close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15175

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15175
(13) C1
(19)
H 01L 31/04 (2006.01)
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В
ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
(21) Номер заявки: a 20081227
(22) 2008.09.30
(43) 2010.04.30
(71) Заявители: Латышев Сергей Викторович; Сычик Василий Андреевич (BY)
(72) Авторы: Денисенко Михаил Фёдорович; Латышев Сергей Викторович;
Леонов Василий Севастьянович; Сычик Василий Андреевич (BY)
(73) Патентообладатели: Латышев Сергей
Викторович; Сычик Василий Андреевич (BY)
(56) BY 9339 C1, 2007.
BY 9069 C1, 2007.
BY 9651 C1, 2007.
RU 96107027 A, 1998.
RU 2222846 C1, 2004.
JP 60218881 A, 1985.
JP 6283744 A, 1994.
BY 15175 C1 2011.12.30
(57)
Преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий фоточувствительную p+-p-i-n+-структуру из широкозонного полупроводника, выполненную в виде совокупности сформированных на расстоянии от 10 до 100 мкм друг от друга столбиков
диаметром от 10 до 100 мкм и высотой от 10 до 150 мкм каждый, нижний n+-слой которой
представляет собой полупроводниковую подложку заданной толщины и электрически
соединен с мелаллическим основанием, i-слой выполнен толщиной от 0,5 до 0,9 Ld, где Ld диффузионная длина носителей заряда, p-слой выполнен толщиной от 0,2 до 0,4 Ld, а на
p + -слой, выполненный толщиной от 0,1 до 0,2 Ld, нанесен электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой, на котором сформирован внешний металлический
вывод.
Фиг. 1
Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с потенциальным барьером, в частности к устройствам преобразования солнечной энергии в
электрическую, и может быть использовано в электронно-оптических и космических системах в качестве автономных источников электроэнергии.
BY 15175 C1 2011.12.30
Известен полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в электрическую
[1], фотопреобразователь которого конструктивно размещен в полой камере, заполненной
активной средой, и отделен от излучателя стенкой полой камеры, прозрачной для потока
электромагнитной энергии. Однако такой преобразователь солнечной энергии обладает
сложной конструкцией, невысоким рабочим напряжением и недостаточно высокой стабильностью работы.
В [2] представлен преобразователь солнечной энергии в электрическую, 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. Этот преобразователь солнечной энергии обладает малыми рабочими токами, низким КПД и сложной конструкцией.
Прототипом предлагаемого изобретения является полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в электрическую [3], который содержит фоточувствительную
структуру типа p-n переход, полупроводниковый слой из фосфида индия и галлия, просветляющий слой и омические контакты. Просветляющий слой и электрод контактируют
с пассивирующим слоем p-n перехода из GaAs, оканчивающегося электродом.
Недостатки прототипа:
а) невысокая выходная мощность преобразователя, поскольку он содержит сложную
структуру, причем дополнительные полупроводниковые слои слабо легированы, обладают
большим внутренним сопротивлением.
б) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между
контактами и p-n переходом, что обусловливает резкое повышение сопротивления растекания, то есть снижение выходного тока и выходной мощности;
в) неэффективно используется активная поверхность фоточувствительной структуры,
что приводит к существенному снижению выходного тока и мощности.
Техническим результатом изобретения является увеличение активной поверхности
фоточувствительной структуры, выходного тока и выходной мощности.
Поставленная задача достигается тем, что преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий фоточувствительную p+-p-i-n+-структуру из широкозонного полупроводника, выполненную в виде совокупности сформированных на расстоянии от 10 до
100 мкм друг от друга столбиков диаметром от 10 до 100 мкм и высотой от 10 до 150 мкм
каждый, нижний n+-слой которой представляет собой полупроводниковую подложку заданной толщины и электрически соединен с металлическим основанием, i-слой выполнен
толщиной от 0,5 до 0,9 Ld, где Ld - диффузионная длина носителей заряда, p-слой выполнен толщиной от 0,2 до 0,4 Ld, а на p+-слой, выполненный толщиной от 0,1 до 0,2 Ld, нанесен электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой, на котором
сформирован внешний металлический вывод.
Сущность изобретения поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция преобразователя солнечной энергии в электрическую (ПСЭЭ), а на фиг. 2 - его зонная диаграмма.
