RU84625U1

RU84625U1 - PHOTOELECTRIC CONVERTER

Info

Publication number: RU84625U1
Application number: RU2009108497/22U
Authority: RU
Inventors: Игорь Евгеньевич Проценко; Виктор Моисеевич РУДОЙ; Анатолий Петрович Болтаев; Федор Алексеевич Пудонин; Ольга Вадимовна Дементьева; Олег Антонович Займидорога
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии"
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-07-10

Abstract

1. Фотопреобразователь с двумя рабочими поверхностями, содержащий диодные структуры, каждая с n+-p (p+-n)-переходом на лицевой поверхности и изотипным p-p+ (n-n+)-переходом в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что диодные структуры с n+-p (p+-n)-переходами на лицевой и с изотипными p-p+(n-n+)-переходами на тыльной поверхностях ФП выполнены в виде отдельных, не коммутированных металлическими контактами друг с другом участков, размер диодной структуры в плоскости рабочей поверхности ФП много меньше диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, металлические микроконтакты имеются только на поверхности диодных структур, расстояние между соседними диодными структурами с металлическими микроконтактами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области; на участках лицевой и тыльной поверхностей, свободных от диодных структур, расположено изолирующее диэлектрическое покрытие, поверх которого на обе стороны ФП нанесен прозрачный проводящий слой, коммутирующий указанные диодные структуры с микроконтактами между собой и с токосъемным электродом, который наносится на проводящий слой, например, в виде рамки по краям ФП; указанное диэлектрическое покрытие изолирует прозрачный проводящий слой от кремниевой пластины в областях, где диодные структуры отсутствуют, и является также пассивирующим, указанный прозрачный проводящий слой является также просветляющим покрытием. ! 2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что пло1. A photoconverter with two working surfaces, containing diode structures, each with an n + -p (p + -n) junction on the front surface and an isotypic p-p + (n-n +) junction in the base region on the back surface of the silicon wafer, the thickness of the photoconverter commensurate with the diffusion length of minority current carriers in the base region, characterized in that the diode structures with n + -p (p + -n) junctions on the front and with isotypic p-p + (n-n +) junctions on the back surfaces are made in the form separate, not switched by metal contacts each in other sections, the size of the diode structure in the plane of the working surface of the phase transition is much smaller than the diffusion length of minority current carriers in the base region, metal microcontacts are only on the surface of diode structures, the distance between adjacent diode structures with metal microcontacts does not exceed twice the diffusion length of minority current carriers in the base region ; on parts of the front and back surfaces free of diode structures, there is an insulating dielectric coating on top of which a transparent conductive layer is applied on both sides of the FP, commuting these diode structures with microcontacts with each other and with a current collector electrode that is applied to the conductive layer, for example, view of the frame at the edges of the FP; said dielectric coating isolates the transparent conductive layer from the silicon wafer in areas where diode structures are absent and is also passivating, said transparent conductive layer is also an antireflective coating. ! 2. The photoconverter according to claim 1, characterized in that

Description

Полезная модель относится к области конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФП).The utility model relates to the field of design and manufacturing technology of photovoltaic converters (FP).

Известен ФП электромагнитного излучения [1, стр.400] в виде кремниевой пластины р-типа, имеющей мелкий р-n-переход глубиной 250-1000 нм, созданный у поверхности (например, с помощью диффузии), лицевой омический полосковый электрод, тыльный омический полосковый электрод и просветляющее покрытие на лицевой поверхности. Недостатком данного ФП является сравнительно большая глубина р-n-перехода и большая концентрация, например, 5×10¹⁹ см^-3 [1, стр.404], легирующей примеси в n-слое, что является причиной высоких скоростей поверхностной и объемной рекомбинаций в области р-n-перехода и, как следствие, низкого КПД данного ФП.Known AF electromagnetic radiation [1, p. 400] in the form of a p-type silicon wafer having a shallow pn junction with a depth of 250-1000 nm, created near the surface (for example, by diffusion), a front ohmic strip electrode, a rear ohmic strip electrode and antireflection coating on the front surface. The disadvantage of this phase transition is the relatively large pn junction depth and a large concentration, for example, 5 × 10 ¹⁹ cm ^-3 [1, p. 404], of dopants in the n layer, which is the reason for the high rates of surface and bulk recombination in the region of the pn junction and, as a consequence, the low efficiency of this phase transition.

Известна конструкция кремниевых ФП с мелкозалегающим р-n-переходом на большей части лицевой стороны и глубоким р-n-переходом под металлическими контактами на этой стороне [2]. Недостатками таких ФП являются наличие сплошного р-n-перехода на всей лицевой стороне и увеличение толщины первоначально созданного мелкозалегающего легированного слоя в процессе диффузионного легирования областей глубоких рn переходов под металлическими контактами и, как следствие, недостаточно высокий КПД ФП.A known design of silicon phase transitions with a shallow pn junction on most of the front side and a deep pn junction under metal contacts on this side [2]. The disadvantages of such phase transitions are the presence of a continuous pn junction on the entire front side and an increase in the thickness of the initially created shallow doped layer during diffusion doping of regions of deep pn junctions under metal contacts and, as a consequence, the low efficiency of the phase transition.

