RU2529826C2 - Solar cell having diffraction grating on front surface - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to physics and semiconductor device engineering, particularly crystalline silicon-based solar cells. The crystalline silicon-based solar cell consists of p- and n-type conductivity regions, electrodes for the p and n regions, wherein according to the invention, a diffraction grating is formed on the front surface of the crystal, said diffraction grating having a period equal to the wavelength of radiation quanta, the energy of which is equal to the band gap of the crystal.

EFFECT: invention reduces the absorption depth of solar radiation quanta, reduces optical and electrical losses and increases efficiency of conversion and enables to produce ultra-thin crystalline solar cells.

2 dwg

Description

Изобретение относится к физике и технологии полупроводниковых приборов, в частности к солнечным элементам (СЭ) на основе кристаллического кремния.The invention relates to the physics and technology of semiconductor devices, in particular to solar cells (SC) based on crystalline silicon.

Ограничение КПД преобразования солнечного излучения в электрическую энергию полупроводникового фотопреобразователя связано с рядом потерь мощности - фундаментальные потери и потери, которые теоретически можно устранить. Если рассматривать однопереходный фотопреобразователь, а кремниевый СЭ относится к таким приборам, то фундаментальные потери мощности будут связаны с:The limitation of the efficiency of converting solar radiation into electrical energy of a semiconductor photoconverter is associated with a number of power losses — fundamental losses and losses that can theoretically be eliminated. If we consider a single-junction photoconverter, and silicon SC refers to such devices, then fundamental power losses will be associated with:

- потерями мощности излучений, которые имеют энергию меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника (hv≤Eg), т.е. кванты излучений с такой энергией пролетают сквозь полупроводник без поглощения;- power losses of radiation that have an energy less than the band gap of the semiconductor (hv≤Eg), i.e. radiation quanta with such energy fly through a semiconductor without absorption;

- потерями мощности, связанными с генерацией «горячих» носителей тока, т.е. при поглощении кванта излучения его энергия передается возбужденному электрону и первоначально электрон окажется в зоне проводимости с энергией, равной энергии поглощенного фотона. Затем электрон, взаимодействуя с решеткой кристалла, теряет «избыточную» энергию до тех пор, пока энергетическое распределение не сравняется с температурным распределением решетки, т.е. пока температура электрона не сравняется с температурой решетки;- power losses associated with the generation of “hot” current carriers, i.e. upon absorption of a quantum of radiation, its energy is transferred to the excited electron and initially the electron will be in the conduction band with an energy equal to the energy of the absorbed photon. Then, the electron, interacting with the crystal lattice, loses the "excess" energy until the energy distribution is equal to the temperature distribution of the lattice, i.e. until the electron temperature equals the lattice temperature;

- термодинамическими потерями - это: а) потери, связанные с кинетической энергией электрона, т.к. температура всегда отлична от абсолютного нуля. Величина этих потерь равна=3/2 кТ_с, где к - постоянная Больцмана, Т_с - температура, б) потери, связанные со снижением напряжения холостого хода элемента (V_oc) с температурой. При максимальной концентрации фотовозбуждения V_oc становится равным значению ширины запрещенной зоны полупроводника. Разница между значениями V_oc при максимальном фотовозбуждении и при однократном (одно Солнце) возбуждении для данной Т_с показывает температурные потери, связанные с падением напряжения и называются Etendue потерями. Все эти термодинамические потери исчезают при температуре абсолютного нуля.- thermodynamic losses are: a) losses associated with the kinetic energy of the electron, because the temperature is always different from absolute zero. The magnitude of these losses is equal to = 3/2 kT _s , where k is the Boltzmann constant, T _s is the temperature, b) losses associated with a decrease in the open circuit voltage of the element (V _oc ) with temperature. At the maximum concentration of photoexcitation V _oc becomes equal to the value of the band gap of the semiconductor. The difference between the values of V _oc at maximum photoexcitation and a single (single Sun) excitation for a given T _s shows the temperature loss associated with the voltage drop and is called Etendue loss. All these thermodynamic losses disappear at a temperature of absolute zero.

