Спосіб виготовлення багатоперехідних фотоелектричних перетворювачів

1 Спосіб виготовлення багатоперехідних фотоелектричних перетворювачів, що включає створення вертикальних електронно-діркових переходів, який відрізняється тим, що створення вертикальних електронно-діркових переходів здійснюють у тонкій ПЛІВЦІ аморфного напівпровідникового матеріалу шляхом перекристалізації окремих ділянок цієї плівки на всю її товщину нагріваючим променем, при цьому частка кристалічної фази в перекристалізованих областях становить 0,25-0,95 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що в якості аморфного напівпровідникового матеріалу для плівки застосовують кремній або кремнієвий сплав 3 Спосіб за пп 1 і/або 2, який відрізняється тим, що перекристалізацію нагріваючим променем виконують крізь маску/ки 4 Спосіб за пп 1 і/або 2 і/або 3, який відрізняється тим, що на поверхню ділянок плівки аморфного напівпровідникового матеріалу, які підлягають перекристалізації нагріваючим променем, попередньо наносять легуючі елементи донорного або акцепторного типу Винахід відноситься до мікроелектроніки та може застосовуватись для створення недорогих ефективних сонячних елементів та інших перетворювачів електромагнітної енергії в електричну ВІДОМІ способи виготовлення фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) включають формування вертикальних електронно-діркових переходів (ЕДП) Наприклад, спосіб виготовлення багатоперехідних ФЕП, описаний у роботі Goradia, C and Goradia, MG Proc 12th IEEE Photovoltaic Specialists Conf,, 1976, p 789 включає складання "у стопку" великої КІЛЬКОСТІ звичайних монокристалічних сонячних елементів типу nVn/p4" з наступною спайкою у печі Ефективність елементів такої конструкції (фіг 1) у 1976 році не перевищував 8% Значно підвищено ККД вихідних ФЕП у доповненні відомого способу шляхом формування додаткового горизонтального р-п-переходу та застосуваня алюмінієвих контактів і легованих алюмінієм шарів [Крейнин Л Б , Григорьева Г М Солнечные батареи в условиях воздействия космической раduatfuu II Итоги науки и техники Сер Исследование космического пространства М ВИНИТИ, 1979, т 13, с 128] Для зазначених способів виготовлення ФЕП характерна складність технологічного процесу та велика КІЛЬКІСТЬ технологічних операцій, що є суттєвим недоліком Недоліком є і значні витрати напівпровідникового матеріалу Так, після різок, шліфовок і хімічної обробки на етапі виготовлення монокристалічних підкладок більше половини кремнієвої болванки стає відходом виробництва Складовою недоліку мате ріал о витрати ості є необхідність застосування кремнію монокристалічної структури, який досить слабко поглинає сонячне світло, що змушує робити ФЕП порівняно товстими (більше 70мкм) Всі ЦІ недоліки призводять до незадовільно високої собівартості вихідних ФЕП Найбільш близьким за сутністю є спосіб виготовлення багатоперехідних ФЕП, що включає створення вертикальних ЕДП, описаний у роботі Goradia, С and Goradia, MG Proc 12th IEEE Photovoltaic Specialists Conf, 1976, p 789 У відомому способі (прототип) вертикальні ЕДП створюють шляхом складання "у стопку" багатьох окремих монокристалічних кремнієвих пластин (сонячних елементів) зі структурою п+/п/р+ (фіг 1), спайки, поперечного розрізування цих "стопок", полірування лицевої сторони, нанесення на неї просвітлюючого покриття 4 та під'еднання контактів Головними недоліками прототипу є велика кі 00 (О ю 56814 лькість технологічних операцій та складність технологічного процесу, значні витрати напівпровідникового матеріалу, невисока надійність вихідних ФЕП Остання зумовлена наявністю у структурі численних