Спосіб виготовлення тонкоплівкових багатоперехідних фотоелектричних перетворювачів з вертикальними електронно-дірковими переходами

Винахід відноситься до мікроелектроніки та може застосовуватись для створення недорогих ефективних сонячних елементів та інших перетворювачів електромагнітної енергії в електричну. Найбільш близьким за сутністю є спосіб виготовлення тонкоплівкових багатоперехідних фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) з вертикальними електронно-дірковими переходами (ЕДП), описаний у патенті України №56814А МПК H01L 31/04 2003 року. У відомому способі (прототип) на ізолюючу підкладку наносять тонку (0,15-5мкм) плівку аморфного напівпровідникового матеріалу. Потім окремі ділянки цієї плівки перекристалізовують на всю товщину лазерним променем згідно заданої топології. Топологія забезпечує, що аморфні ( a - ) та перекристалізовані ( mc - ) області поперемінне чергуються між собою, утворюючи сукупність вертикальних ЕДП, а ви хідний ФЕП стає сук упністю елементарних фо тоелементів типу i - a / i - mc - . У технології виготовлення за способом-прототипом передбачається можливість додаткового нанесення на поверхню плівки легуючи х елементів донорного або акцепторного типу. При цьому під дією лазера одночасно із перекристалізацією відбувається легування. В такому випадку ФЕП за своєю структурою стає сук упністю елементарних фотоелементів типу p - mc - / i - a - / n - mc - Така структура ФЕП має суттєво вищий ККД, порівняно до нелегованої структури ( i - a / i - mc - ) за рахунок більших вбудованих полів між легованими областями. Головним недоліком прототипу є те, що він передбачає однокаскадність вихідного ФЕП. Однокаскадний ФЕП характеризується незадовільно високими втратами фотонів внаслідок слабкого поглинання світла перекристалізованими областями ( mc - області мають на порядок нижчий коефіцієнт поглинання, ніж a -області). Фотони, які не були поглинуті mc - областями, залишають ФЕП, не будучи перетвореними на електроенергію. Це означає невикористання значної частки корисних фотонів, тобто низької ефективності поглинання однокаскадними ФЕП. Відомий спосіб, отже, характеризується невиправданими втратами ККД. В основу винаходу було покладено задачу віднайти такий спосіб виготовлення тонкоплівкових багатоперехідних ФЕП з вертикальними ЕДП, який дозволив би підвищити ККД ФЕП, шля хом підвищення ефективності поглинання за рахунок введення у структур у ФЕП другого каскаду, інвертованого по відношенню до першого. Поставлена задача вирішується тим, що у виготовленні тонкоплівкових багатоперехідних ФЕП з вертикальними ЕДП, вертикальні ЕДП в якому створюють шляхом перекристалізації лазерним променем окремих ділянок нанесеної на ізолюючу підкладку аморфної напівпровідникової плівки, новим є те, що на дві прозорі ізолюючі підкладки наносять по одній плівці аморфного напівпровідникового матеріалу, потім обидві плівки перекристалізовують, першу – згідно з першою топологією, а другу - згідно з другою топологією, після чого обидві структури "підкладка - плівка" накладають одна на одну крізь зклеюючий шар діелектрика, при чому друга топологія є інвертованою по відношенню до першої топології. Крім того, з метою додаткового поліпшення вихідних характеристик ФЕП, перед нанесенням другої плівки аморфного напівпровідникового матеріалу на ізолюючу підкладку доцільно наносити тонкий шар металу, а на нього - тонкий шар діелектрика, та/або перед нанесенням першої плівки аморфного напівпровідникового матеріалу на ізолюючу підкладку наносити тонкий текстуризований шар прозорого діелектрика. При цьому, металічний шар слугує нижнім рефлектором, а текстурований діелектричний шар - верхнім просвітлюючим покриттям. І те і інше збільшує ефективність поглинання, а отже ККД. В результаті досягається підвищення ККД ФЕП, за рахунок того, що конструкція ФЕП стає двохкаскадною з інвертованим (по відношенню до верхнього) нижнім каскадом, і фотони, які не були поглинуті mc - областями верхнього каскаду, поглинаються a -областями нижнього каскаду, що істотно збільшує е фективність