадь устройства. 2. Более чем в два раза повышается рабочий ток ПОСЭ. 3. Более чем в три раза возрастает выходная мощность устройства и стабильность его работы. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.