паяних з'єднань В основу винаходу було покладено задачу віднайти такий спосіб виготовлення багатоперехідних ФЕП, що включає створення вертикальних ЕДП, який дозволив би зменшити КІЛЬКІСТЬ технологічних операцій, зменшити витрати напівпровідникового матеріалу, спростити технологічний процес та підвищити надійність вихідних ФЕП шляхом переходу до технологи, у якій не використовуються монокристалічні підкладки та створення вертикальних ЕДП здійснюється інтегрально Поставлена задача вирішується тим, що у виготовленні ФЕП, що включає створення вертикальних ЕДП, новим є те, що створення вертикальних електронно-діркових переходів здійснюють у тонкій ПЛІВЦІ аморфного напівпровідникового матеріалу шляхом перекристалізації окремих ділянок цієї плівки на всю м товщину нагріваючим променем, при цьому частка кристалічної фази в перекристалізованих областях становить 0,25-0,95 В результаті досягається зменшення КІЛЬКОСТІ технологічних операцій, зменшення витрат напівпровідникового матеріалу, спрощення технологічного процесу та підвищення надійності вихідних ФЕП На фіг 1 зображено ФЕП, виготовлений відомим способом Позначення конструктивних елементів 1 - п+/п-області, 2 - р+-області, 3 - просвітлююче покриття, 4 - металізовані контакти Фіг 2 ілюструє ФЕП, виготовлений винайденим способом Позначення 1 - перекристалізовані області, 2 - аморфні області, 3 - плівка, 4 - основа Виготовлення ФЕП (фіг 2) за запропонованою технологією здійснюють наступним чином На несучу ізолюючу основу 4, наприклад, боросилікатне скло або лавсан, наносять тонку аморфну плівку З, наприклад, пдрогенізованого кремнію (a-Si H) Основу з плівкою розмішують у спеціальному обладнанні для обробки плівки нагріваючим променем, наприклад, лазером Далі, нагріваючий промінь, переміщують по ПЛІВЦІ згідно заданої топологи Тривалість, швидкість та температуру нагріву матеріалу плівки у визначених топологією місцях задають параметрами нагріваючого променя У разі застосування лазера, це інтенсивність, діаметр та поперечний профіль променя, а також загальний час опромінення (для імпульсного лазера — ще тривалість імпульсу та період імпульсів) При цьому добиваються, щоби перекристалізація ділянок плівки відбувалася на всю товщину плівки Регулюючи параметри лазера, перекристалізацію конкретної ділянки аморфної плівки проводять до утворення в ній певної КІЛЬКОСТІ кристалітів, яка може складати частку 0,25-0,95 від об'єму ділянки У такий спосіб, певні аморфні ділянки плівки перетворюють в області із заданим вмістом кристалітів фкр та профілем їх розподілу (профілем кристалічності) Наявність кристалітів в аморфному матеріалі змінює ширину забороненої зони Ед (наприклад, a-Si Н має Ед~1,8еВ, ТОДІ ЯК ЦС-SI Н має Ед 1,55 еВ) В гетерофазній ПЛІВЦІ МІЖ аморфними 2 та перекристалізованими 1 областями виникають гетерогенні ЕДП, як між матеріалами із різною Ед Задана топологія забезпечує чергування аморфних та мікрокристалічних ділянок між собою з утворенням сукупності електрично з'єднаних вертикальних ЕДП Кожен з цих ЕДП умовно являє собою окремий сонячний елемент Виготовлення завершується під'єднанням контактів Найпростіша топологія може являти собою смуги шириною ~0,5мкм та періодом ~0,5мкм При такій топології відстань між елементарними елементами становитиме ~1,0мкм Поряд із кремнієм, в якості матеріалу плівки можна застосовувати кремнієві сплави (a-Si Ge H, a-Si С Н, , ,) та ІНШІ напівпровідникові матеріали, які в аморфному стані мають високий коефіцієнт поглинання світла a Якщо несучою основою є скло або лавсан, надмірного нагріву основи під дією лазера не виникає - ці діелектричні матеріали