RU2539109C1

RU2539109C1 - Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions

Info

Publication number: RU2539109C1
Application number: RU2013143526/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Мурашев; Сергей Александрович Леготин; Александр Николаевич Леготин; Виктор Наумович Мордкович; Андрей Андреевич Краснов
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention proposes a multijunction silicone monocrystalline photoelectric converter of optic and radiation emissions, which contains diode cells with vertical single n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) junctions located in them perpendicular to horizontal light receiving surface and horizontal n⁺-p^-(p⁺-n^-) junctions located in diode cells parallel to the light receiving surface. All the junctions are connected to a single structure with metal cathode and anode electrodes located on the surface of regions of n⁺(p⁺) type of vertical single n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) junctions. Its diode cells include additional vertical n⁺-p^-(p⁺-n^-) junctions; at that, their regions of n⁺(p⁺) type are connected to regions of n⁺(p⁺) type of n⁺-p^-(p⁺-n^-) horizontal transitions to regions of - n⁺(p⁺) type of vertical single n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) junctions. On its lower and side surfaces there located is a dielectric layer with thickness of less than length of path of radiation particles in the dielectric, on the surface of which a layer of radioactive metal is arranged, which has thickness that is equal to length of path of electrons in metal. Distance between electrodes of the diode cells does not exceed 2 lengths of the path of radiation particles. Besides, the invention proposes a manufacturing method of the above described silicone monocrystalline multijunction photoelectric converter of optic and radiation emissions.

EFFECT: improving efficiency of converters of radiation energy to electric energy; reducing their weight per unit of a surface area and enlarging their field of application.

2 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с).The present invention relates to the field of converters of energy of optical and radiation radiation into electrical energy (emf).

Известна конструкция (фиг.1) многопереходного (МП) кремниевого монокристаллического фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), содержащая диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них одиночными p⁺-n^--n⁺ (p⁺-p^--n⁺) переходами, в направлении, перпендикулярном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами (1. Тюхов И.И. «Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя», патент РФ №2127472 от 10.03.1999; 2. Е.Г. Гук и др. Характеристики кремниевого многопереходного солнечного элемента с вертикальными p-n переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников. 1997 г. Т.31, №7 стр.855-858).A known design (Fig. 1) of a multi-junction (MF) silicon single-crystal photoelectric converter (PEC) containing diode cells (DJ) with a light-reflecting coating placed on their light-receiving surface and with single p ⁺ -n ^- -n ⁺ (p ⁺ -p ^- -n ⁺ ) transitions, in the direction perpendicular to the light-receiving surface, connected to a single structure by metal anode and cathode electrodes (1. I. Tyukhov “Method for the manufacture of a semiconductor photoconverter”, RF patent №2127472 from 10.03.1999; 2. EG Guk et al. Characteristics of a silicon multi-junction solar cell with vertical pn junctions, J. Physics and Technology of Semiconductors. 1997 G. 31, No. 7 p. 855-858).

Такой ФЭП обладает невысоким КПД, (менее 12%), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода, примыкающего к фоточувствительной поверхности ФЭП.Such a PEC has a low efficiency, (less than 12%), since it has a relatively small volume of the space charge region (SCR) of the pn junction adjacent to the photosensitive surface of the PEC.

Известна конструкция (фиг.2) кремниевого многопереходного (МП) монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной (перпендикулярной к направлению света) светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходами и расположенными в солнечных элементах параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n⁺-p^- (p⁺-n^-) переходами, все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей - n⁺(p⁺) типа перпендикулярных одиночных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов (3. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009).A known design (Fig. 2) of a silicon multi-junction (MP) single-crystal PEC, containing diode cells with vertical single single n ⁺ -p ^- -p ⁺ (p ⁺ -n ^- -n) light-receiving surfaces located in them perpendicular to the horizontal (perpendicular to the light direction) ⁺ ) transitions and horizontal n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) transitions located in solar cells parallel to the light-receiving surface, all transitions are connected into a single structure by metal cathode and anode electrodes located respectively о on the surface of regions - n ⁺ (p ⁺ ) of the type perpendicular to single n ⁺ -p ^- -p ⁺ (p ⁺ -n ^- -n ⁺ ) junctions (3. V. Murashev and others. “Semiconductor photoconverter and its manufacturing method ", RF Patent No. 2377695 of 12/27/2009).

