Тонкоплівковий гетерогенний фотоелектричний перетворювач

УКРАЇНА (19) UA (11) 39047 (13) U (51) МПК (2009) H01L 31/18 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС в идається під в ідпов ідальність в ласника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) ТОНКОПЛІВКОВИЙ ГЕТЕРОГЕННИЙ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ 1 2 (13) 39047 (11) 10%) прозорість верхнього електрода. Крім того, арсенід галію є дорогим матеріалом (приблизно в 5-7 разів дорожче за кремній електронної якості) і дещо дефіцитним. В основу корисної моделі поставлено завдання створення тонко-плівкового гетерогенного фотоелектричного перетворювача, в якому за рахунок зміни матеріалу верхнього електрода забезпечується підвищення частки падаючого сонячного випромінювання, що поглинається напівпровідниковою структурою і перетворюється в електрорушійну силу і, як наслідок, підвищення коефіцієнта корисної дії фотоелектричного перетворювання, а також покращення його економічних характеристик. Для вирішення поставленого завдання в тонкоплівковому гетерогенному фотоелектричному перетворювачі, що складається з пластини неорганічного напівпровідника, на тильній стороні якої виконано металевий контакт з алюмінію, на другій стороні - активний шар фталоцианіну міді з прозорим верхнім електродом, згідно з корисною моделлю як неорганічний напівпровідник використано мультикристалічний кремній р-типу, як верхній електрод - прозора плівка з оксиду цинку, легованого алюмінієм з концентрацією 0,95×10-20 1×10-20см -3. Пластина мультикристалічного кремнію може мати стовпчасту структур у кристалічних зерен і UA Корисна модель відноситься до напівпровідникової електроніки, зокрема, до галузі джерел електричної енергії. Відомий гібридний фотоелектричний модуль з підвищеним коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.), який складається з фотоелектричного перетворювача на основі монокристалічного кремнію, на який за методом потенціостатичного циклування нанесена полімерна плівка, що складається з суміші трьох електропровідних полімерів - полістануманілін, полісиланоанілін, поліанілін в масовому співвідношенні 10:8:4 [Патент РФ №2292097 СІ, кл. H01L31/18. 22.08.2005]. Однак, собівартість фотоелектричного перетворювача на основі монокристалічного кремнію є відносно високою, що стримує їх широке впровадження в енергетику. Найбільш близьким по сукупності ознак до заявляемого є твердотілий фотогальванічний елемент [Патент РФ №2071148 СІ, кл. H01L31/18. 27.12.1998], що складається з пластини неорганічного напівпровідника арсеніда галію (GaAs) n-типу провідності, на тильну сторону якої нанесений омічний електрод з міді, а на протилежну поверхню - шар органічного напівпровідника фталоцианіну міді р-типу провідності, поверх якого напилений напівпрозорий електрод зі срібла. Такий фотогальванічний елемент має к.к.д.=4%, що значно нижче за к.к.д. фотоелектричного перетворювача на основі монокристалічного кремнію (14%), і підвищенню цього показника заважає низька (усього U другій стороні - активний шар фталоціаніну міді з прозорим верхнім електродом, який відрізняється тим, що як неорганічний напівпровідник використано мультикристалічний кремній р-типу, як верхній електрод - прозору плівку з оксиду цинку, легованого алюмінієм з концентрацією 0,95*10-201*10-20см -3. 2. Тонкоплівковий гетерогенний фотоелектричний перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що пластина мультикристалічного кремнію має стовпчасту структур у кристалічних зерен і вирізана по нормалі до осей стовпчастих кристалів з площею поперечного перерізу 8-10мм 2. (19) (21) u200811214 (22) 16.09.2008 (24) 26.01.2009 (46) 26.01.2009, Бюл.