поглинання. На фіг.1 зображено ФЕП, виготовлений відомим способом. Позначення конструктивних елементів: 1 аморфні області; 2 - перекристалізовані області; 3 – напівпровідникова плівка; 4 - скляна підкладка. Фіг.2 ілюстр ує ФЕП, виготовлений винайденим способом. Позначення: 1 – аморфні області; 2 – перекристалізовані області; 5 – полімер (зклеюючий діелектрик); 6 - перша напівпровідникова плівка товщиною w1; 7 - перша підкладка; 8 - друга підкладка; 9 - друга напівпровідникова плівка товщиною w2; 10 - шар металу (нижній рефлектор); 11 - шар діелектрику (для ізоляції рефлектора); 12 - шар текстурованого діелектрику (верхнє просвітлююче покриття). На фіг.3 та 4, показані топології нижнього (а) та верхнього (b) каскадів (або перша та, інвертована щодо неї, друга топологія). Позначення: 1 - аморфні області; 2 - перекристалізовані області. Для перших дво х фігур (фіг.1, 2) показаний також спосіб електричного під’єднання ФЕП до корисного навантаження, яке споживає вироблену електрику (RІ – опір корисного навантаження). Виготовлення ФЕП за запропонованою технологією проходить в три етапи: виготовлення першого (верхнього) каскаду, виготовлення другого (нижнього) каскаду та зклеювання їх в єдину дво хкаскадну систему. Обидві топології є геометрично подібними, за винятком протилежного по відношенню одне до одного розташування a та mc - областей (інвертованість). Інвертованість полягає у тому, що друга топологія передбачає таке розташування a - та mc - областей у нижньому каскаді, що при накладанні обох каскадів одне на одного, всі mc - ділянки нижнього каскаду знаходяться напроти всіх a - ділянок верхнього, і навпаки, всі a - ділянки нижнього каскаду - напроти всіх mc - ділянок верхнього (фіг.3, 4). Виготовлення верхнього каскаду здійснюють наступним чином (фіг. 2). На першу прозору ізолюючу підкладку, наприклад, боросилікатне скло, наносять тонку (~ 0,6-1,2 мкм) плівку аморфного напівпровідникового матеріалу, наприклад, гідрогенізованого кремнію ( a - Si:H). Далі, на плівку тонким шаром наносять донорний легуючий елемент, наприклад, фосфор та лазерним променем перекристалізовують плівку в тих місцях, де перша топологія передбачає mc - області n-типу. Під дією лазерного променя одночасно відбувається два процеси: лазерне легування ділянок плівки донорною домішкою та перекристалізація. В результаті, формуюються n - mc - області. Легуючу речовину видаляють з поверхні плівки. Аналогічно за допомогою лазера та легуючого елементу акцепторного типу, наприклад, бору, створюють p - mc - області в місцях, де перша топологія їх передбачає. Після видалення легуючої речовини, проводиться напилення контактів. Виготовлення нижнього каскаду проводиться за другою топологією аналогічно виготовленню верхнього каскаду. Після цього, на поверхню одного з каскадів наносять тонкий шар полімера, або іншого клейкого діелектрика, та верхній і нижній каскади накладають одне на одного підкладками назовні. При застосуванні полімера, структур у кілька хвилин витримують при підвищеній температурі до затвердіння полімера. Вищезгадане лазерне легування можна проводити не одночасно з перекристалізацією, а після неї, тобто після перекристалізації всіх ділянок, які топологія передбачає мікрокристалічними. Легування mc - областей проводиться за температур, нижчих на 5-20% температури плавління кристалітів. Це потребує на один-два порядки тривалішого опромінення лазером, ніж при одночасному з перекристалізацією легуванні, що дозволяє використовува ти таке пост-кристалізаційне легування також і в якості відпалу mc - областей для укрупнення кристалітів та підвищення вмісту кристалічної фази. Отримуємо двохкаскадний ФЕП з чотирьма виводами, на відміну від однокаскадного ФЕП, який пропонується виготовляти відомим способом (прототип). Окремі виводи до кожного з каскадів знімають проблему взаємоузгодження каскадних струмів (за однакової товщини, каскади дають різну потужність). Кожен з каскадів, по суті, являє собою сукупність елементарних фотоелементів типу p - mc - / i - a - / n - mc - . Поряд із кремнієм, в якості матеріалу плівки можна застосовувати кремнієві сплави ( a - Si:Ge:H, a - Si:C:H,...) та інші напівпровідникові матеріали, які в аморфному стані мають високий коефіцієнт поглинання світла a . Під прозорістю ізолюючих підкладок, на які наносять плівки аморфного напівпровідникового матеріалу, розуміється, що їх коефіцієнт поглинання є меншим від 103 см -1. Це пояснюється необхідністю уникнення перегріву підкладок під дією лазера (діапазон довжин хвиль лазера зазвичай становить 0,3-10мкм). Однаковість ширини a - та mc - -областей гарантує знаходження а-областей нижнього каскаду точно під mc - -областями верхнього, і знаходження mc - -областей нижнього каскаду — під a - областями верхнього. Тоді фотони, які не були поглинуті mc - областями верхнього каскаду, будуть поглинатися a - областями нижнього каскаду. Порівняно з ФЕП, виготовленими відомим методом (однокаскадний ФЕП), має місце суттєве збільшення ККД (до 60 %, в залежності від товщини плівок). Нанесення аморфної плівки виконують, наприклад, магнетронним катодним розпиленням кристалічної Siмішені в водневій плазмі або розкладанням моносілану (SiH4) у камері з тліючим розрядом при високому розведенні воднем ([H2]/[SiH4] > 10). Через малість дифузійної довжини нерівноважних носіїв в a - областях, їх (а отже і mc - області, в силу умови однаковості геометрії) бажано робити якомога вужчими. З іншого боку, збільшення товщини плівки збільшує е фективність поглинання, але мінімальна досяжна ширина mc - областей (а отже і a - областей) при цьому збільшується із збільшенням товщини плівки. Тому, у товщинах плівок верхнього та нижнього каскадів існує певний оптимум: плівки мусять бути достатньо товстими для якповнішого поглинання фотонів, і в той же час не настільки товстими, щоби надмірним розширенням a - та mc - областей спричиняти погіршення характеристик переноса та зниження ККД. На думку авторів, оптимальна в сенсі найбільшого ККД товщина плівок для кремнію та його сплавів лежить в межах 0,6-1,2мкм, при цьому мінімальна досяжна ширина mc - та a - областей становить 0,3-0,6мкм. При цьому ширина елементарного фотоелемента складає ~0,6-1,2мкм, а довжина обмежується лише топологією або горизонтальним розміром плівки. Для інших напівпровідникових матеріалів, а також в залежності від призначення ФЕП, оптимальна товщина плівок може лежати в межах 0,3-3,0мкм. Товщина верхнього та нижнього каскадів може бути неоднаковою. Найбільший ККД двохкаскадної системи досягається, коли кожен з каскадів дає приблизно однакову потужність. Щоби верхній каскад поглинав однакову з нижнім кількість фотонів, його треба робити на 30-60% тонкішим від нижнього. При переході від однокаскадності до двохкаскадності має місце збільшення собівартості ФЕП на 50-80% (витрати матеріалів подвоюються за майже незмінних витрат на обслуговування устатк ування). Зважаючи на значний приріст ККД та на те, що вартість власне ФЕП-модуля складає всього ~20% від загальної вартості фотогенеруючої або фотодетектуючої системи, таке збільшення собівартості ФЕП є прийнятним. Наступні заходи дозволяють підвищити ефективність поглинання багатоперехідних ФЕП з вертикальними ЕДП: застосування нижнього металевого рефлектора (мусить бути електрично ізольваним від напівпровідникових структур тонким шаром прозорого діелектрика); застосування фронтального текстуризованого просвітлюючого покриття. Матеріалом для нижнього рефлектора може бути високопровідний, а отже "високодзеркальний" метал, наприклад, Ag, Αl. Очевидно, що для уникнення закоротки вертикальних ЕДП в нижньому каскаді, рефлектор потрібно ізолювати: для цього передбачений шар діелектрику 9 (фіг.2). Матеріалом для фронтального текстуризованого просвітлюючого покриття можуть слугувати такі діелектрики, як ТiO2, Si3N4. Оптимальною геометрією текстуризації є щільна сукупність пірамід, з періодом, який забезпечує найкраще розсіювання світла конкретної довжини хвилі. Текстуризація виконується за однією з відомих технологій текстуризації просвітлюючого покриття. Винайденим способом можна виготовляти недорогі ефективні сонячні елементи та датчики.