Известна конструкция ФП с двумя рабочими поверхностями с диодной n⁺-р-р⁺-структурой, у которого конфигурация и площадь контактов на тыльной стороне совпадают в плане с конфигурацией и площадью контактов на рабочей стороне, а толщина базовой области не превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда [3]. Недостатком данной конструкции является наличие на всей поверхности рабочей и тыльной сторон сильно легированных слоев, приповерхностные области которых имеют очень низкую диффузионную длину неосновных носителей заряда, что снижает КПД таких ФП.A known FP design with two working surfaces with a diode n ⁺ -p-p ⁺ structure, in which the configuration and contact area on the back side coincide in plan with the configuration and contact area on the working side, and the thickness of the base region does not exceed the diffusion length of minority carriers charge [3]. The disadvantage of this design is the presence on the entire surface of the working and back sides of heavily doped layers, the surface regions of which have a very low diffusion length of minority charge carriers, which reduces the efficiency of such phase transitions.

Известны конструкция и способ изготовления ФП с «точечными контактами» [4-6] со слоем оксида на лицевой стороне, свободной от легированных слоев и контактов, которые создаются на тыльной стороне в виде чередующихся точечных сильно легированных областей, образующих р-n-переходы и изотипные переходы. Недостатком этих ФП является необходимость неоднократного проведения операций фотолитографического травления, что усложняет процесс изготовления и повышает стоимость ФП.A known design and method of manufacturing a phase transition with "point contacts" [4-6] with an oxide layer on the front side, free from doped layers and contacts, which are created on the back side in the form of alternating point strongly doped regions that form p-n junctions and isotype transitions. The disadvantage of these phase transitions is the need for repeated photolithographic etching operations, which complicates the manufacturing process and increases the cost of phase transitions.

Известен также ФП [7], содержащий, по крайней мере, один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды и металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрированно падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения. Недостатком ФП [7] является наличие фоточувствительного слоя (слоев) в котором, как и в случае ФП [1-3], имеет место сильная объемная рекомбинация носителей.FP is also known [7], which contains at least one photosensitive layer that generates a photocurrent when absorbing electromagnetic radiation, as well as collector electrodes and metal nanoparticles with a size of the order of or less than the wavelength at the maximum of the incident radiation spectrum, which provide concentrated incident radiation in the near zone near the nanoparticles and the generation of photocurrent during the absorption of the specified radiation. A disadvantage of phase transitions [7] is the presence of a photosensitive layer (s) in which, as in the case of phase transitions [1-3], strong bulk recombination of carriers takes place.

В качестве прототипа принята конструкция ФП [8] с двумя рабочими поверхностями, содержащего диодные структуры, каждая с n⁺-p (р⁺-n) переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипным р-р⁺ (n-n⁺) переходом в базовой области на тыльной поверхности пластины, у которого площади и конфигурации металлических контактов на лицевой и тыльной поверхностях совпадают в плане, толщина ФП соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры выполнены в виде отдельных коммутированных контактами участков, совмещенных на лицевой и тыльной поверхностях с участками, на которые нанесены контакты, расстояние между отдельными соседними участками с n⁺-p (р⁺-n) переходами на лицевой поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, а на лицевой поверхности, свободной от n⁺-p (р⁺-n) переходов, и на тыльной поверхности, свободной от контактов, расположена пассивирующая, антиотражающая пленка.As a prototype, the FP design [8] with two working surfaces containing diode structures, each with an n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction on the front surface of a silicon wafer and an isotype p-p ⁺ (nn ⁺ ) junction in the base region, was adopted on the back surface of the plate, in which the areas and configurations of metal contacts on the front and back surfaces coincide in plan, the thickness of the phase transition is commensurate with the diffusion length of minority current carriers in the base region, diode structures are made in the form of separate contact-switched contacts stakes aligned on the front and back surfaces with the areas on which the contacts are applied, the distance between separate adjacent areas with n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions on the front surface does not exceed twice the diffusion length of minority carriers in the base region, and a passive, antireflective film is located on the front surface free of n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions, and on the back surface free of contacts.

В варианте ФП [8] на указанную антиотражающую пленку нанесены нанокластеры из атомов металлов с линейным размером 10-100 нм, причем расстояние между нанокла-стерами в 2-4 раза превышает их размеры. Согласно описанию механизма действия ФП [8] нанокластеры играют роль резонаторов и переизлучают падающее излучение в базовую область, увеличивая функцию генерации в базовой области.In the FP variant [8], nanoclusters of metal atoms with a linear size of 10-100 nm are deposited on the indicated antireflection film, and the distance between the nanoclusters is 2–4 times their size. According to the description of the action mechanism of the phase transition [8], nanoclusters play the role of resonators and re-emit incident radiation to the base region, increasing the generation function in the base region.

Недостатками ФП [8] являются:The disadvantages of AF [8] are:

- относительно большая площадь рабочей поверхности ФП, закрытая металлическими электродами;- a relatively large area of the working surface of the FP, covered by metal electrodes;

- сложная структура электродов на рабочей поверхности ФП, включающая большое число переодически расположенных длинных (несколько сантиметров) металлических нитей очень малой ширины (1-50 мкм, согласно [8]), находящихся на малом расстоянии l друг от друга (для коэффициента диффузии носителей D=25 см²/с и их времени жизни τ_p=100 мкс, l должно быть меньше удвоенной длины диффузии L_D=(Dτ_p)^1/2=500 мкм [9], т.е. l<1000 мкм); такая сложная структура электродов трудна в изготовлении и ненадежна; и- the complex structure of the electrodes on the working surface of the phase transition, including a large number of periodically arranged long (several centimeters) metal threads of very small width (1-50 μm, according to [8]), located at a small distance l from each other (for carrier diffusion coefficient D = 25 cm ² / s and their lifetime τ _p = 100 μs, l should be less than twice the diffusion length L _D = (Dτ _p ) ^1/2 = 500 μm [9], ie l <1000 μm); such a complex electrode structure is difficult to manufacture and unreliable; and