Кроме рассмотренных фундаментальных потерь имеются световые потери, связанные с отражением и поглощением излучения, и потери, связанные с последовательным сопротивлением элемента. Также имеются рекомбинационные потери, когда энергия теряется в результате рекомбинации генерированных носителей с образованием квантов излучений.In addition to the fundamental losses considered, there are light losses associated with the reflection and absorption of radiation, and losses associated with the series resistance of the element. There are also recombination losses when energy is lost as a result of the recombination of the generated carriers with the formation of radiation quanta.

Теоретический предел КПД преобразования однопереходного кремниевого СЭ при комнатной температуре ограничивается значением ~ 29,7% (из-за фундаментальных потерь), а практически достигнутые значения КПД преобразования не превышают ~ 23,3%, что показывает, что кроме фундаментальных потерь на величину эффективности преобразования сильно влияют световые потери и потери, связанные с внутренними процессами в элементе (сопротивление, рекомбинация).The theoretical limit of conversion efficiency of a single-junction silicon SC at room temperature is limited to ~ 29.7% (due to fundamental losses), and the practically achieved conversion efficiency values do not exceed ~ 23.3%, which shows that, in addition to fundamental losses, the conversion efficiency strongly influenced by light losses and losses associated with internal processes in the element (resistance, recombination).

Для уменьшения световых потерь, связанных с отражением излучения от поверхности кристалла, фронтальная поверхность подвергается анизотропному травлению для получения текстуры, например, в [1] текстура получается в щелочных растворах с добавлением изопропилового спирта. Размеры и формы текстуры при этом не однородны, зависят от способа и метода травления и составляют от 0,5 до 4-5 мкм. Имеются различные методы создания текстуры на поверхности кристалла кремния [2], [3], [4], [5]. В зависимости от вида и размеров текстуры отражение света от поверхности составляет 5-15% (при длине волны света ~ 600 нм). Дальнейшее снижение отражения (до 2-5%) света достигается нанесением на текстурированную поверхность специальных антиотражающих тонких слоев (например, TiO_x, SiN). При этом в коротковолновой части спектра (300-450 нм) отражение света остается высоким (до 20% и выше), хотя в видимой и ближней ИК-области отражение может не превышать ~ 2% [3].To reduce light losses associated with the reflection of radiation from the crystal surface, the frontal surface is subjected to anisotropic etching to obtain a texture, for example, in [1] the texture is obtained in alkaline solutions with the addition of isopropyl alcohol. The size and shape of the texture is not uniform, depending on the etching method and method, and ranges from 0.5 to 4-5 microns. There are various methods for creating a texture on the surface of a silicon crystal [2], [3], [4], [5]. Depending on the type and size of the texture, the reflection of light from the surface is 5-15% (at a wavelength of light ~ 600 nm). A further decrease in the reflection (up to 2-5%) of light is achieved by applying special antireflection thin layers (for example, TiO _x , SiN) to the textured surface. Moreover, in the short-wavelength part of the spectrum (300–450 nm), the reflection of light remains high (up to 20% and higher), although in the visible and near infrared regions the reflection may not exceed ~ 2% [3].