№ 2, 2009 р. (72) ЗУБКО ЄВГЕНІЯ ІВАНІВНА, UA, ГОЛОВКО ОЛЬГА ПЕТРІВН А, U A, МИ ХАЙЛІН ВАДИ М МИКОЛАЙОВИЧ, U A (73) ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВН А ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ, UA (57) 1. Тонкоплівковий гетерогенний фотоелектричний перетворювач, що складається з пластини неорганічного напівпровідника, на тильній стороні якої виконано металевий контакт з алюмінію, на 3 39047 вирізана по нормалі до осей стовпчастих кристалів з площею поперечного перетину 8-10мм 2. Рівень легування обумовлений тим, що легування з концентрацією вище 1×10-20см -3 неможливе через межу розчинності алюмінію в оксиді цинку в твердому стані, а концентрація нижче 0,95×10-20см3 не забезпечує достатньо високої провідності. Межа площі поперечного перетину обумовлена тим, що існує необхідність зменшити площу міжзернових границь, які є пастками для вільних зарядів, і тому знижують к.к.д. тонкоплівкового гетерогенного фотоелектричного перетворювача. Фотоелектричні перетворювачі, виготовлені з таких пластин, є близькими за параметрами до фотоелектричних перетворювачів з монокристалічного кремнію, але значно дешевшими. Як матеріал верхнього електрода обраний оксид цинку, легований алюмінієм для забезпечення n-типу провідності (n-ZnO:Al) з достатньо високою густиною електронів провідності (n до 1020см -3). Завдяки широкій забороненій зоні оксид цинку прозорий в діапазоні довжини хвиль сонячного випромінювання, що забезпечує безперешкодне надходження світла до активної ділянки фотоелектричного перетворювача. Гетероконтакт органічного напівпровідника фталоцианіну міді з кристалічним неорганічним напівпровідником відноситься до фоточутли вих стр уктур нового покоління. Екологічна чистота, низька вартість, технологічна доступність методів синтезу й фотоелектрична чутливість забезпечують все більш широке використання фталоцианінів в фотоелектроніці. На Фіг.1 зображена схема структури тонкоплівкового гетерогенного фотоелектричного перетворювача. Сонячний елемент складається з пластини мультикристалічного кремнію р-типу провідності 1 на тильній стороні якої виконано металевий контакт з алюмінію 2, на другій стороні - активний шар фталоцианіну міді 3 з прозорим верхнім електродом 4. Мультикристалічний кремній виготовляється очищенням металургійного кремнію (вихідна чис Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 4 тота - не менш як 99,96% Si) шляхом спрямованої перекристалізації за методом Стокбаргера до чистоти не менш як 99,995% Si. Зі стрижня мультикремнію вирізається пластина товщиною 0,4мм, обидві поверхні якої механічно і хімічно полірують. На тильну поверхню пластини за методом вакуумного термічного напилення наноситься плівка алюмінію, що служить електричним контактом. На робочу поверхню пластини за методом вакуумного напилення при температурі 50°С наноситься плівка фталоцианіну міді, поверх якої за методом магнетронного розпилення мішені з окису цинку ZnO, легованого А1, в середовищі аргону наноситься плівка n-ZnO:Al. Принцип дії заявленого тонкоплівкового гетерогенного фотоелектричного перетворювача засноване на законі фотоефекту в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного випромінювання. У фотоелектричному перетворювачі створюють р-n перехід, що є доступним для світла. Під час освітлення фотоелектричного перетворювача змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а з нею і струм. Якщо в фо тоелектричному перетворювачі світло потрапить на р-n перехід, то між р і n ділянками виникає напруга. Прозорість верхнього електрода з n-ZnO:Al 7580% забезпечує підвищення частки падаючого сонячного випромінювання, що поглинається напівпровідниковою структурою і перетворюється в електрорушійну силу, в 7-8 разів порівняно з фотоелектричним перетворювачем-прототипом. Використання замість пластини арсеніду галія дешевого мультикремнію та простих те хнологічних операцій виготовлення знижують собівартість тонкоплівкового гетерогенного фотоелектричного перетворювача, що заявляється, на 85% порівняно з сонячним елементом-прототипом. Коефіцієнт корисної дії тонкоплівкового гетерогенного сонячного елемента, що заявляється, становить 16-20% залежно від параметрів технологічного процесу його виготовлення. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601