- конструкция ФП [8] не позволяет собирать фотоиндуцированные носители, генерированные за счет фотоэмиссии из металлических наночастиц в полупроводник или при поглощении света в полупроводнике в окрестности этих наночастиц и разделении носителей на барьере Шотки [1, стр.423]. Это приводит к недостаточно высокому КПД ФП конструкции [8].- the FP design [8] does not allow the collection of photoinduced carriers generated by photoemission from metal nanoparticles into a semiconductor or by absorption of light in a semiconductor in the vicinity of these nanoparticles and the separation of carriers at the Schottky barrier [1, p. 423]. This leads to insufficiently high efficiency of the FP design [8].

Задачей предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости и стоимости изготовления, повышение КПД и надежности ФП.The task of the invention is to reduce the complexity and cost of manufacture, increase the efficiency and reliability of the FP.

Технический результат достигается тем, что в фотопреобразователе с двумя рабочими поверхностями, содержащем диодные структуры, каждая с n⁺-р (р⁺-n) переходом на лицевой поверхности кремниевой пластины и изотипным p-p⁺ (n-n⁺) переходом в базовой области на тыльной поверхности пластины, толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, диодные структуры с n⁺-p (p⁺-n) переходами на лицевой поверхности ФП и с изотопными p-p⁺ (n-n⁺) переходами на тыльной поверхности ФП выполнены в виде отдельных, не коммутированных металлическими контактами друг с другом участков, размер диодной структуры в плоскости рабочей поверхности ФП много меньше диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, металлические микроконтакты имеются только на поверхности самих диодных структур, расстояние между соседними диодными структурами с металлическими микроконтактами на поверхности не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области; на участках лицевой и тыльной поверхностей, свободных от диодных структур с микроконтактами, расположено изолирующее диэлектрическое покрытие, поверх которого на всю поверхность нанесен прозрачный проводящий слой, коммутирующий указанные диодные структуры между собой и соединяющий их с токосъемным электродом, который наносится на проводящий слой, например, в виде рамки по краям ФП; указанное диэлектрическое покрытие изолирует прозрачный проводящий слой от кремниевой пластины в областях, где диодные структуры отсутствуют, и является также пассивирующим, указанный прозрачный проводящий слой является также просветляющим покрытием.The technical result is achieved by the fact that in the photoconverter with two working surfaces containing diode structures, each with n ⁺ -p (p ⁺ -n) transition on the front surface of the silicon wafer and isotype pp ⁺ (nn ⁺ ) transition in the base region on the back surface plates, the thickness of the photoconverter is commensurate with the diffusion length of minority current carriers in the base region, diode structures with n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions on the front surface of the phase transition and with isotopic pp ⁺ (nn ⁺ ) junctions on the back surface of the phase transition are made in the form individual areas not switched by metal contacts with each other, the size of the diode structure in the plane of the FP working surface is much smaller than the diffusion length of minority current carriers in the base region, metal microcontacts are only on the surface of the diode structures themselves, the distance between adjacent diode structures with metal microcontacts on the surface does not exceed doubled diffusion length of minority current carriers in the base region; on parts of the front and back surfaces that are free of diode structures with microcontacts, an insulating dielectric coating is located, over which a transparent conductive layer is applied over the entire surface, commuting the indicated diode structures with each other and connecting them to the collector electrode that is applied to the conductive layer, for example, as a frame at the edges of the FP; said dielectric coating isolates the transparent conductive layer from the silicon wafer in areas where diode structures are absent and is also passivating, said transparent conductive layer is also an antireflective coating.

Дополнительное увеличение КПД достигается тем, что площадь поверхностей указанных диодных структур с микроконтактами составляет пренебрежимо малую часть общей площади поверхностей ФП. Например, если площадь поверхности диодной структуры и металлического микроконтакта на ней составляет 100 мкм, а длина диффузии неосновных носителей в базовой области ФП составляет 400 мкм (как и в [8]), то указанные диодные структуры с контактами, расположеные на расстоянии 400 мкм друг от друга, закрывают 100/400²=6,15×10^-4 часть рабочих поверхностей ФП, в то время как в случае [8] диодные структуры с контактами закрывают 10% рабочей поверхности. Соответственно, в ФП предлагаемой конструкции уменьшаются скорости объемной и поверхностной рекомбинаций фотоиндуцированных носителей за счет уменьшения общего объема высоколегированных областей ФП. Дополнительное увеличение КПД ФП возникает из-за того, что расстояние между соседними диодными структурами с микроконтактами может быть значительно меньше длины диффузии неосновных носителей в базовой области ФП при все еще пренебрежимо малой площади поверхности ФП, закрываемой диодными структурами с контактами; дополнительное увеличение КПД ФП возникает, так как указанные изолирующий диэлектрический и прозрачный проводящий слои являются также пассивирущим и просветляющим соответственно.An additional increase in efficiency is achieved by the fact that the surface area of these diode structures with microcontacts is a negligible part of the total surface area of the phase transition. For example, if the surface area of the diode structure and the metal microcontact on it is 100 μm, and the diffusion length of minority carriers in the base region of the phase transition is 400 μm (as in [8]), then these diode structures with contacts located at a distance of 400 μm each from each other, close 100/400 ² = 6.15 × 10 ^-4 part of the working surfaces of the FP, while in the case of [8] diode structures with contacts cover 10% of the working surface. Accordingly, in the phase transition of the proposed design, the rates of volumetric and surface recombination of photoinduced carriers are reduced due to a decrease in the total volume of highly doped regions of the phase transition. An additional increase in the FP efficiency arises due to the fact that the distance between adjacent diode structures with microcontacts can be significantly less than the diffusion length of minority carriers in the base region of the FP with the still negligible surface area of the FP covered by the diode structures with contacts; an additional increase in the FP efficiency arises, since the indicated insulating dielectric and transparent conductive layers are also passivating and antireflective, respectively.

Сущность изобретения поясняется на рис.1, где цифрами указаны: 1 - металлические микроконтакты, 2 - области р-n-переходов под микроконтактами на верхней стороне ФП, 3 - области изотипных переходов под микроконтактами на тыльной стороне ФП, 4 -прозрачный проводящий слой, 5 - изолирующий слой диэлектрика, 6 - базовая область ФП, 7 - токосьемная рамка. На обеих сторонах ФП, изображенного на рис.1, микроконтакты и расположенные под ними участки с р-n (изотипными) переходами занимают менее 1% площади поверхности, несмотря на то что расстояние между соседними микроконтактами может быть существенно (на порядок) меньше длинны диффузии неосновных носителей в базовой области, что повышает эффективность сбора носителей по сравнению с прототипом [8]. Каждый р-n-переход ограничен в плоскости кремниевой пластины пассивирующей пленкой диэлектрика, что обеспечивает малый ток утечки ФП. Практически вся площадь лицевой и тыльной сторон ФП свободна от легированных слоев и имеет низкую скорость поверхностной рекомбинации за счет пассивирующих свойств диэлектрической пленки (например, из Si_xN_y). Высокий КПД и большой фототек обеспечиваются низкой скоростью поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда, диффундирующих из областей в промежутках между микроконтактами, поскольку большинство носителей успевает дойти до р-n (изотипных) переходов, размещенных под микроконтактами и на расстоянии друг от друга, существенно меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области ФП.The invention is illustrated in Fig. 1, where the numbers indicate: 1 - metal microcontacts, 2 - regions of pn junctions under microcontacts on the upper side of the phase transition, 3 - regions of isotype transitions under microcontacts on the back side of the phase transition, 4 - transparent conductive layer, 5 - an insulating layer of a dielectric, 6 - the base region of the phase transition, 7 - current collector frame. On both sides of the phase transition shown in Fig. 1, the microcontacts and the regions below them with pn (isotype) junctions occupy less than 1% of the surface area, despite the fact that the distance between adjacent microcontacts can be significantly (an order of magnitude) less than the diffusion length minority carriers in the base area, which increases the efficiency of media collection compared to the prototype [8]. Each pn junction is limited in the plane of the silicon wafer by a passivating dielectric film, which ensures a low leakage current of the phase transition. Almost the entire area of the front and back sides of the phase transition is free from doped layers and has a low surface recombination rate due to the passivating properties of the dielectric film (for example, from Si _x N _y ). A high efficiency and a large photo library are ensured by the low rate of surface and bulk recombination of minority charge carriers diffusing from regions in the intervals between microcontacts, since most carriers manage to reach pn (isotype) junctions located under microcontacts and at a distance from each other substantially smaller diffusion length of minority charge carriers in the base region of the phase transition.

В варианте изготовления ФП площади и конфигурации металлических микроконтактов и легированных областей под ними на лицевой и тыльной поверхностях ФП совпадают в плане.In the FP manufacturing option, the areas and configurations of metal microcontacts and doped regions below them on the front and back surfaces of the FPs coincide in plan.