К основным внутренним потерям, кроме омических потерь связанных с сопротивлением, относятся рекомбинационные потери. Генерированные носители могут теряться в результате рекомбинации на поверхности или в объеме полупроводника. Поверхностная рекомбинация зависит от степени пассивации и защиты поверхности, и снижение скорости такой рекомбинации является чисто технической задачей, а объемная рекомбинация зависит от многих факторов, среди которых основным является время жизни неосновных носителей тока, определяющее длину диффузионного смещения заряда. В реальных структурах, с целью уменьшения последовательного сопротивления и получения высоких значений напряжения холостого хода, используют сильно легированный кремний (с удельным сопротивлением 1-3 Ом·см), что в свою очередь снижает время жизни носителей и, соответственно, длину диффузионного смещения. Это ограничивает сбор генерированных носителей из глубин базовой области структуры. Кроме этого, надо учесть, что кремний является не прямозонным полупроводником, и поэтому проникновение в кристалл квантов излучений с энергией ~ E_g доходит до ~ 100 мкм. При глубинах генерации носителей, находящихся за пределами влияния поля р-n-перехода и градиента концентрации неравновесных носителей, направленного к р-n-переходу, генерированные светом носители тока будут диффундировать как в сторону поверхности (к р-n-переходу), так и в сторону тыльной поверхности. Носители тока, диффундирующие к тыльной поверхности, могут исчезнуть в результате рекомбинации у поверхности, если не создать потенциальные барьеры в виде р-р⁺- или n-n⁺-переходов либо барьеры в виде гетероперехода [6], препятствующие попаданию носителей к поверхности. Однако эффективность таких барьеров не превышает 75-80%. Пассивацией поверхности специальными слоями можно довести эффективность отражения до 95%. Практически все генерированные заряды в глубинах, превышающих ~ 10 мкм (в кремнии максимум генерации приходится на глубину 2-5 мкм), будут иметь равнонаправленную диффузию, в том числе и в сторону тыльной поверхности. Поэтому очень важно иметь высокую степень пассивации тыльной поверхности (в том числе и изотопными потенциальными барьерами) и высокое значение времени жизни, за которое носители заряда, отразившись от тыльного барьера, смогли дойти до р-n-перехода. Высокие практические значения КПД преобразования (~20-23%) [6] были достигнуты в кристаллах с высоким значением времени жизни носителей тока, а такие кристаллы стоят дороже, чем кристаллы «солнечного класса». В настоящее время требование по времени жизни носителей к «солнечному кремнию» поднялось с 10 мксек до 20 мксек и более. Но использование кремния с высоким временем жизни носителей не решает проблему уменьшения толщины элемента. В обычных структурах толщину элемента нельзя брать менее ~ 110 мкм (глубина поглощения низкоэнергетического кванта излучения), иначе неизбежны будут потери мощности за счет длинноволновых квантов излучений. Возможно уменьшение толщины СЭ до ~ 50-60 мкм, если на тыльной поверхности создать отражающий слой, который будет отражать обратно вглубь кристалла длинноволновые кванты излучений [7]. Но такой слой не может быть отражающим на 100% и, кроме этого, создаст дополнительные проблемы пассивации тыла. В существующих структурах снижение толщины СЭ неизбежно приведет к снижению КПД преобразования. Для решения этой проблемы необходимо, чтобы полное поглощение падающего излучения и генерация носителей тока происходило в небольших (~ 10 мкм) глубинах. При таких расстояниях от поверхности можно говорить, что область генерации носителей совпадает с областью влияния поля р-n-перехода, так как, кроме объемного заряда, создающего тянущее электрическое поле, здесь будет влиять и градиент концентрации неравновесных носителей, возникающий вследствие оттока близлежащих к объемному заряду неосновных носителей, и разделение их полем р-n-перехода. Таким образом, создание сверхтонких кристаллических кремниевых элементов с высокой эффективностью будет возможно, если создать условия генерации носителей в глубинах, сопоставимых с областью влияния поля перехода. Получению высокой эффективности также будет способствовать и то, что при таких условиях поглощения можно обеспечить практически 100%-ный сбор генерированных носителей тока практически во всем интервале спектра солнечного излучения.The main internal losses, in addition to ohmic losses associated with resistance, include recombination losses. Generated carriers can be lost as a result of recombination on the surface or in the bulk of the semiconductor. Surface recombination depends on the degree of passivation and surface protection, and reducing the rate of such recombination is a purely technical task, and volume recombination depends on many factors, among which the main is the lifetime of minority carriers, which determines the length of the diffusion charge displacement. In real structures, in order to reduce the series resistance and obtain high open-circuit voltage values, heavily doped silicon (with a specific resistance of 1-3 Ohm · cm) is used, which in turn reduces the carrier lifetime and, accordingly, the diffusion bias length. This limits the collection of generated media from the depths of the base region of the structure. In addition, we must take into account that silicon is not a direct-gap semiconductor, and therefore the penetration of radiation quanta with an energy of ~ E _g reaches a crystal of ~ 100 μm. At carrier generation depths that are outside the influence of the pn junction field and the concentration gradient of nonequilibrium carriers directed to the pn junction, light carriers will diffuse both towards the surface (toward the pn junction) and towards the back surface. Current carriers diffusing to the back surface can disappear as a result of recombination at the surface if potential barriers in the form of p-p ⁺ or nn ⁺ junctions or barriers in the form of a heterojunction [6] are prevented from preventing carriers from reaching the surface. However, the effectiveness of such barriers does not exceed 75-80%. Passivation of the surface with special layers can bring the reflection efficiency to 95%. Almost all generated charges at depths exceeding ~ 10 μm (in silicon, the generation maximum falls at a depth of 2-5 μm) will have uniformly diffused diffusion, including toward the back surface. Therefore, it is very important to have a high degree of passivation of the back surface (including potential isotopic barriers) and a high lifetime, during which the charge carriers, reflected from the back barrier, were able to reach the pn junction. High practical values of conversion efficiency (~ 20-23%) [6] were achieved in crystals with a high value of the current carrier lifetime, and such crystals are more expensive than crystals of the “solar class”. Currently, the carrier lifetime requirement for “solar silicon” has risen from 10 microseconds to 20 microseconds or more. But the use of silicon with a high carrier lifetime does not solve the problem of reducing the thickness of the element. In ordinary structures, the element thickness cannot be taken less than ~ 110 μm (the absorption depth of the low-energy radiation quantum), otherwise power losses due to long-wavelength radiation quanta will be inevitable. It is possible to decrease the thickness of solar cells to ~ 50-60 μm if a reflective layer is created on the back surface that will reflect long-wavelength radiation quanta back into the crystal [7]. But such a layer cannot be 100% reflective and, in addition, will create additional problems of passivation of the rear. In existing structures, a decrease in the thickness of solar cells will inevitably lead to a decrease in conversion efficiency. To solve this problem, it is necessary that the complete absorption of the incident radiation and the generation of current carriers occur at shallow (~ 10 μm) depths. At such distances from the surface, we can say that the region of carrier generation coincides with the region of influence of the pn junction field, since, in addition to the space charge creating a pulling electric field, the concentration gradient of nonequilibrium carriers, which arises as a result of the outflow of those adjacent to the volume charge of minority carriers, and their separation by the pn junction field. Thus, the creation of ultrafine crystalline silicon elements with high efficiency will be possible if the conditions for carrier generation at depths comparable with the region of influence of the transition field are created. The high efficiency will also be facilitated by the fact that under such absorption conditions it is possible to ensure almost 100% collection of the generated current carriers in almost the entire range of the solar radiation spectrum.