Общими недостатками аналогов также является достижение немаксимально возможного КПД преобразователя и ограничение его области применения обязательным присутствием светового (оптического) излучения.The common disadvantages of analogues is also the achievement of the maximum possible efficiency of the converter and the limitation of its scope by the mandatory presence of light (optical) radiation.

Целью изобретения является повышение КПД преобразователя, уменьшение его веса на единицу площади, расширение области его применения.The aim of the invention is to increase the efficiency of the Converter, reducing its weight per unit area, expanding the scope of its application.

Цель достигается за счет:The goal is achieved by:

- изменения конструкции ФЭП путем размещения на нижней и боковых поверхностях многопереходного монокристаллического кремниевого преобразователя (МПМКП) диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике и слоя радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле. При этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц в кремнии;- changes in the design of the photomultiplier by placing a dielectric with a thickness less than the mean free path of radiation particles in the dielectric and a layer of the radioactive metal with a thickness equal to the mean free path of electrons in the metal on the lower and side surfaces of the multi-junction single-crystal silicon transducer (MPMC). Moreover, the distance between the electrodes of the diode cells does not exceed 2 mean free paths of radiation particles in silicon;

- технологии изготовления путем замены алюминиевых прокладок-электродов на прокладки из радиоактивного никеля-63(⁶³Ni) толщиной не более 20 мкм. Изготовления конструкции с шириной кремния между электродами диодных ячеек, не превышающей 100 мкм, осаждения оксида кремния на нижнюю и боковые поверхности конструкции толщиной не более 10 мкм. Осаждения на оксид слоя радиоактивного ⁶³Ni толщиной 10-20 мкм.- manufacturing techniques by replacing aluminum electrode pads with radioactive nickel-63 ( ⁶³ Ni) gaskets with a thickness of not more than 20 microns. Fabrication of a structure with a silicon width between the electrodes of the diode cells not exceeding 100 μm, deposition of silicon oxide on the lower and side surfaces of the structure with a thickness of not more than 10 μm. Deposition on the oxide layer of the radioactive ⁶³ Ni layer with a thickness of 10-20 microns.

Конструкция прототипа показана на рис.3.The design of the prototype is shown in Fig. 3.

На фиг.3 а, б, в соответственно показаны структура (сечение), вид сверху и снизу. МПКМП, который содержит диодные ячейки (ДЯ) 1 с нанесенным на них светопросветляющим покрытием 2, соединенные в единую конструкцию металлическими катодными 3 и анодными 4 электродами с расположенными соответственно на их поверхности полупроводниковыми областями - 5n⁺(p⁺) типа Figure 3 a , b, c respectively shows the structure (section), a top view and a bottom view. MPKMP, which contains diode cells (ДА) 1 with a light-brightening coating 2 applied to them, connected in a single structure by metal cathode 3 and anode 4 electrodes with semiconductor regions located respectively on their surface - 5n ⁺ (p ⁺ ) type

и - 6p⁺(n⁺) типа одиночных вертикальных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов. На верхней и нижней поверхностях ДЯ 1 расположены соответственно полупроводниковые области - 7n⁺(p⁺) типа - 8 p⁺(n⁺) типа горизонтальных n⁺-p^-(p⁺-n^-) переходов. На поверхности областей - 5 n⁺(p⁺) типа и - 6 p⁺(n⁺) типа расположены соответственно области - 9 p^-(n^-) типа и - 10 n^-(p^-) типа, образующие с ними соответственно одиночные n⁺-p^-(p⁺-n^-) и дополнительные p⁺-n^-(n⁺-p^-) переходы.and - 6p ⁺ (n ⁺ ) of the type of single vertical n ⁺ -p ^- -p ⁺ (p ⁺ -n ^- -n ⁺ ) transitions. Semiconductor regions are located on the upper and lower surfaces of ДД 1, respectively - 7n ⁺ (p ⁺ ) type - 8 p ⁺ (n ⁺ ) type horizontal n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) junctions. On the surface of areas - 5 n ⁺ (p ⁺ ) type and - 6 p ⁺ (n ⁺ ) type, respectively, are located areas - 9 p ^- (n ^- ) type and - 10 n ^- (p ^- ) type, forming respectively single n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) and additional p ⁺ -n ^- (n ⁺ -p ^- ) transitions.

Конструкция МПКМП по изобретению показана на фиг.4, где на нижней и боковых поверхностях МПКМП расположен слой диэлектрика 11 толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла 12 толщиной, равной длине пробега электронов в металле. При этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц в кремнии.The design of the MPKMP according to the invention is shown in Fig. 4, where on the lower and side surfaces of the MPKMP there is a dielectric layer 11 with a thickness less than the mean free path of radiation particles in the dielectric, on the surface of which a layer of radioactive metal 12 is placed with a thickness equal to the mean free path of electrons in the metal. In this case, the distance between the electrodes of the diode cells does not exceed 2 mean free paths of radiation particles in silicon.

Пояснения.Explanations

Вышеуказанные ограничения носят принципиальный характер и обусловлены тем, чтоThe above restrictions are fundamental in nature and are due to the fact that

- очевидно, что в случае превышения толщины диэлектрика длины пробега в нем электронов от ⁶³Ni, имеющих энергию 63 кэВ и длину пробега в диэлектрике (оксиде) 40 мкм, электроны не смогут попасть в кремний и создать там ионизационный ток;- it is obvious that if the dielectric thickness exceeds the mean free path of electrons in it from ⁶³ Ni with an energy of 63 keV and the mean free path in the dielectric (oxide) of 40 microns, the electrons will not be able to get into silicon and create an ionization current there;

- толщина слоя ⁶³Ni не должна превышать 2-е длины пробега в нем, в противном случае мала его эффективность использования;- the thickness of the ⁶³ Ni layer should not exceed the 2nd path length in it, otherwise its use efficiency is low;

- ширина монокремния между никелевыми электродами также не должна превышать 2-е длины пробега в нем, иначе электроны не смогут достичь ее центральной части и кремниевый материал не будет эффективно использован;- the width of monosilicon between nickel electrodes should also not exceed the 2nd mean free path in it, otherwise the electrons will not be able to reach its central part and the silicon material will not be effectively used;

- оптимальной шириной является ширина, равная длине пробега электронов в кремнии, т.е. 45 мкм.- the optimum width is the width equal to the mean free path of electrons in silicon, i.e. 45 microns.

Технология изготовления изобретения.Manufacturing technology of the invention.

Например, состоит из следующих технологических операций:For example, consists of the following technological operations:

а) в пластины p^--типа КДБ 10 Ом·см проводят ионное легирование фосфора дозой 2-4 мкКл с последующей разгонкой примеси в течение 4 часов при температуре 950°C;a) in the plates of the p ^- type KDB 10 Ohm · cm carry out ion doping of phosphorus with a dose of 2-4 μC, followed by distillation of the impurity for 4 hours at a temperature of 950 ° C;

б) затем формируют диффузией бора и фосфора p⁺- и n⁺-области;b) then form the diffusion of boron and phosphorus p ⁺ - and n ⁺ -regions;

в) спекают (сплавляют, сращивают) пластины в стопу через прокладки из радиоактивного ⁶³Ni толщиной фольги 20 мкм;c) sintering (fusing, splicing) plates into the foot through gaskets made of radioactive ⁶³ Ni with a foil thickness of 20 μm;

г) режут стопку пластин на отдельные МКПМП;g) cut a stack of plates into separate MKMPP;

д) полируют поверхность преобразователей и имплантируют в нижнюю и верхнюю поверхности ФП фосфор и бор дозой 50 и 40 мкКл соответственно и проводят фотонный отжиг радиационных дефектов;d) polishing the surface of the transducers and implanting phosphorus and boron with a dose of 50 and 40 μC, respectively, into the lower and upper surfaces of the phase transitions and conducting photon annealing of radiation defects;

е) наносят просветляющее покрытие (Si₃N₄) толщиной 0,15 мкм.e) an antireflection coating (Si ₃ N ₄ ) of a thickness of 0.15 μm is applied.

ж) наносят плазмохимический оксид кремния (SiO₂) толщиной 1 мкм на поверхность конструкции МПКМП. Наносят резистивным напылением ⁶³Ni толщиной 20 мкм на нижнюю и боковые поверхности конструкции МПКМП.g) apply plasmochemical silicon oxide (SiO ₂ ) with a thickness of 1 μm on the surface of the MPCMP structure. Apply resistive sputtering ⁶³ Ni 20 microns thick on the lower and side surfaces of the MPKMP design.

Технические преимущества изобретения.Technical advantages of the invention.

Как видно из фиг.3 и 4, n- и p-области многопереходного кремниевого преобразователя образуют конструкцию, что дает возможность реализации максимального объема области пространственного заряда, в которой наиболее эффективно собираются генерированные светом и радиационным излучением носители заряда при минимальном весе на единицу площади преобразователя.As can be seen from FIGS. 3 and 4, the n- and p-regions of the multi-junction silicon transducer form a structure, which makes it possible to realize the maximum volume of the space charge region in which the charge carriers generated by light and radiation are most efficiently assembled with a minimum weight per unit area of the transducer .

Следует отметить, что совмещение в единой функционально-интегрированной «гибридной» конструкции преобразователя солнечного и радиационного излучения дает в ряде применений таким источникам э.д.с. важные преимущества, а именно:It should be noted that the combination in a single functionally integrated "hybrid" design of the converter of solar and radiation radiation gives an emf in a number of applications to such sources important benefits, namely:

- возможность обеспечить зарядку аккумулятора при отсутствии солнечного света при минимальном ее весе, что важно, например, для применения в солнечных батареях беспилотных летательных аппаратов, взрывоопасных помещениях - шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.;- the ability to charge the battery in the absence of sunlight at its minimum weight, which is important, for example, for use in solar panels unmanned aerial vehicles, explosive rooms - mines, night indicators located in hard-to-reach places, etc .;

- возможность дополнительного существенного повышения КПД на несколько %, преобразователя энергии по сравнению с эквивалентной по площади обычной кремниевой солнечной батареей;- the possibility of an additional significant increase in efficiency by several% of the energy converter compared to the equivalent in area conventional silicon solar battery;

- теоретически, срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиационного материала, который для ⁶³Ni составляет 50 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.- theoretically, the service life of such a converter is determined by the half-life of the radiation material, which is 50 years for ⁶³ Ni, which is more than enough in most applications.

Claims

1. Кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n⁺-p^-(p⁺-n^-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n⁺(p⁺) типа вертикальных одиночных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n⁺-p^-(p⁺-n^-) переходы, причем их области n⁺(p⁺) типа подсоединены соответственно областями - n⁺(p⁺) типа n⁺-p^-(p⁺-n^-) горизонтальных переходов к областям - n⁺(p⁺) типа вертикальных одиночных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, отличающийся тем, что на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц.1. Silicon single-crystal multi-junction photoelectric converter of optical and radiation radiation, containing diode cells with vertical single n ⁺ -p ^- -p ⁺ (p ⁺ -n ^- -n ⁺ ) junctions located parallel to the horizontal light-receiving surface and located in parallel to the diode cells a horizontal receiving surface ^{^{^{n + -p - (p + -n}}} -) transitions, all transitions are unified metal cathode and anode electrodes arranged respectively surface areas of n ^⁺ (p ⁺⁾ type single vertical ^{^{^{n + -p - -p + (p}}} + -n - -n +) transitions, while it contains diode cells additional vertical n ^⁺ -p ^- (p ⁺ ^- n ^- ) transitions, and their regions of n ⁺ (p ⁺ ) type are connected respectively by regions - n ⁺ (p ⁺ ) of type n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) of horizontal transitions to regions - n ⁺ (p ⁺ ) of type single vertical n ⁺ -p ^- -p ⁺ (p ⁺ -n ^- -n ⁺ ) junctions, characterized in that on its lower and lateral surfaces there is a dielectric layer with a thickness less than the mean free path of radiation particles in the dielectric, on the surface of which a radioactive metal layer is placed with a thickness equal to the mean free path of electrons in the metal, while the distance between the electrodes of the diode cells does not exceed 2 mean free paths of radiation particles.

2. Способ изготовления преобразователя по п.1, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, металлизацию поверхности пластин, сборку пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавление в вакуумной печи, резанье столбика на структуры, формирование горизонтальных n⁺-p^-(p⁺-n^-) переходов, присоединение токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия, при этом до формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния одиночных вертикальных n⁺-p^--p⁺(p⁺-n^--n⁺) переходов, в объеме пластин формируют слаболегированные дополнительные вертикальные n⁺-p^-(p⁺-n^-) переходы, затем формируют вертикальные одиночные переходы, затем после резки пластин формируют горизонтальные n⁺-p^-(p⁺-n^-) переходы, при этом концентрация примеси в дополнительных горизонтальных n⁺-p^-(p⁺-n^-) переходах более чем на порядок меньше величины концентрации примеси в горизонтальных n^--p⁺(p^--n⁺) переходах, у которых, в свою очередь, концентрация примеси на порядок меньше величины концентрации примеси в областях - n⁺(p⁺) типа вертикальных одиночных переходов, отличающийся тем, что пластины из монокристаллического кремния выполняются толщиной, не превышающей 100-300 мкм, а металлические прокладки выполняют из радиоактивного ⁶³Ni толщиной не более 20 мкм, при этом на нижнюю и боковые поверхности конструкции осаждают оксид кремния толщиной не более 10 мкм, на который осаждается слой радиоактивного ⁶³Ni толщиной 10-20 мкм. 2. The method of manufacturing the Converter according to claim 1, comprising forming on the surface of single crystal silicon wafers vertical single n ⁺ -p ^- -p ⁺ (p ⁺ -n ^- -n ⁺ ) junctions, metallizing the surface of the wafers, assembling the wafers into a column with gaskets made of aluminum foil, fusion in a vacuum oven, cutting a column into structures, the formation of horizontal n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) junctions, the connection of current-conducting contacts and the application of a dielectric light-brightening coating, while prior to the formation of mono wafers on the surface crystalline silicon of single vertical n ⁺ -p ^- -p ⁺ (p ⁺ -n ^- -n ⁺ ) transitions, lightly doped additional vertical n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) transitions form in the plate volume, then vertical single transitions form then, after cutting the plates, horizontal n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) transitions are formed, while the impurity concentration in the additional horizontal n ⁺ -p ^- (p ⁺ -n ^- ) junctions is more than an order of magnitude lower than the impurity concentration in horizontal ^{^{^{n - -p + (p - -n}}} +) transitions, in which, in turn, the concentration of impurities in order of magnitude lower e value of the impurity concentration in regions - n ^⁺ (p ⁺⁾ type single vertical transitions, characterized in that the single crystal silicon wafer performed not exceeding 100-300 microns thick, and metallic pads are made of radioactive ⁶³ Ni not thicker than 20 microns, while on the lower and side surfaces of the structure, silicon oxide is deposited with a thickness of not more than 10 μm, on which a layer of radioactive ⁶³ Ni 10–20 μm thick is deposited.