В варианте изготовления ФП на его лицевую поверхность с рn-переходами наносятся между микроконтактами металлические наночастицы 8 размером ~ 100 нм (см. рис.2) из благородных металлов, например золота, или такие же наночастицы в тонкой (несколько нм) диэлектрической оболочке, которая препятствует окислению наночастиц; между наночастицами создается изолирующий слой, и затем на всю лицевую поверхность наносится прозрачный проводящий слой. Изолирующий слой между наночастицами создается, например, с помощью термического окисления поверхности кремния. Новым фактором повышения КПД ФП является наличие дополнительного каскада фотопреобразования, в котором фотоиндуцированные носители возникают за счет фотоэмиссии из наночастиц и за счет поглощения света в областях полупроводника в окрестности наночастиц, диэлектрический слой естественного оксида кремния толщиной в несколько нм между наночастицами и полупроводником позволяет носителям, возникающим в результате фотоэмиссии из наночастиц, проникать в базовую область ФП за счет туннелирования и не препятствует образованию барьеров Шотки 10 [1, стр.423] в полупроводнике в окрестности металлических наночастиц; на барьерах Шотки происходит разделение фотоиндуцированных носителей, в т.ч. поглощенных полупроводником; диэлектрический слой является также пассивирующим для поверхности ФП, он препятствует утечке носителей из прозрачного проводящего слоя обратно в полупроводник и рекомбинации носителей на поверхности полупроводника в областях, где наночастицы отсутствуют; поверхностная плотность наночастиц (менее 1%) такова, что расстояние между барьерами Шотки, относящимися к соседним наночастицам, не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, и, кроме того, наночастицы не препятствуют прохождению света в полупроводник; слой 4 оптически прозрачного проводника, нанесенного поверх наночастиц, электрически соединяет наночастицы, микроэлектроды и токосьемные электроды, расположенные, например, по периметру ФП, и обеспечивает отвод фотоиндуцированных носителей во внешнюю цепь; дополнительным фактором повышения КПД является меньшая высота барьеров Шотки по сравнению с энргией запрещенной зоны полупроводника, что позволяет получать фотоиндуцированные носители за счет фотоэмиссии из наночастиц при поглощении света ИК-области спектра за пределами красной границы поглощения в полупроводнике; металлические наночастицы повышают проводимость проводящего слоя 4; слой 4 является также просветляющим покрытием; дополнительным фактором повышения КПД ФП является концентрация электромагнитного поля в окрестности и внутри металлических наночастиц.In the FP manufacturing option, metal nanoparticles 8 of ~ 100 nm in size (see Fig. 2) of noble metals, for example gold, or the same nanoparticles in a thin (several nm) dielectric shell, which are applied between the microcontacts, are deposited on their front surface with pn junctions. prevents the oxidation of nanoparticles; an insulating layer is created between the nanoparticles, and then a transparent conductive layer is applied to the entire front surface. An insulating layer between the nanoparticles is created, for example, by thermal oxidation of the silicon surface. A new factor in increasing the FP efficiency is the presence of an additional photoconversion cascade, in which photoinduced carriers arise due to photoemission from nanoparticles and due to light absorption in the semiconductor regions in the vicinity of nanoparticles, a dielectric layer of natural silicon oxide several nm thick between nanoparticles and the semiconductor allows carriers that arise as a result of photoemission from nanoparticles, penetrate into the base region of the phase transition due to tunneling and does not prevent the formation of Sho barriers Ki 10 [1, str.423] in the semiconductor near the metal nanoparticles; on Schottky barriers, separation of photoinduced carriers occurs, including absorbed by the semiconductor; the dielectric layer is also passivating for the surface of the phase transition; it prevents the leakage of carriers from the transparent conductive layer back into the semiconductor and the recombination of carriers on the surface of the semiconductor in areas where nanoparticles are absent; the surface density of nanoparticles (less than 1%) is such that the distance between the Schottky barriers belonging to neighboring nanoparticles does not exceed twice the diffusion length of minority current carriers in the base region, and, in addition, the nanoparticles do not interfere with the passage of light into the semiconductor; layer 4 of an optically transparent conductor deposited on top of the nanoparticles electrically connects the nanoparticles, microelectrodes, and current collector electrodes located, for example, along the perimeter of the phase transition, and provides the removal of photoinduced carriers into an external circuit; an additional factor in increasing the efficiency is the lower height of the Schottky barriers compared to the energy of the semiconductor band gap, which allows photoinduced carriers to be produced by photoemission from nanoparticles by absorbing light from the infrared region of the spectrum beyond the red absorption boundary in the semiconductor; metal nanoparticles increase the conductivity of the conductive layer 4; layer 4 is also an antireflection coating; An additional factor in increasing the FP efficiency is the concentration of the electromagnetic field in the vicinity and inside the metal nanoparticles.

Примеры изготовления ФПProduction Examples

Пример 1. Используются пластины из моно- или поликристаллического кремния толщиной d=200 мкм р- или n-типа проводимости с диффузионной длиной - 200 мкм.Example 1. We use wafers of mono- or polycrystalline silicon with a thickness of d = 200 μm of p- or n-type conductivity with a diffusion length of 200 μm.

1. Обе поверхности кремниевой пластины текстурируют травлением в щелочном растворе и покрывают при нагревании диэлектрической пленкой-изолятором, например, пленкой нитрида кремния состава Si_xN_y осаждением из газовой фазы, содержащей силан SiH₄ и азот.1. Both surfaces of the silicon wafer are textured by etching in an alkaline solution and coated with a dielectric insulating film, for example, a silicon _x Si film of Si _x N _y deposition from a gas phase containing silane SiH ₄ and nitrogen.

2. Создается лицевая сторона ФП, для чего на одной из поверхностей полученной по п.1 структуры с помощью стандартного процесса фотолитографии [10] вскрываются «окна» в пленке диэлектрика под легируемые области.2. The front side of the phase transition is created, for which “windows” in the dielectric film under the doped regions are opened on one of the surfaces of the structure obtained according to claim 1 using the standard photolithography process [10].

3. Через окна в слое диэлектрика в кремниевой пластине создается р-n-переход, для чего производится легирование поверхности кремния, например, термической диффузией, причем тип легирующей примеси противоположен типу примеси, использованной для легирования базовой области ФП. Обеспечивается создание р-n-перехода на глубине 1-2 мкм. Области поверхности ФП, где нет окон для легирования, защищены от легирования слоем диэлектрика.3. A pn junction is created through the windows in the dielectric layer in the silicon wafer, for which the silicon surface is doped, for example, by thermal diffusion, the type of dopant being the opposite of the type of impurity used to dope the base region of the phase transition. Provides the creation of a pn junction at a depth of 1-2 microns. Areas of the surface of the FP where there are no windows for doping are protected from doping by a dielectric layer.

4. С обеих поверхностей кремния удаляются слои диэлектрика.4. Dielectric layers are removed from both silicon surfaces.