Целью данного изобретения является создание сверхтонких кристаллических кремниевых солнечных элементов с высокой эффективностью. Данная цель достигается путем локализации поглощения падающего излучения в приповерхностных слоях кристалла, а также уменьшением отражения падающего излучения от поверхности и увеличением сбора генерированных носителей тока. Указанную цель можно достичь созданием дифракционной решетки на фронтальной поверхности кристалла.The aim of this invention is to provide ultra-thin crystalline silicon solar cells with high efficiency. This goal is achieved by localizing the absorption of incident radiation in the surface layers of the crystal, as well as by reducing the reflection of the incident radiation from the surface and increasing the collection of generated current carriers. This goal can be achieved by creating a diffraction grating on the frontal surface of the crystal.

Если создать дифракционную решетку на поверхности СЭ с периодом d, сравнимым с длиной волны падающего света (~1 мкм), то появятся следующие возможности:If you create a diffraction grating on the surface of a solar cell with a period d comparable with the wavelength of incident light (~ 1 μm), then the following possibilities appear:

1. Локализовать область генерации носителей тока на небольшой глубине (≤10 мкм) от фронтальной поверхности;1. To localize the region of generation of current carriers at a shallow depth (≤10 μm) from the frontal surface;

2. Локализация на небольшой глубине позволит увеличить сбор носителей, практически до 100%. Так как диффузионная длина носителей, даже в кристаллах со временем жизни ~ 10 мкс, на порядок и более больше, чем глубина генерации;2. Localization at a shallow depth will increase the collection of media, up to almost 100%. Since the diffusion length of the carriers, even in crystals with a lifetime of ~ 10 μs, is an order of magnitude or more greater than the generation depth;

3. Создать СЭ на тонких слоях кремния без снижения КПД преобразования.3. Create SC on thin silicon layers without reducing the conversion efficiency.