Конструктивно ПСЭЭ состоит из полупроводниковой p+-p-i-n+ фоточувствительной
структуры, включающей n+-слой 1 широкозонного полупроводника (подложка), на которой последовательно размещен i-слой 2 собственной проводимости, p-слой 3 и p+-слой 4,
которые выполнены из того же широкозонного полупроводника. На сильнолегированном
p+-слое 4 сформирован проводящий слой 5 из светопрозрачного материала, одновременно
являющийся просветляющим слоем. На проводящий слой 5, являющийся омическим контактом к p+-слою 4 широкозонного полупроводника, нанесен внешний металлический вывод 6. n+-слой 1 широкозонного полупроводника размещен на металлическом основании
7, являющимся внешним выводом ПСЭЭ.
i-слой 2 фоточувствительной структуры ПСЭЭ, который с p-слоем 3 создает первый
резкий p-n переход, изготавливается из широкозонного полупроводника, обладающего
2
BY 15175 C1 2011.12.30
высокой подвижностью носителей заряда, большой их диффузионной длиной, низкой
концентрацией собственных носителей и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из арсенида галлия, фосфида галлия или кремния. В нем под
воздействием солнечного излучения генерируются пары электрон-дырка. Толщина i-слоя 1
определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь этих носителей, достигающих второго i-n перехода, где происходит разделение носителей заряда, то
есть электроны дрейфуют в n+-слой 1, а дырки диффундируют к p+-слою 4 широкозонного
полупроводника. Толщина i-слоя 2 зависит от диффузионной длины фотогенерированных
носителей заряда Ld и составляет величину (0,5÷0,9) Ld. p-слой 3 широзонного полупроводника легирован акцепторной примесью с концентрацией (1016…1017) см-3, его толщина
обусловливается максимальным переносом фото -инжектированных в i-слое 2 носителей к
p+-слою 4. Как показали результаты эксперимента, толщина p-слоя 3 широкозонного полупроводника составляет (0,2÷0,4) Ld. Сильнолегированный p+-слой 4 широкозонного полупроводника сформирован на р-слое 3 путем введения акцепторной примеси с высокой
концентрацией NA ≅ (1020÷1021) см-3, обладает малым электросопротивлением и обеспечивает омический контакт с проводящим слоем 5 из светопрозрачного прозрачного материала, например окиси олова-индия, который одновременно является просветляющим слоем.
Слой 5 выполнен толщиной 1÷1,5 микрон.
n+-слой 1 широкозонного полупроводника сильно легирован донорной примесью до
концентрации Nd ≅ (1020÷1021) см-3, он является полупроводниковой подложкой, обладая
толщиной (0,1÷0,2) мм. Своей нижней частью он с помощью электропроводящего клея
установлен на металлическом основании 7, выполняющем функцию нижнего внешнего
электрода ПСЭЭ. Для увеличения активной поверхности фоточувствительной структуры,
что приводит к существенному повышению плотности выходного тока и выходной электрической мощности, ее активная поверхность выполнена столбиковой, причем первичная
столбиковая структура сформирована методом фотолитографии на n+-слое 1, то есть на
полупроводниковой подложке, на столбиковую поверхность которой последовательно методом газофазной эпитаксии нанесен i-слой 2, p-слой 3, i-слой 4 и методом ионного распыления - электропроводящий слой 5 из светопрозрачного материала.
В соответствии с результатами расчета оптимальная высота столбиков диаметром
40 микрон составляет 100 микрон, а расстояние между столбиками 10 микрон.
В результате суммарная площадь активной поверхности фоточувствительной структуры повышается более чем в 5 раз, в таком соотношении возрастает плотность выходного
электрического тока и выходная мощность.
Преобразователь солнечной энергии в электрическую работает следующим образом.
При воздействии квантов света на рабочую поверхность фоточувствительной структуры ПСЭЭ со стороны электропроводящего просветляющего слоя 5 фотоны с энергиями
Ev ≥ Eg, где Eg - ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника, проходят
просветляющий слой 5, тонкий p+-слой 4 широкозонного полупроводника, p-слой 3, достигают i-слоя 2 собственной проводимости и создают в p-слое 3 и i-слое 2 широкозонного полупроводника избыточную концентрацию носителей заряда. Избыточная
концентрация фотогенерированных электронов и дырок в p-слое и i-слое 2 определяется
из зависимости:
(1)
∆n = βηIvτn, ∆p = βηIvτp,
где β - квантовый выход, η - коэффициент поглощения света в p-слое 3 и i-слое 2, Iv интенсивность света, τn, τp - время жизни избыточных электронов и дырок. Фотогенерированные электроны и дырки разделяются электрическим полем первого p-i перехода и второго i-n+ перехода, причем дырки движутся к верхнему омическому контакту проводящему слою 5, а электроны - к n+-слою 1, выполняющему функции нижнего омического контакта СПЭЭ.