5. Создается тыльная сторона ФП, для чего обе поверхности кремниевой пластины покрывают диэлектрической пленкой-изолятором по п.1 и с помощью стандартного процесса фотолитографии формируют окна в этой пленке с тыльной стороны (без р-n-перехода) пластины. Затем, с целью создания изотипного перехода с тыльной стороны в базовой области кремниевой пластины, через окна в слое диэлектрика осуществляется диффузия легирующей примеси, изотипной базовой области. Обеспечивается создание изотипного перехода на глубине 1-2 мкм.5. The back side of the FP is created, for which both surfaces of the silicon wafer are coated with a dielectric insulator film according to claim 1, and using the standard photolithography process, windows are formed in this film from the back side (without pn junction) of the wafer. Then, in order to create an isotype transition from the back in the base region of the silicon wafer, diffusion of the dopant, an isotype base region, is carried out through the windows in the dielectric layer. Provides the creation of an isotype transition at a depth of 1-2 microns.

6. С обеих поверхностей кремниевой пластины удаляются диэлектрические слои.6. The dielectric layers are removed from both surfaces of the silicon wafer.

7. На обеих поверхностях пластины создаются слои диэлектрика, причем они должны иметь такую толщину, чтобы после нанесения на них прозрачного проводящего слоя в структуре достигался эффект просветления.7. On both surfaces of the plate, dielectric layers are created, and they must be of such a thickness that, after applying a transparent conductive layer to them in the structure, an enlightenment effect is achieved.

8. С помощью фотолитографии в диэлектрических пленках вскрываются окна в области р-n-перехода и изотипного перехода, причем фоторезист после вскрытия окон с остальной части поверхности диэлектрика не удаляется.8. Using photolithography in dielectric films, windows are opened in the region of the pn junction and isotype transition, and the photoresist after opening the windows from the rest of the surface of the dielectric is not removed.

9. Производится металлизация обеих поверхностей ФП последовательным химическим или электрохимическим осаждением слоев никеля, меди и олова.9. Metallization of both surfaces of the FP is carried out by sequential chemical or electrochemical deposition of layers of nickel, copper and tin.

10. Остатки фоторезиста удаляются, унося с собой слои металлов, под которыми он располагался, с помощью т.н. взрывной фотолитографии. На легированных окнах, где фоторезиста не было, слои металлов сохраняются, образуя микроэлектроды. Между электродами остается изолирующий слой диэлектрика.10. The remains of the photoresist are removed, taking with them the layers of metals under which it was located, using the so-called. explosive photolithography. On doped windows, where there was no photoresist, metal layers are preserved, forming microelectrodes. An insulating dielectric layer remains between the electrodes.

11. На обе поверхности пластины наносится прозрачный проводящий слой, например, смешанного оксида индия и олова (ITO), который коммутирует микроэлектроды.11. A transparent conductive layer, for example, mixed indium tin oxide (ITO), which commutes the microelectrodes, is applied to both surfaces of the wafer.

12. Поверх прозрачного проводящего слоя на обе поверхности пластины наносятся токосъемные электроды, например, в виде рамки по периметру пластины.12. On top of the transparent conductive layer on both surfaces of the plate are applied collector electrodes, for example, in the form of a frame around the perimeter of the plate.

В результате получается конструкция ФП, представленная на фиг.1 а, б.The result is the design of the FP, shown in Fig.1 a, b.

Пример 2. Используются те же кремниевые пластины, что и в примере 1.Example 2. The same silicon wafers are used as in example 1.

1. Выполняются пункты 2-6 Примера 1.1. Follow paragraphs 2-6 of Example 1.

2. На поверхность кремниевой пластины, на слой естественного оксида кремния наносятся адсорбцией или осаждением в центробежном поле из коллоидного раствора наночастицы благородного металла (например, золота) или такие же наночастицы в тонкой (несколько нм) диэлектрической оболочке (например, из SiO₂), препятствующей их окислению, или наночастицы благородного металла (например, золота) формируются путем отжига островковой пленки, нанесенной на поверхность ФП методом вакуумного испарения,2. On the surface of a silicon wafer, on a layer of natural silicon oxide, nanoparticles of a noble metal (for example, gold) or the same nanoparticles in a thin (several nm) dielectric shell (for example, of SiO ₂ ) are applied by adsorption or deposition in a centrifugal field preventing their oxidation, or nanoparticles of a noble metal (for example, gold) are formed by annealing an island film deposited on the surface of a phase transition by vacuum evaporation,

3. Выполняются пункты 7-12 Примера 1.3. Follow paragraphs 7-12 of Example 1.

В результате получается конструкция ФП, представленная на фиг.2 а, б.The result is the design of the FP, presented in figure 2 a, b.

ФП работает следующим образом (фиг.1). Излучение попадает на одну или обе поверхности ФП, проникает в базовую область 6 и создает неравновесные пары носителей заряда: электроны и дырки. Генерированные избыточные неравновесные неосновные носители заряда диффундируют по направлению к р-n-переходам 2, разделяются в электрических полях р-n-переходов 2 и через микроэлектроды 1 поступают в прозрачный проводящий слой 4 и затем на токосъемный электрод 7 и в электрическую цепь (на фиг.1_не показана), замыкаясь затем, аналогичным образом, на нижних микроэлектродах 1, находящихся на областях тыльной поверхности ФП с изотипными переходами. При наличии металлических наночастиц (фиг.2) часть светового излучения, падающего на поверхность ФП, концентрируется около наночастиц и внутри них, поглощается наночастицами, вызывая эмиссию носителей одного знака (для случая фиг.2 - дырок) из наночастиц в базовую область ФП, а носителей другого знака (для случая фиг.2 - электронов) - в прозрачный проводящий слой, разделение носителей происходит с участием барьеров Шотки в окрестности наночастиц, на этих же барьерах разделяются также фотоиндуцированные носители, генерированые в полупроводнике, фотоэмиссия из наночастиц происходит в т.ч. при поглощении части спектра света за пределами красной границы поглощеия в кремнии.FP works as follows (figure 1). The radiation hits one or both of the surfaces of the phase transition, penetrates into the base region 6 and creates nonequilibrium pairs of charge carriers: electrons and holes. The generated excess nonequilibrium minority charge carriers diffuse towards the pn junctions 2, are separated in the electric fields of the pn junctions 2 and through the microelectrodes 1 enter the transparent conductive layer 4 and then to the collector electrode 7 and to the electric circuit (in FIG. .1_ not shown), then closing, in a similar way, on the lower microelectrodes 1 located on regions of the back surface of the phase transition with isotype transitions. In the presence of metal nanoparticles (Fig. 2), part of the light radiation incident on the surface of the phase transition is concentrated near the nanoparticles and inside them, it is absorbed by the nanoparticles, causing emission of carriers of the same sign (holes in the case of Fig. 2) from the nanoparticles to the base region of the phase transition, and carriers of a different sign (for the case of FIG. 2 — electrons) - into a transparent conducting layer, carrier separation occurs with the participation of Schottky barriers in the vicinity of nanoparticles, photoinduced carriers generated in semiconductors are also separated at these barriers e photoemission occurs nanoparticulate including upon absorption of a part of the light spectrum beyond the red absorption boundary in silicon.

Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, различные модификации и усовершенствования могут быть сделаны в рамках настоящего изобретения.It should be noted that these embodiments do not limit the claims of the applicant, which can be determined by the attached claims, various modifications and improvements can be made in the framework of the present invention.

Источники информацииInformation sources

1. С.Зи «Физика полупроводниковых приборов», том 2, Москва, «Мир» 1984.1. S. Zi, “Physics of Semiconductor Devices,” Volume 2, Moscow, Mir 1984.

2. Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency// 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987.-P.49-522. Green M.A., Blakers A.W. et al. Improvements in flat-plate and concentrator silicon solar cell efficiency // 19th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987.-P. 49-52

3. Патент США №3948682, кл. 136/84, от 06.04.1976 г.3. US patent No. 3948682, CL. 136/84, 04/06/1976

4. E.V.Kerschaver and G.Beaucarne «Back-contact Solar Cells: A Review» Prog. Photovolt: Res. Appl; 14 107-123 (2006)4. E.V. Kerschaver and G. Beaucarne "Back-contact Solar Cells: A Review" Prog. Photovolt: Res. Appl 14 107-123 (2006)

5. В.Kramer, «Advances in solid state physics» Springer, 2001, p.435. B. Kramer, “Advances in solid state physics” Springer, 2001, p. 43

6. Sinton R.A., Swanson R.M. An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell// 19^th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. N.Y., 1987. P. 1201-1208.6. Sinton RA, Swanson RM An optimization study of Si point-contact concentrator solar cell // 19 ^th IEEE Photovolt. Spec. Conf., New Orleans, 1987. NY, 1987. P. 1201-1208.

7. Проценко И.Е., Займидорога О.А., Рудой В.М. «Преобразователь электромагнитного излучения» патент РФ 2331141 от 2007.02.22.7. Protsenko I.E., Zaimidoroga O.A., Rudoi V.M. "Converter of electromagnetic radiation" RF patent 2331141 from 2007.02.22.

8. Стребков Д.С. Шеповалова О.В. Заддэ В.В. «Полупроводниковый фотоэлектрический генератор», патент РФ 2336596 от 2007.04.11.8. Strebkov D.S. Shepovalova O.V. Zadde V.V. "Semiconductor photoelectric generator", patent of the Russian Federation 2336596 from 2007.04.11.

9. Р.Смит «Полупроводники» М., «Мир», 1982, стр.212.9. R. Smith "Semiconductors" M., "World", 1982, p. 212.

10. С.Зи «Технология СБИС», том 1, Москва, «Мир» 1986, стр.354.10. S. Zi, "VLSI Technology", Volume 1, Moscow, "Mir" 1986, p. 354.

Claims

1. Фотопреобразователь с двумя рабочими поверхностями, содержащий диодные структуры, каждая с n⁺-p (p⁺-n)-переходом на лицевой поверхности и изотипным p-p⁺ (n-n⁺)-переходом в базовой области на тыльной поверхности кремниевой пластины, толщина фотопреобразователя соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, отличающийся тем, что диодные структуры с n⁺-p (p⁺-n)-переходами на лицевой и с изотипными p-p+(n-n+)-переходами на тыльной поверхностях ФП выполнены в виде отдельных, не коммутированных металлическими контактами друг с другом участков, размер диодной структуры в плоскости рабочей поверхности ФП много меньше диффузионной длины неосновных носителей тока в базовой области, металлические микроконтакты имеются только на поверхности диодных структур, расстояние между соседними диодными структурами с металлическими микроконтактами не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области; на участках лицевой и тыльной поверхностей, свободных от диодных структур, расположено изолирующее диэлектрическое покрытие, поверх которого на обе стороны ФП нанесен прозрачный проводящий слой, коммутирующий указанные диодные структуры с микроконтактами между собой и с токосъемным электродом, который наносится на проводящий слой, например, в виде рамки по краям ФП; указанное диэлектрическое покрытие изолирует прозрачный проводящий слой от кремниевой пластины в областях, где диодные структуры отсутствуют, и является также пассивирующим, указанный прозрачный проводящий слой является также просветляющим покрытием.1. A photoconverter with two working surfaces, containing diode structures, each with an n ⁺ -p (p ⁺ -n) junction on the front surface and an isotypic pp ⁺ (nn ⁺ ) junction in the base region on the back surface of the silicon wafer, the thickness of the photoconverter commensurate with the diffusion length of minority current carriers in the base region, characterized in that diode structures with n ⁺ -p (p ⁺ -n) junctions on the front and with isotype p-p + (n-n +) junctions on the back surfaces of the phase transitions are made in the form of separate, not switched metal contacts different sections, the size of the diode structure in the plane of the FP working surface is much smaller than the diffusion length of minority current carriers in the base region, metal microcontacts are only on the surface of diode structures, the distance between adjacent diode structures with metal microcontacts does not exceed twice the diffusion length of minority current carriers in base area; on parts of the front and back surfaces free of diode structures, there is an insulating dielectric coating on top of which a transparent conductive layer is applied on both sides of the FP, switching these diode structures with microcontacts with each other and with a current collector electrode that is applied to the conductive layer, for example, view of the frame at the edges of the FP; said dielectric coating isolates the transparent conductive layer from the silicon wafer in areas where diode structures are absent and is also passivating, said transparent conductive layer is also an antireflective coating.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что площади и конфигурации металлических микроконтактов и легированных областей под ними на лицевой и тыльной поверхностях ФП совпадают в плане.2. The photoconverter according to claim 1, characterized in that the areas and configurations of the metal microcontacts and the doped regions beneath them on the front and back surfaces of the FPs coincide in plan.

3. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что на лицевую поверхность ФП с p-n-переходами наносятся между микроконтактами металлические наночастицы размером ~100 нм из благородных металлов, например золота, или такие же наночастицы в тонкой, несколько нанометров, диэлектрической оболочке, между наночастицами имеется изолирующий слой и на всей этой структуре имеется прозрачный проводящий слой; указанные металлические наночастицы формируют дополнительный каскад фотопреобразования за счет фотоэмиссии из наночастиц и разделения фотоиндуцированных носителей на барьерах Шотки в окрестности наночастиц; поверхностная плотность наночастиц (менее 1%) такова, что расстояние между барьерами Шотки, относящимися к соседним наночастицам, не превышает удвоенную диффузионную длину неосновных носителей тока в базовой области, и, кроме того, наночастицы не препятствуют прохождению света в полупроводник; слой оптически прозрачного проводника, нанесенного поверх наночастиц, электрически соединяет металлические наночастицы, микроэлектроды и токосьемные электроды, расположенные, например, по периметру ФП, и обеспечивает отвод фотоиндуцированных носителей во внешнюю цепь; дополнительным фактором повышения КПД является малая высота барьеров Шотки по сравнению с энергией запрещенной зоны полупроводника, что позволяет получать фотоиндуцированные носители за счет фотоэмиссии из наночастиц при поглощении света ИК-области спектра за пределами красной границы поглощения в полупроводнике; металлические наночастицы повышают проводимость прозрачного проводящего слоя, дополнительным фактором повышения КПД ФП является концентрация электромагнитного поля в окрестности металлических наночастиц.3. The photoconverter according to claim 1, characterized in that metal nanoparticles of ~ 100 nm in size from noble metals, for example gold, or the same nanoparticles in a thin, several nanometers, dielectric shell, are applied between microcontacts on the front surface of the phase transition with pn junctions nanoparticles have an insulating layer and on this entire structure there is a transparent conductive layer; said metal nanoparticles form an additional cascade of photoconversion due to photoemission from nanoparticles and separation of photoinduced carriers at Schottky barriers in the vicinity of nanoparticles; the surface density of nanoparticles (less than 1%) is such that the distance between the Schottky barriers belonging to neighboring nanoparticles does not exceed twice the diffusion length of minority current carriers in the base region, and, in addition, the nanoparticles do not interfere with the passage of light into the semiconductor; a layer of an optically transparent conductor deposited on top of the nanoparticles electrically connects metal nanoparticles, microelectrodes, and current collector electrodes located, for example, along the perimeter of the phase transition, and provides the removal of photoinduced carriers into an external circuit; an additional factor in increasing the efficiency is the small height of the Schottky barriers compared to the energy of the semiconductor band gap, which allows photoinduced carriers to be produced by photoemission from nanoparticles when light is absorbed from the infrared region of the spectrum beyond the red absorption boundary in the semiconductor; metal nanoparticles increase the conductivity of a transparent conductive layer, an additional factor in increasing the efficiency of the phase transition is the concentration of the electromagnetic field in the vicinity of metal nanoparticles.

4. Фотопреобразователь по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что площади и конфигурации металлических микроконтактов и легированных областей под ними на лицевой и тыльной поверхностях ФП совпадают в плане.

4. The photoconverter according to any one of claims 1 and 3, characterized in that the areas and configurations of the metal microcontacts and the doped regions below them on the front and back surfaces of the FPs coincide in plan.