4. Создать кремниевые космические СЭ с удлиненным сроком службы (радиационно стойкие). Когда область генерации носителей заключена на узкой (~ 10 мкм) полосе и толщина этой полосы на порядок и более меньше длины диффузионного пробега носителей тока, влияние изменения времени жизни на квантовую эффективность с дозой радиации будет много меньше.4. Create silicon space solar cells with an extended service life (radiation-resistant). When the carrier generation region is enclosed in a narrow (~ 10 μm) band and the thickness of this band is an order of magnitude or more less than the diffusion path of the current carriers, the effect of the change in the lifetime on the quantum efficiency with a radiation dose will be much smaller.

Дифракционную решетку на поверхности кристалла (Si) можно создать методами фотолитографии. При использовании эксимерных лазеров для экспонирования фоторезистов, можно получить разрешение по точности до 50 нм, так что получение решетки с периодом ~ 1 мкм не представляет трудности. Такой период решетки равен длине волны света излучения, энергия которого еще достаточна для генерации электронно-дырочных пар в кремнии. Кванты излучений с длиной волны - 1 мкм, поглощаясь глубоко в кристалле, фактически, определяют длинноволновый край фоточувствительности СЭ. Поэтому необходимо, чтобы именно такие кванты поглощались не так далеко от поверхности кристалла. Известно, что кванты с энергией ~ 1,24 эВ (λ~1 мкм) поглощаются в кремнии на глубине ~ 50 мкм, а кванты с энергией ~ 1,12 эВ (λ=1,13 мкм), которые еще могут генерировать носителей заряда, поглощаются на глубинах ~ 110-120 мкм. Поэтому важно, чтобы такие длинноволновые кванты преломлялись при вхождении в кристалл под большим углом. Тогда, несмотря на длинный путь прохождения до генерации носителей заряда, глубина генерации от поверхности будет небольшой и находиться в пределах, близких к области влияния поля объемного заряда р-n-перехода. Такое преломление света можно осуществить, если на поверхности кристалла создать дифракционную решетку с периодом, близким к длине волны кванта излучения, у которого энергия равна или чуть больше ширины запрещенной зоны (Eg) кристалла. Ниже рассмотрим несколько примеров отклонения квантов излучений с разной длиной волны.The diffraction grating on the surface of a crystal (Si) can be created by photolithography methods. When using excimer lasers to expose photoresists, it is possible to obtain a resolution of accuracy up to 50 nm, so that obtaining a grating with a period of ~ 1 μm is not difficult. Such a lattice period is equal to the wavelength of the light of radiation, the energy of which is still sufficient to generate electron-hole pairs in silicon. Quantums of radiation with a wavelength of 1 μm, absorbed deep in the crystal, in fact, determine the long-wavelength edge of the photosensitivity of solar cells. Therefore, it is necessary that such quanta be absorbed not so far from the surface of the crystal. It is known that quanta with an energy of ~ 1.24 eV (λ ~ 1 μm) are absorbed in silicon at a depth of ~ 50 μm, and quanta with an energy of ~ 1.12 eV (λ = 1.13 μm), which can still generate charge carriers are absorbed at depths of ~ 110-120 microns. Therefore, it is important that such long-wavelength quanta be refracted upon entering the crystal at a large angle. Then, despite the long path to the generation of charge carriers, the generation depth from the surface will be small and will be within the limits close to the region of influence of the space charge field of the pn junction. Such a refraction of light can be achieved if a diffraction grating is created on the crystal surface with a period close to the wavelength of a radiation quantum, in which the energy is equal to or slightly greater than the crystal forbidden gap (Eg). Below we consider several examples of deviations of radiation quanta with different wavelengths.

Представим себе, что на поверхности кристалла образована решетка в виде полос с периодом d, равным длине 1 мкм, и световой поток падает перпендикулярно поверхности (фиг.1).Imagine that a lattice is formed on the surface of the crystal in the form of strips with a period d equal to a length of 1 μm, and the light flux falls perpendicular to the surface (Fig. 1).

Воспользуемся уравнением решетки:We use the lattice equation:

d Sin φ=k·λ,d Sin φ = k

где d - период решетки,where d is the lattice period,

λ - длина волны,λ is the wavelength

k - 0, 1, 2… - порядковый номер спектра. Для удобства представления возьмем k=1.k - 0, 1, 2 ... - serial number of the spectrum. For convenience, we take k = 1.