3
BY 15175 C1 2011.12.30
Вследствие разделения зарядов на последовательно соединенных p+-i и i-переходах
возникает суммарнае фото ЭДС Ud, максимальное значение которой при холостом ходе:
kT
Ud max =
In (I ф / I s ) ,
(2)
e
и течет ток через i-n+ переход, обусловленный оптически генерированными электронами и
дырками:
eUd 

− 1 − I ф .
I a = I s exp
(3)
kT


Здесь Iф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности; Is ток насыщения p-n перехода.
В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациями ∆n и ∆p, определяется выражением:
(4)
Iф = e(∆nµn + ∆pµp)Ud.
Величина фото ЭДС ПСЭЭ определяется суммарной высотой потенциальных барьеров p-i и второго i-n+ переходов и составляет величину (0,8÷1,0)B.
Создано экспериментальное устройство - преобразователь солнечной энергии в электрическую размером 48x48 мм на основе широкозонного полупроводника - кремния, который может использоваться как элемент-модуль солнечной электростанции. Устройство
выполнено структурой p-i Si-резкий переход i-n+ Si-резкий переход с верхним омическим
контактом из проводящего светопрозрачного слоя 5, изготовленного из окиси оловаиндия. p+-слой 4 выполнен толщиной 0,1 микрон из кремния, легированном бором до концентрации NA ≅ 1021 см-3. p+-слой 3, контактирующий с p+-слоем 4, сформирован путем
легирования бором с концентрацией NA ≅ 1017 см-3. Его толщина составляет 0,3 микрона,
i-слой 1 представляет кремний собственной проводимости, его толщина выбрана из условия максимального поглощения, проникающего в слой солнечного излучения, и составляет
толщину 1,2 микрона. p-i переход выполнен резким с суммарной шириной обедненных областей 0,5 микрона, i-n переход также выполнен резким с суммарной толщиной 0,3 микрона.
Сильнолегированный n+-слой 1 выполнен из кремния, он легирован донорной примесью
до концентрации ND ≅ 1021 см-3, его толщина соответствует толщине подложки и равна
0,2 мм. На верхний омический контакт - проводящий слой 5 нанесен внешний электрический вывод 6 ПСЭЭ, представляющий слой алюминия + никель толщиной 2 микрона и
шириной 2 мм по периметру края проводящего слоя 5. Конструкция фоточувствительной
структуры ПСЭЭ размещена на алюминиевом основании 7 размером 48x48 мм, толщиной
1 мм и соединена с ним токопроводящим клеем.
Экспериментальный полупроводниковый преобразователь солнечной энергии размером
полезной площади 46x46 мм при интенсивности солнечного излучения P∑ = 65 мВт/см2
позволяет получать рабочий ток I ≅ 1,2 A, рабочее напряжение 0,9 B, полезную выходную
мощность Pвых ≅ 1,2 Вт (≥ 480 Вт/м2).
Расчетная надежность безотказной работы ПСЭЭ составляет 105 часов. Для прототипа
аналогичных размеров эти электрические параметры соответственно составляют: I ≅ 0,21 A,
Pвых ≅ 0,15 Вт и надежность работы не выше 2⋅104 часов.
На базе предлагаемого ПСЭЭ при использовании матрицы элементов может быть создана солнечная батарея электрической энергии больших мощностей, используемая как автономный источник электроэнергии в стационарных, подвижных и космических объектах.
Технико-экономические преимущества предлагаемого преобразователя солнечной
энергии в электрическую в сравнении с прототипом и аналогами:
1. Более чем в 5 раз возрастает выходной электрический ток и выходная мощность.
2. Более чем в 5 раз повышается активная площадь фоточувствительной структуры.
3.Более чем в 5 раз повышается стабильность работы устройств.
4
BY 15175 C1 2011.12.30
Источники информации:
1. Патент России 02122259, МПК7 H 01L 31/18.
2. Патент США 4191593, МПК5, H01L 31/06, 1990.
3. Патент BY 9339 C1, 2007.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
725 Кб
Теги
by15175, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа