RU2453013C1

RU2453013C1 - Photoconverter

Info

Publication number: RU2453013C1
Application number: RU2011101818/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Иванович Тюхов (RU); Игорь Иванович Тюхов; Анна Ивановна Приходько (RU); Анна Ивановна Приходько; Виктор Васильевич Симакин (RU); Виктор Васильевич Симакин; Алексей Маратович Сурма (RU); Алексей Маратович Сурма
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-06-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: vertical multistage photoconverter consists of monocrystalline silicon crystals with flat diffusion p-n junctions stacked one on top of the other to form a light-receiving surface with alternating p and n regions, having the relief of the light-receiving surface in form of repeating longitudinal depressions lying such that the sectional plane of the relief, which defines its profile, is perpendicular to the direction of stacking p-n crystals. The profile of the depressions according to the invention has the shape of an open parallelogram in which the line corresponding to the bottom of the depression is parallel to the line L showing the virtual plane of the light-receiving surface - a surface without depressions, wherein the profile of depressions ensures a number of drops of the full light flux equal to 5.

EFFECT: high percentage of light absorption in depressions of the relief of the light-receiving surface and higher efficiency of the photoconverter overall.

2 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой фотоэлектроэнергетики, конкретно к области прямого преобразования энергии света в электроэнергию, к гелиоэнергетике, к возобновляемым источникам энергии.The invention relates to the field of semiconductor photovoltaics, specifically to the field of direct conversion of light energy into electricity, to solar energy, to renewable energy sources.

Перспективным направлением в области разработки фотопреобразователей (ФП), или солнечных элементов, является создание вертикальных многопереходных (ВМП) ФП, в которых отдельные кристаллы монокристаллического кремния с плоскими диффузионными p-n-переходами располагаются стопой последовательно один над другим, образуя плоскую светоприемную поверхность с чередующимися p- и n-областями (Патент РФ №2127009, кл. H01L 31/18 [1]). Светоприемная поверхность ВМП ФП, как и традиционных ФП (горизонтальных), не должна содержать нарушенного слоя. Это достигается полировкой или/и химическим травлением.A promising direction in the development of photoconverters (FP), or solar cells, is the creation of vertical multi-junction (HFM) FPs in which individual single-crystal silicon crystals with flat diffusion pn junctions are stacked one after the other, forming a flat light-receiving surface with alternating p- and n-regions (RF Patent No. 2127009, CL H01L 31/18 [1]). The light-receiving surface of the VMP FP, as well as the traditional FP (horizontal), should not contain a disturbed layer. This is achieved by polishing and / or chemical etching.

При поглощении полупроводником энергии света происходит генерация электронно-дырочных пар - неравновесных носителей заряда (ННЗ). Солнечный свет поглощается полированным кремнием на глубине до 5 мкм. Дальнейшее распространение генерируемых светом ННЗ вглубь полупроводника происходит за счет диффузии. Плотность диффузионного потока ННЗ равна D*dn/dx, где D - коэффициент диффузии, n - концентрация ННЗ. При этом во времени концентрация ННЗ уменьшается вследствие их рекомбинации с характеристическим временем τ (время жизни ННЗ). Коэффициент диффузии пропорционален подвижности носителей µ.When a semiconductor absorbs light energy, the generation of electron-hole pairs - nonequilibrium charge carriers (NEC). Sunlight is absorbed by polished silicon to a depth of 5 microns. Further propagation of light-generated NSC deep into the semiconductor occurs due to diffusion. The density of the diffusion stream of the NNZ is equal to D * dn / dx, where D is the diffusion coefficient, n is the concentration of the NNZ. At the same time, the concentration of NNZ decreases in time due to their recombination with the characteristic time τ (lifetime of the NNZ). The diffusion coefficient is proportional to the carrier mobility µ.