Рассмотрим отклонение лучей света разных длин волн, способных генерировать электронно-дырочные пары в кремнии при d=1 мкм. Допустим, энергия кванта hy=1,25 эВ. При этом длина волны излучения будет λ=0,992. Тогда отклонение излучений будет на угол φ ~ 83°. Кванты с hy=1,25 эВ до поглощения и генерации носителей заряда проходят путь ~ 50 мкм. При таком угле преломления и прохождении пути ~ 50 мкм глубина поглощения от поверхности кристалла будет ~ 7 мкм (фиг.2).Let us consider the deviation of light rays of different wavelengths capable of generating electron-hole pairs in silicon at d = 1 μm. Suppose the quantum energy is hy = 1.25 eV. In this case, the radiation wavelength will be λ = 0.992. Then the deviation of the radiation will be at an angle φ ~ 83 °. Quantums with hy = 1.25 eV pass through a path of ~ 50 μm before absorption and generation of charge carriers. With this angle of refraction and a path of ~ 50 μm, the absorption depth from the surface of the crystal will be ~ 7 μm (Fig. 2).

При энергии квантов излучений, равной hy=1,5 эВ, длина волны будет равна λ=0,826 мкм. Такой свет отклонится на угол φ ~ 55°, но длина пути квантов излучений с такой энергией до поглощения не превысит ~ 8 мкм, а глубина генерации (от поверхности) будет не более 6 мкм.When the energy of radiation quanta is equal to hy = 1.5 eV, the wavelength will be equal to λ = 0.826 μm. Such light will be deflected by an angle of φ ~ 55 °, but the path length of radiation quanta with such energy to absorption will not exceed ~ 8 μm, and the generation depth (from the surface) will be no more than 6 μm.

При более высоких энергиях квантов излучений проходимый путь до поглощения будет еще короче, например, кванты с энергией hy=2 эВ (λ=0, 62 мкм) проходят путь ~ 2 мкм, при этом угол отклонения будет φ ~ 38°, а глубина генерации от поверхности не превысит ~ 1,5 мкм. Как видно из примеров, длинноволновый квант, который еще может генерировать носителей, отклоняется на большой угол, и тем самым генерация носителей окажется близка к границе влияния поля объемного заряда р-n-перехода (с учетом градиента концентрации неравновесных носителей), а коротковолновые кванты, хотя отклонятся относительно на небольшой угол, поглотятся еще ближе к поверхности. Таким образом, создавая дифракционную решетку с периодом ~ 1 мкм на поверхности кремниевой структуры СЭ, можно добиться близкого совмещения области генерации с областью разделения генерированных носителей. При таких условиях, когда практически все генерированные носители окажутся в пределах влияния поля объемного заряда р-n-перехода (влияние это с учетом градиента концентрации неравновесных носителей), то тогда влияние тыльных барьеров и пассивирующих слоев на тыльной поверхности на сбор носителей практически будет нулевым. При выполнении таких условий не надо будет создавать тыльные потенциальные барьеры и пассивировать тыльную поверхность кристалла. Так исключаются из процесса изготовления солнечного элемента энергоемкие и дорогостоящие операции. Кроме того, для создания высокоэффективного солнечного элемента достаточно будет иметь кристалл кремния толщиной ~ 10 мкм.At higher energies of radiation quanta, the path to absorption will be even shorter, for example, quanta with an energy of hy = 2 eV (λ = 0.62 μm) travel a path of ~ 2 μm, with the deflection angle being φ ~ 38 °, and the generation depth from the surface does not exceed ~ 1.5 microns. As can be seen from the examples, the long-wavelength quantum, which can still generate carriers, is deflected by a large angle, and thus the generation of carriers will be close to the boundary of the influence of the space charge field of the pn junction (taking into account the concentration gradient of nonequilibrium carriers), and the short-wavelength quanta although they deviate relatively a small angle, they are absorbed even closer to the surface. Thus, by creating a diffraction grating with a period of ~ 1 μm on the surface of the silicon structure of the solar cells, it is possible to achieve close alignment of the generation region with the separation region of the generated carriers. Under such conditions, when almost all of the generated carriers fall within the influence of the space charge field of the pn junction (this is taking into account the concentration gradient of nonequilibrium carriers), then the effect of the back barriers and passivating layers on the back surface will practically be zero. Under these conditions, it will not be necessary to create back potential barriers and passivate the back surface of the crystal. Thus, energy-consuming and expensive operations are excluded from the manufacturing process of a solar cell. In addition, to create a highly efficient solar cell, it will be sufficient to have a silicon crystal ~ 10 μm thick.