значно слабше поглинають світло в діапазоні довжин хвиль Я лазерного променя (0,4-10,0мкм) Коли в якості несучої основи використовується сильнопоглинаючий або високоелектропровідний матеріал, наприклад, жесть, то між таким матеріалом та плівкою передбачають кількамікронний шар достатньо прозорого діелектрика У разі гнучкості основи (лавсан, жесть), вихідний ФЕП теж набуває гнучкості, що стає додатковою перевагою запропонованої технологи У якості нагріваючого променя замість лазеру можна використати електронний чи йонний промінь Але ці технології поки що значно поступаються лазерній за технологічними та економічними показниками На СЬОГОДНІШНІЙ день отримання достатньо вузького лазерного променя не становить проблеми Лазерних променів може бути декілька одночасно - кожен обробляє свою ділянку плівки Найбільш універсальним та зручним є ПІДХІД, який полягає у сильному фокусованні і переміщенні лазерного променя При цьому, коли променів декілька, можлива як незалежна робота кожного променя, так і їх сумісна робота з перетином у площині плівки Для найпростішої топології типу "смуга аморфна / смуга мікрокристалічна" замість фокусування та переміщення лазера можна застосувати метод двохпроменевої лазерної інтерференції зі стаціонарним смугастим інтерференційним малюнком з бажаним періодом смуг та регулювати інтенсивність опромінення Коли промінь лазера фокусується недостатньо, можна обмежувати області лазерного нагріву шляхом застосування масок Нанесення масок із характерним розміром отворів ~0,1-0,5мкм можливе лише фотолітографічним способом, а це збільшує КІЛЬКІСТЬ операцій та може забруднювати матеріал плівки Тому застосування фотолітографії виправдане лише, коли вона обіцяє значні переваги Нанесення аморфної плівки виконують, наприклад, плазмохімічним осадженням або вакуумним магнетронним розпиленням Товщина плівки у запропонованому способі від 0,15мкм до 5,0мкм Нижня межа обумовлюється тим, що плівка будь-якого напівпровідника товщиною меншою 0,15мкм буде втрачати (не поглинати) більше 75% енергії світла практично в усьому діапазоні можливого застосування ФЕП (Я,=0,3 56814 Ю.Омкм) Верхня межа обумовлюється технологічною неможливістю насьогодні нагріваючим променем достатньо рівномірно прогрівати і якісно перекристалізовувати плівки товщиною більше 5,0мкм Для кремнію та його сплавів деякі геометричні параметри ФЕП є такими Аморфний та мікрокристалічний кремній поглинають видиме світло в кілька десятків разів краще, ніж монокристалічний Тому для достатньо повного світлозбирання товщина аморфної плівки мусить бути -0,7-1,Омкм З погляду на малу дифузійну довжину неосновних носив як в a-Si Н, так і в цс-Si Н, ширину умовно окремого елементарного елементу бажано робити якомога меншою, технологічно та економічно прийнятним є значення -0,5-1,5мкм Довжина елементарного елементу обмежується горизонтальними розмірами плівки Якщо на поверхню ділянок плівки аморфного напівпровідника, які підлягають перекристалізації, попередньо нанести легуючі елементи донорного або акцепторного типу, то під дією лазера відбувається легування з утворенням донорних або акцепторних центрів, Запропонований спосіб дає можливість ефективно легувати потрібні ділянки плівки ширшою номенклатурою ХІМІЧНИХ елементів та в більших їх кількостях, ніж у традиційних методах легування напівпровідникових матеріалів Наприклад, у a-Si H можна ввести в -10-100 разів більше АІ, Ga, In, P, As чи Sb, ніж дифузійним методом Наносити легуючі елементи можна або крізь маски, що потребує фотолітографії, або без масок на всю поверхню плівки з наступним видаленням з поверхні Таким чином, створюється