Принципиальным преимуществом ВМП ФП перед традиционными, в которых свет поглощается поверхностью сильнолегированной области, являются существенно большие значения τ и µ, которые растут с уменьшением степени легирования полупроводников N. В ВМП ФП свет направлен, в частности, на слаболегированную n-базу и слаболегированную область диффузионного p-слоя. При изменении N от 10¹⁸ см^-3 до 10¹⁶ см^-3 подвижность электронов возрастает в 10 раз, дырок - примерно в 5 раз (С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. - М., «Мир», 1984 г., т.1, стр.34 [2]). Значения τ в случае ВМП ФП могут быть выше на 1…2 порядка, что позволяет значительно большему количеству носителей доходить до p-n-переходов. Высокие значения τ и µ - это факторы существенного повышения эффективности ФП (к.п.д.).The principal advantage of VMP FP over traditional ones, in which light is absorbed by the surface of a heavily doped region, is the substantially large values of τ and μ, which increase with decreasing degree of doping of semiconductors N. In VMP FP, light is directed, in particular, to a lightly doped n base and a weakly doped diffusion region p-layer. When N varies from 10 ¹⁸ cm ^-3 to 10 ¹⁶ cm ^{-3, the} electron mobility increases 10 times, holes - about 5 times (S.Zi. Physics of semiconductor devices. - M., "Mir", 1984, t .1, p. 34 [2]). The values of τ in the case of VMP FP can be higher by 1 ... 2 orders of magnitude, which allows a much larger number of carriers to reach pn junctions. High values of τ and µ are factors that significantly increase the efficiency of the phase transition (efficiency).

Реальная глубина распространения неравновесных носителей перпендикулярно поверхности в ВМП ФП составляет несколько сотен мкм.The real depth of propagation of nonequilibrium carriers perpendicular to the surface in the high-frequency magnetic field is several hundred microns.

Известна конструкция ВМП ФП [1] с плоской светоприемной поверхностью. Недостатком такой конструкции является то, что рабочая (приповерхностная) область кремния невелика. Недостатком является также высокий процент отражения солнечного света. Для сред воздух - полированный кремний в диапазоне углов падения от примерно 10° до 90° коэффициент отражения к_отр для видимого света составляет порядка 33%, для ульрафиолетового излучения (УФИ) - свыше 60% (http://www.Dpva.info/Guide/Guide Physics [3]). Просветляющие (антиотражающие) покрытия для полного солнечного спектра должны быть многослойными, что представляет дополнительную сложность при изготовлении и повышает стоимость ФП.The known design of the PMF FP [1] with a flat light receiving surface. The disadvantage of this design is that the working (surface) region of silicon is small. The disadvantage is also a high percentage of sunlight reflection. For air-polished silicon media in the range of incidence angles from about 10 ° to 90 °, the reflection coefficient to _OTR for visible light is about 33%, for ultraviolet radiation (UV) - over 60% (http://www.Dpva.info/ Guide / Guide Physics [3]). Transparent (antireflective) coatings for the full solar spectrum must be multilayer, which presents additional complexity in the manufacture and increases the cost of phase transitions.

В ВМП ФП с «текстурированной», т.е. рельефной поверхностью может быть существенно увеличена область генерирования ННЗ.In VMP FP with "textured", i.e. the relief surface can significantly increase the region of NNZ generation.

Важным также является то, что увеличение площади светоприемной поверхности за счет рельефа приводит к увеличению значений µ и τ, особенно при высокой интенсивности облучения, соответствующей высоким значениям концентрации ННЗ n. Подвижность носителей µ снижается с повышением их концентрации из-за рассеяния носителей на носителях. При повышении n существенно снижается и значение τ из-за возрастания вклада в рекомбинационный процесс Оже-рекомбинации (зона - зона) (С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М., «Мир», 1984 г., т.1, стр.153-154 [4]).It is also important that an increase in the area of the light receiving surface due to the relief leads to an increase in the values of μ and τ, especially at high irradiation intensities corresponding to high values of the concentration of low-voltage supercritical n. The mobility of the carriers µ decreases with increasing concentration due to the dispersion of the carriers on the media. With increasing n, the value of τ also decreases significantly due to an increase in the contribution to the recombination process of Auger recombination (zone – zone) (S.Zi, Physics of Semiconductor Devices. Moscow, Mir, 1984, vol. 1, p. 153-154 [4]).

