Сонячний елемент та спосіб його виготовлення

Изобретение относится к области производства солнечных элементов на кремниевой пластине. В работах [1, 2, 3] описаны солнечные элементы, представляющие из себя электроннодырочные переходы или системы слой, сформированные с использованием исходных пластин монокристаллического или крупноблочного кремния полупроводникового качества. Физико-химические характеристики исходных пластин: удельное сопротивление 1 - 12Ос × см, время жизни - >10мксек, содержание примесей -106 - 10-7вес.%. Недостатком описанных элементов в том, что для формирования перехода или системы слой используется поверхностный слой пластины толщиной не более 30 мкм. При толщине исходной пластины 400мм (для элементов Æ100мм) - это составляет 7%, а с учетом потерь при резке слитка на пластины - 4%. Таким образом остальной объем пластины 93 - 96% используется как конструкционный материал, выполняющий функцию механической основы. Из нескольких известных способов изготовления солнечных элементов практическое применение нашли два способа. В первом на одной из сторон исходной кремниевой пластины полупроводникового качества создают различными диффузионными методами электронно-дьфочный переход [1, 2]. Во втором способе на кремниевую пластину подобного же качества наносится слой оксида индия образующий с материалом пластины систему слой [3]. Ближайшим аналогом прототипом изобретения является технология, описанная в работах [1, 2]. С ущность ее в более подробном изложении состоит в следующем: берут монокристаллическую или крупноблочную пластину кремния полупроводникового качества типа или типа, затем на ней диффузионным методом создают слой материала противоположного типа проводимости, формируя таким образом переходы. Процесс диффузии ведут при температуре 800 - 950°C. Основным недостатком аналогов и прототипа является высокая стоимость полупроводникового кремния. Для устранения этого недостатка ставится задача отказаться от использования дорогостоящего полупроводникового кремния. Заменить его на более дешевые марки кремния. Решение поставленной задача позволяет значительно уменьшить производственные затраты до уровня, обеспечивающего организацию производства и выпуск дешевых солнечных батарей для гражданского применения. Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем: предлагается солнечный элемент и способ его изготовления. Солнечный элемент состоит из исходной кремниевой пластины, выполняющей функцию механической основы, и рабочего эпитаксиального слоя полупроводникового кремния одного типа проводимости с пластиной, служащего материалом для формирования перехода, или системы слой. Отличительная особенность элемента состоит в использовании исходной пластины, изготовленной из кремния технического качества, содержащего менее 0,1%(вес.) примесей. Отличительной особенностью способа изготовления солнечных элементов является проведение дополнительной технологической операции по наращиванию эпитаксиального слоя, выполняемую в интервале температур 850 950°C. Новизна предлагаемого технического решения заключается в замене одного материала другим, содержащим новый эффект, заключающегося в применении дешевого технического кремния. Необходимость в ограничении верхнего предела 0,1%(вес.) примесей вызвана тем, что выращивание монокристаллических или крупноблочных слитков кремния с большим содержанием примесей технологически затруднено. Однако реализовать предложенную конструкцию солнечного элемента в производственных условиях при общепринятой технологии эпитаксиального наращивания слоев невозможно. Причина - диффузия примесей в процессе эпитаксии из пластины-подложки в эпитаксиальный слой. Для устранения вредного влияния диффузных процессов нами предлагается технологическое изменение в способе нанесения эпитаксиального слоя. Общепринятая в производственной практике температура процесса 1150 - 1250°C [4] является наиболее оптимальной при использовании исходных пластин-подложек из полупроводникового кремния. При использовании загрязненных пластин-подложек из полупроводникового кремния. При использовании загрязненных пластин-подложек нами предлагается проводить процесс эпитаксии в интервале температур 850 - 950°C. При температуре 950°C и ниже диффузия примесей из исходной пластины ослаблена настолько, что позволяет нарастить эпитаксиальный слой, пригодный для последующего формирования перехода или системы слой. При температуре ниже 850°C процесс эпитаксиального наращивания при использовании четыреххлористого кремния становится неэффективным из-за малой скорости роста. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемый солнечный элемент и способ его изготовления создают новый эффект и обеспечивают решение поставленной задачи. Вывод: описанные объекты обладают достаточно обоснованными признаками изобретения. Примеры реализации предлагаемой технологии производства солнечных элементов. В производстве использовались газофазные установки. Исходные материалы: протравленные пластины технического кремния (монокристаллические, крупноблочные) фосфор, оксид индия Для создания рабочей атмосферы в процессах эпитаксии использовали четыреххлористый кремний и водород. Содержание примесей в техническом кремнии приведены в таблице. Содержание основного вещества 99,9 99,5%, примесей 0,1%. Пример 1. Производство солнечных элементов с электронно-дырочным переходом. Исходные пластины имели тип проводимости, удельное сопротивление - менее 0,006Ом × см. На пластины наращивался эпитаксиальный слой типа, легированный бором, толщина слоя 15 - 25мкм, удельное сопротивление 1 - 8Ом × см. Наращивание эпитаксиального слоя производилось при температуре 900°C в течение 30 - 40мин. Далее на слое формировался переход диффузией фосфора при температуре 900°C. Изготовленные солнечные батареи имели мощность 0,37 - 0,43Вт с площадью 1,5дм 2. Пример 2. Производство солнечных элементов системы На исходных пластинах кремния по аналогичной технологии, как в примере 1 выращивали эпитаксиальный слой типа проводимости, легированный фосфором толщиной 10 - 25мкм с удельным сопротивлением - 10Ом × см. Затем пульверизатором наносился іто-слой из оксида индия, легированный оловом при температуре 350°C. Мо щность батарей, изготовленных из полученных элементов составляла 0,34 - 0,38Вт с площади 1,5дм 2. В процессе поиска оптимального режима проведена серия процессов, где температура наращивания эпитаксиального слоя устанавливалась меньше нижнего и выше верхнего пределов. Так при температуре ниже 850°C наблюдалось резкое замедление скорости роста. При температуре свыше 950°C снижалось качество элементов. Так, батареи площадью 1,5дм 2 имели мощность 0,30 - 0,32Вт. Падение мощности объясняется наличием в эпитаксиальном слое высокоомных прослоек, возникающих в результате диффузии из подложки загрязняющих примесей. Сравнение полученных данных позволяет сделать следующие выводы, что в результате использования технического кремния, стоимость которого в 8 - 10 раз меньше полупроводникового. Себестоимость батареи уменьшилась в 3 - 4 раза. В настоящее время их себестоимость составляет 40 - 50тыс.крб./шт.