Прототипом данного изобретения является [5], где уменьшение отражения света от поверхности достигается путем создания мелкой текстуры. Мелкая текстура поверхности кристалла создается методом травления, обдуваемым фторсодержащим газом. Однако текстура, получаемая этим методом, является неоднородной по размеру и по форме. Поэтому преломление света одинаковой длины волны может оказаться под разным углом в зависимости от места падения кванта излучения и его проникновение (углубление) в кристалл будет неоднородным. Местами преломление света может быть под небольшим углом, и тогда углубление места генерации носителей тока от поверхности кристалла будет достаточно большим. Поэтому создание элементов толщиной менее 50 мкм без снижения КПД преобразования будет проблематичным. Кроме того, при такой текстуре, где генерация носителей происходит далеко за пределами влияния поля объемного заряда и где градиент концентрации неравновесных носителей не может повлиять на сбор генерированных зарядов, необходимо будет создавать эффективный тыльный барьер для неосновных носителей, с тем чтобы не терять мощность в результате рекомбинации на тыльной поверхности.The prototype of this invention is [5], where the reduction of light reflection from the surface is achieved by creating a fine texture. The fine texture of the crystal surface is created by the etching method, blown by a fluorine-containing gas. However, the texture obtained by this method is heterogeneous in size and shape. Therefore, the refraction of light of the same wavelength can turn out to be at a different angle depending on the place where the radiation quantum is incident and its penetration (deepening) into the crystal will be inhomogeneous. In some places, the refraction of light can be at a small angle, and then the deepening of the place of generation of current carriers from the surface of the crystal will be quite large. Therefore, the creation of elements with a thickness of less than 50 μm without reducing the conversion efficiency will be problematic. In addition, with such a texture where carrier generation occurs far beyond the influence of the space charge field and where the concentration gradient of nonequilibrium carriers cannot affect the collection of generated charges, it will be necessary to create an effective back barrier for minority carriers so as not to lose power as a result recombination on the back surface.

В предлагаемом изобретении, в силу однородности текстуры и размера, сопоставимого с длиной волны низкоэнергетического кванта, способного генерировать носители заряда, световое излучение преломляется так, что вся область генерации носителей находится в области влияния объемного заряда и в области, где имеется градиент концентрации неравновесных носителей тока. Генерированные носители тока в базовой области структуры собираются практически в полном объеме. Таким образом, создается условие сокращения толщины базовой области кремниевого солнечного элемента до величин ~ 10 мкм и увеличения эффективности преобразования за счет уменьшения рекомбинационных и световых потерь.In the present invention, due to the uniformity of the texture and size comparable to the wavelength of a low-energy quantum capable of generating charge carriers, the light radiation is refracted so that the entire charge generation region is in the region of the influence of the space charge and in the region where there is a concentration gradient of nonequilibrium current carriers . The generated current carriers in the base region of the structure are collected almost in full. Thus, a condition is created for reducing the thickness of the base region of the silicon solar cell to values of ~ 10 μm and increasing the conversion efficiency by reducing the recombination and light losses.

ЛитератураLiterature

1. Pierre Verlinden, Olivier Evrard, Emmanuel Mazy, Andre Crahay. SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, 1992, 26 p.71.1. Pierre Verlinden, Olivier Evrard, Emmanuel Mazy, Andre Crahay. SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, 1992, 26 p. 71.

2. Plasma texturing processes for the next generation of crystalline Si solar cells. H.F.W. Dekkers, F. Duerinckx and etc.2. Plasma texturing processes for the next generation of crystalline Si solar cells. H.F.W. Dekkers, F. Duerinckx and etc.

21 st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden, Germany.21 st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden, Germany.

3. LIGHT TRAPPING AND OPTICAL LOSSES IN SOLAR CELLS WITH RIE TEXTURIZED SURFACES.3. LIGHT TRAPPING AND OPTICAL LOSSES IN SOLAR CELLS WITH RIE TEXTURIZED SURFACES.

G. Ebest, A. Mrwa, K. Erler and U. Rindelhartlt.G. Ebest, A. Mrwa, K. Erler and U. Rindelhartlt.

21 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain.21 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain.

4. Патент Японии 2011-084833, приоритет от 06.04.2011, SINGLE-CRYSTAL SILICON SUBSTRATE SURFACE-ROUGHENING METHOD AND METHOD FOR MANUFACTURING PHOTOVOLTAIC DEVICE.4. Japan patent 2011-084833, priority dated 04/06/2011, SINGLE-CRYSTAL SILICON SUBSTRATE SURFACE-ROUGHENING METHOD AND METHOD FOR MANUFACTURING PHOTOVOLTAIC DEVICE.

Международная заявка PCT/JP2012/058952 от 02.04.2012.International application PCT / JP2012 / 058952 dated 02/02/2012.

Авторы: KATSURA Tomotaka, OKAMOTO Tatsuki, MATSUNO ShigeruAuthors: KATSURA Tomotaka, OKAMOTO Tatsuki, MATSUNO Shigeru

5. Патенты Японии 2011-091374, 2011-091382, 2011-091386, приоритет от 15.04.2011, SILICON SUBSTRATE HAVING TEXTURED SURFACE, SOLAR CELL HAVING SAME, AND METHOD FOR PRODUCING SAME.5. Japanese patents 2011-091374, 2011-091382, 2011-091386, priority dated 04.15.2011, SILICON SUBSTRATE HAVING TEXTURED SURFACE, SOLAR CELL HAVING SAME, AND METHOD FOR PRODUCING SAME.

Международная заявка PCT/JP2012/002576 от 13.04.2012.International application PCT / JP2012 / 002576 dated 04/13/2012.

Авторы: NAKAYAMA Ichiro, NOMURA Tsuyoshi, OKUMURA Tomohiro и др.Authors: NAKAYAMA Ichiro, NOMURA Tsuyoshi, OKUMURA Tomohiro et al.

6. R & D PROGRESS OF NEXT-GENERATION VERY THIN HIT SOLAR CELLS.6. R & D PROGRESS OF NEXT-GENERATION VERY THIN HIT SOLAR CELLS.

H. Sakata, Y. Tsunomura and etc.H. Sakata, Y. Tsunomura and etc.

25 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 6-10 September 2010, Valencia, Spain.25 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 6-10 September 2010, Valencia, Spain.

7. Патент Японии 2011-019092, приоритет от 31.01.2011, METHOD FOR FABRICATING SUBSTRATE FOR SOLAR CELL AND SOLAR CELL. Международная заявка PCT/JP2012/051783 от 27.01.2012. Авторы: ТАКАТО Hidetaka, SAKATA Isao, MASE Kciji и др.7. Japanese Patent 2011-019092, priority 01/31/2011, METHOD FOR FABRICATING SUBSTRATE FOR SOLAR CELL AND SOLAR CELL. International application PCT / JP2012 / 051783 dated 01/27/2012. Authors: TAKATO Hidetaka, SAKATA Isao, MASE Kciji, etc.

Claims (1)

Солнечный элемент на основе кристаллического кремния, состоящий из областей p- и n-типов проводимости, имеющий электроды (омические контакты) к р- и n-областям, отличающийся тем, что с целью уменьшения глубины поглощения квантов солнечного излучения, снижения световых и электрических потерь, а также увеличения эффективности преобразования и возможности создания сверхтонких кристаллических солнечных элементов на освещаемой поверхности кристалла создается дифракционная решетка с периодом, равным длине волны кванта излучения, энергия которого равна ширине запрещенной зоны кристалла. A solar cell based on crystalline silicon, consisting of regions of p- and n-types of conductivity, having electrodes (ohmic contacts) to p- and n-regions, characterized in that in order to reduce the absorption depth of quanta of solar radiation, to reduce light and electric losses As well as increasing the conversion efficiency and the possibility of creating ultrafine crystalline solar cells on the illuminated surface of the crystal, a diffraction grating is created with a period equal to the wavelength of the radiation quantum, the energy of cerned equal to the width of the forbidden band of the crystal.

Images