Таким образом, снижение за счет рельефа поверхностной плотности данного светового потока для данного образца и, соответственно, снижение концентрации генерируемых носителей существенно повышают к.п.д. ФП.Thus, a decrease in the surface density of a given light flux due to a relief for a given sample and, accordingly, a decrease in the concentration of generated carriers significantly increase the efficiency FP.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является конструкция ВМП ФП (Патент США №2010/0037943, кл. H01L 31/0236 [5]), где рельеф светоприемной поверхности выполнен в виде повторяющихся продольных углублений, при этом существенно то, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания p-n-элементов последовательно один над другим в стопу. Конкретно в [5] патентуется профиль рельефа V формы (повторяющихся равносторонних треугольных зубцов, могут быть в закругленном виде) (Фиг.1).Closest to the proposed solution is the design of the PMF FP (US Patent No. 2010/0037943, class H01L 31/0236 [5]), where the relief of the light-receiving surface is made in the form of repeating longitudinal recesses, while it is essential that the relief cross-section plane revealing its profile is perpendicular to the direction of folding pn-elements sequentially one above the other in the foot. Specifically, in [5], the profile of the relief of the V form is patented (repeating equilateral triangular teeth, can be in a rounded form) (Figure 1).

Обозначим К коэффициент, показывающий, во сколько раз площадь светоприемной поверхности углубления больше соответствующей плоской поверхности. Очевидно, что в [5] К=1/cosα, где α - угол между стенкой углубления и виртуальной плоской поверхностью (без рельефа).Denote by K a coefficient showing how many times the area of the light receiving surface of the recess is greater than the corresponding flat surface. Obviously, in [5], K = 1 / cosα, where α is the angle between the wall of the recess and the virtual flat surface (without relief).

Однако профиль рельефа [5] не во всех случаях является оптимальным. Проведем рассмотрение конструкции [5] (Фиг.1).However, the relief profile [5] is not optimal in all cases. Let us consider the design [5] (Figure 1).

При α=45° падающий поток видимого света, поглощаемый каждой боковой стороной углубления на 67%, отражается горизонтально на противоположную сторону с поглощением 33%*67%=22,11% энергии и затем выходит в окружающую среду. Таким образом, здесь за счет 2-х падений поглощается 67%+22,11%=89,11% видимого света.At α = 45 °, the incident flux of visible light absorbed by each side of the recess by 67% is reflected horizontally on the opposite side with absorption of 33% * 67% = 22.11% of energy and then goes into the environment. Thus, here, due to 2 drops, 67% + 22.11% = 89.11% of visible light is absorbed.

Для УФИ примем к_отр=60%. Таким же образом получим, что поглощается 40%+60%*40%=64% УФИ.For UVI, we take to _otp = 60%. In the same way, we get that 40% + 60% * 40% = 64% UVR is absorbed.

Угол выступающих зубцов рельефа β (Фиг.1) здесь составляет 90°. Значение K=1/cos45°≈1,4.The angle of the protruding teeth of the relief β (Figure 1) here is 90 °. The value of K = 1 / cos45 ° ≈1.4.

Если α=60°, поток света полностью проходит 3 падения (Фиг.1). Видимый свет при третьем падении дополнительно поглощается еще на (100-89,11)%*67%≈7,3%. Всего поглощается 96,41% видимого света.If α = 60 °, the light flux completely passes 3 drops (Figure 1). Visible light at the third drop is additionally absorbed by another (100-89.11)% * 67% ≈ 7.3%. A total of 96.41% of the visible light is absorbed.

Для УФИ поглощается всего 64%+(100-64)%*40%=78,4%.For UVI, only 64% + (100-64)% * 40% = 78.4% is absorbed.

Угол β составляет 60°. Значение К=2.The angle β is 60 °. The value of K = 2.

При дальнейшем увеличении угла α угол β становится меньше, и механическая прочность зубцов значительно снижается. В [5] примеры приводятся только для α=45° и 60°.With a further increase in the angle α, the angle β becomes smaller, and the mechanical strength of the teeth decreases significantly. In [5], examples are given only for α = 45 ° and 60 °.

Таким образом, рельеф [5] не обеспечивает достаточно высокого процента поглощения света в углублениях рельефа, особенно в УФ диапазоне.Thus, the relief [5] does not provide a sufficiently high percentage of light absorption in the recesses of the relief, especially in the UV range.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение процента поглощения света в углублениях рельефа и увеличение к.п.д. ВМП ФП в целом.The technical result of the proposed solution is to increase the percentage of light absorption in the recesses of the relief and increase the efficiency VMP AF as a whole.

Поставленная цель достигается тем, что в ВМП ФП, состоящем из кристаллов монокристаллического кремния с плоскими диффузионными p-n-переходами (p-n-кристаллов), расположенных стопой последовательно один над другим с образованием светоприемной поверхности с чередующимися p-n n-областями, имеющем рельеф светоприемной поверхности в виде повторяющихся продольных углублений, расположенных так, что плоскость сечения рельефа, выявляющая его профиль, перпендикулярна направлению складывания p-n-кристаллов, углубления имеют параллельные боковые стороны. Профиль углублений может иметь вид незамкнутого параллелограмма, в котором линия, соответствующая дну углубления, параллельна линии L, отображающей виртуальную плоскую светоприемную поверхность (без углублений). При этом одна диагональ параллелограмма может быть перпендикулярна линии L.This goal is achieved by the fact that in a high-frequency magnetic field phase transition consisting of monocrystalline silicon crystals with flat diffusion pn junctions (pn crystals) stacked one after the other one above the other with the formation of a light-receiving surface with alternating pn n-regions having a light-receiving surface relief in the form repeating longitudinal recesses arranged so that the plane of the relief cross section revealing its profile is perpendicular to the direction of folding of pn crystals, the recesses have parallel lateral sides rons. The profile of the recesses may be in the form of an open parallelogram in which the line corresponding to the bottom of the recess is parallel to the line L representing a virtual flat light receiving surface (without recesses). Moreover, one diagonal of the parallelogram can be perpendicular to the line L.

Отличительными признаками предлагаемого решения являются параллельность боковых сторон углублений, возможная при этом форма углублений в виде незамкнутого параллелограмма с возможной перпендикулярностью одной из диагоналей параллелограмма линии L, отображающей виртуальную плоскую светоприемную поверхность.Distinctive features of the proposed solution are the parallelism of the lateral sides of the recesses, the possible form of the recesses in the form of an open parallelogram with the possible perpendicularity of one of the diagonals of the parallelogram of the line L, which displays a virtual flat light receiving surface.

Известных решений с указанными признаками не обнаружено.Known solutions with the indicated features were not found.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.The invention is illustrated in the drawings.

На фиг.1 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по прототипу.Figure 1 shows the profiles of the recesses and the path of the light flux for α = 45 ° and 60 ° of the prototype.

На фиг.2 показаны профили углублений и пути светового потока для α=45° и 60° по предлагаемому изобретению.Figure 2 shows the profiles of the recesses and the path of the light flux for α = 45 ° and 60 ° according to the invention.

На фиг.3 показан профиль углублений и путь светового потока для α=75° по предлагаемому изобретению.Figure 3 shows the profile of the recesses and the path of the light flux for α = 75 ° according to the invention.

Из фиг.1 и 2 ясно, что значения К при равных углах α одинаковы для предлагаемого решения и для прототипа.From figure 1 and 2 it is clear that the values of K at equal angles α are the same for the proposed solution and for the prototype.

Значительным отличием предлагаемого профиля углублений является количество падений полного светового потока N=5 (Фиг.2) как при α=45°, так и при α=60°, что соответствует поглощению 99,6% видимого света и 92,22% УФИ (числа получаются из продолжения вышеприведенного вычисления процентов поглощения).A significant difference in the proposed profile of the recesses is the number of drops of the total luminous flux N = 5 (Figure 2) both at α = 45 ° and α = 60 °, which corresponds to the absorption of 99.6% of visible light and 92.22% of UVI ( numbers are obtained from the continuation of the above calculation of percent absorption).

Действительно, по предлагаемому решению при α=45° (Фиг.2) световой поток, падая на боковую сторону углубления, отражается под углом 45° горизонтально и полностью падает на противоположную боковую сторону под углом 45° к ней (второе падение). Здесь отражение происходит в вертикальном направлении, и свет падает на дно углубления под углом 90° (третье падение). Падение света под углом 90° означает затем повторение светом пути в обратном направлении: четвертое падение на боковую сторону и пятое на область первого падения с отражением в окружающую среду.Indeed, according to the proposed solution at α = 45 ° (FIG. 2), the light flux falling on the side of the recess is reflected at an angle of 45 ° horizontally and completely falls on the opposite side at an angle of 45 ° to it (second drop). Here, reflection occurs in the vertical direction, and light falls on the bottom of the recess at an angle of 90 ° (third drop). The incident of light at an angle of 90 ° then means the light repeating the path in the opposite direction: the fourth incident on the side and the fifth on the region of the first incident with reflection into the environment.

Для профиля по предлагаемому решению при α=60° (Фиг.2) видно, что световой поток, падая на боковую сторону под углом 30° и отражась под этим же углом, частью падает на дно углубления (сплошные линии), и частью - на половину противоположной стороны (пунктирные линии). Видно, что в обоих случаях третье падение светового потока происходит под углом 90°, что возвращает свет в обратном направлении к четвертому и пятому падениям.For the profile according to the proposed solution at α = 60 ° (Figure 2), it is seen that the light flux, falling on the side at an angle of 30 ° and reflected at the same angle, partly falls to the bottom of the recess (solid lines), and partly to half of the opposite side (dashed lines). It is seen that in both cases the third drop in the light flux occurs at an angle of 90 °, which returns the light in the opposite direction to the fourth and fifth drops.

Рассмотренные выше профили углублений по предлагаемому решению можно назвать «ловушками для света». По эффективности их можно сравнивать с просветляющими покрытиями.The above profiles of the recesses for the proposed solution can be called "traps for the light." By their effectiveness, they can be compared with antireflection coatings.

Полученные данные сведены в таблицу.The data obtained are summarized in a table.

α=45°α = 45 ° α=60°α = 60 ° NN % поглощения света% light absorption NN % поглощения света% light absorption Видимый спектрVisible spectrum УФИUVI Видимый спектрVisible spectrum УФИUVI По прототипуAccording to the prototype 22 89,1189.11 6464 33 96,4196.41 78,478,4 По предлагаемому решениюAccording to the proposed solution 55 99,699.6 92,2292.22 55 99,699.6 92,2292.22

При высокой плотности излучения, как указывалось выше, резко падают подвижность носителей µ и их время жизни τ. Уменьшить снижение к.п.д. ФП при повышении интенсивности излучения можно только путем повышения площади светоприемной поверхности.At a high radiation density, as mentioned above, the carrier mobility µ and their lifetime τ sharply fall. Reduce the reduction in efficiency AF with increasing radiation intensity is possible only by increasing the area of the light receiving surface.

На Фиг.3 показан предлагаемый профиль рельефа при α=75°, где светоприемная поверхность в области углублений увеличена почти в 4 раза (К=3,86), количество падений полного светового потока N=5. Проценты поглощения энергии видимого света и УФИ для N=5 даны в Таблице. Часть светового потока отражается 6 раз, то есть поглощение еще выше.Figure 3 shows the proposed profile of the relief at α = 75 °, where the light receiving surface in the region of the recesses is increased almost 4 times (K = 3.86), the number of drops of the total light flux N = 5. The percent absorption of energy of visible light and UVI for N = 5 are given in the Table. Part of the luminous flux is reflected 6 times, that is, the absorption is even higher.

При α=80° светоприемная поверхность увеличивается в 5,76 раз.At α = 80 °, the light receiving surface increases by 5.76 times.

Глубину углубления можно сделать любой, меняя масштаб профиля. Значения N, К и влияние профиля рельефа на µ, τ и в результате на к.п.д. ФП от масштаба не зависят.Any depth can be made by changing the scale of the profile. The values of N, K and the influence of the relief profile on µ, τ and, as a result, on the efficiency AF do not depend on scale.

Для реализации ФП по предлагаемому изобретению после соединения p-n-кристаллов в стопу можно сделать углубления групповым методом, как при резке слитков кремния на пластины проволокой.To realize the phase transition according to the invention, after the p-n crystals are joined into the stack, it is possible to make indentations by the group method, as when cutting silicon ingots into wafers by wire.

Claims

1. Vertical multi-junction photoconverter, consisting of monocrystalline silicon crystals with flat diffusion pn junctions, stacked one after the other in succession with the formation of a light-receiving surface with alternating p- and n-regions, having a light-receiving surface in the form of repeating longitudinal recesses located so that the plane of the cross-section of the relief, revealing its profile, is perpendicular to the direction of folding pn crystals, characterized in that the profile of the recesses has id of an open parallelogram, in which the line corresponding to the bottom of the recess is parallel to the line L, which displays a virtual flat light receiving surface — a surface without recesses, while the profile of the recesses provides the number of drops of the total light flux equal to 5.

2. The photoconverter according to claim 1, characterized in that one diagonal of the parallelogram is perpendicular to the line L.