можливість переходу до структури типу n+=|j.c-Si H / i-a-Si H /p+-)j.c-Si Н та ш Окрім того, лазерним легуванням можна формувати тонкі ОМІЧНІ контакти (металізовані ділянки), ДО ЯКИХ ПОТІМ порівняно просто поєднати ТОВСТІШІ контакти з виводами Запропонований спосіб дозволяє отримати у перекристалізованих областях плівки середній f\ розмір кристалітів d Kp від ~10 2 до -1,0мкм та фкр в межах 0,25-0,95 Це досягається регулюванням режиму нагріваючого променя Нижнє значення (0,25) обумовлене технологічною складністю отримання меншого вмісту кристалічної фази шляхом нагріву та охолодження аморфного матеріалу, Верхня межа (0,95) обумовлена тим, що отримати більшу кристалічність, ніж 0,95, шляхом обробки нагріваючим променем стає надто складним через суттєве збільшення часу обробки Від Фкр залежать такі важливі електро-фізичні характеристики напівпровідника, як Ед ШВИДКІСТЬ рекомбінації S, а, а та ш Наявність кристалітів впливає на електро-фізичні властивості аморфного напівпро відника Це пояснюється привнесенням кристалітами структурної організованості до невпорядкованої аморфної матриці Так, присутність в a-Si H ПЛІВЦІ кристалічної фази на рівні фкр«0,001 відчутно змінює властивості плівки Ще більше змінюються властивості аморфної плівки у запропонои ваному СПОСОбі, ДЄ фкр тіп 0,25, В прототипі передбачена наявність між елементарними елементами металізації Колишня поверхня, а тепер границя метал-напівпровідник стає скупченням центрів рекомбінації, де значна частина носив втрачається (рекомбінує) ФЕН, виготовлений за запропонованим способом, не має цього недоліку, оскільки границі розділу між елементарними елементами тут формуються внаслідок структурно-фазової трансформації Порівняння товщини робочих структур ФЕН створених за відомим способом (прототип) -ЮОмкм та за винайденим ~1мкм, а також врахування значних витрат кремнію у прототипі при механічній обробці (різка, шліфовка) показує, що витрати матеріалу у запропонованому способі на два порядки менші Значно менша у запропонованого способу і КІЛЬКІСТЬ технологічних операцій та складність технологічного процесу Це прослідковується, як на стадії виготовлення підкладки - де замість громіздкого процесу виготовлення монокристалічної кристалографічне орієнтованої підкладки пропонується відносно просте нанесення тонкої аморфної плівки на дешеву ізольовану основу, так і на стадії формування робочої структури — алгоритм руху та зміни лазерного променя легко автоматизувати, Багатоланковий та нештегральний процес виготовлення ФЕП за прототипом замінюється простою схемою "нанесення плівки - перекристалізація - під'єднання контактів" Винайдений спосіб є більш продуктивним та дозволяє отримувати надійніші ФЕП, оскільки не передбачає внутрішніх паяних з'єднань, в той час як у прототипі їх досить багато - 50-100шт Спосіб забезпечує меншу собівартість ФЕП, меншу їх вагу Витрати енергії на роботу лазера істотно не впливають на собівартість ФЕП, оскільки плівка тонка та потребує мало тепла для перекристалізації Важлива перевага способу полягає у принциповій можливості варіювати ВИХІДНІ V X X та ЩІЛЬНІСТЬ струму ФЕП у дуже широких межах топологічним шляхом - підбераючи схему електричного зв'язку між елементарними елементами послідовий зв'язок, паралельний чи комбінований Винайденим способом можна виготовляти ФЕП для якнайширшої сфери застосувань від роботи у складі концентраторних систем до роботи в якості "звичайного" сонячного елемента та в якості датчика 56814 bv Фіг ФІГ Підписано до друку 05 06 2003 р Тираж 39 прим ТОВ Міжнародний науковий комітет вул Артема 77 м Київ 04050 Україна (044)236-47-24 2