Спосіб виготовлення фотоелектричного перетворювача

1. Спосіб виготовлення фотоелектричного перетворювача на основі підкладки кремнію ртипу провідності, який включає операції створення на тильній поверхні підкладки шару р +-типу провідності, формування її на лицьовій поверхні шару n-типу провідності з наступним формуванням контактів, який відрізняється тим, що додатково вирощують шар поруватого кремнію, при цьому шар р+-типу провідності на тильній поверхні формують у процесі одночасної дифузії бору і фосфору із попередньо нанесених на тильну і лицьову поверхні підкладки боросилікатної і фосфоросилікатної емульсій, відповідно, з одночасним формуванням на лицьовій поверхні підкладки шapy n+-типу провідності, потім вибірково видаляють шар n+-типу C2 2 UA 1 3 83887 дірковими переходами, що забезпечують фо тоелектричне перетворення сонячного світла в електричний струм і напругу. Ці способи виготовлення фотоелектричних перетворювачів містять цілий ряд координованих те хнологічних операцій, які включають такі технологічні процеси як 1) хімічне травлення початкових кремнієвих пластин після різання для усунення механічних пошкоджень, 2) кислотну обробку для нейтралізації лужних залишків, 3) термічну дифузію бору і фосфору всередину підкладинки для легування початкового кремнію і створення напівпровідникового переходу, 4) окислення поверхонь підкладинки, 5) нанесення маскувального шару на тильну поверхню, 6) хімічне видалення окису і поверхневого шару кремнію з лицьової сторони; текстур ування лицьової поверхні для підвищення ефективності поглинання сонячного світла, нанесення антивідбивального покриття для зниження оптичних втрат, і нарешті, металізацію і створення омічних контактів. За наявності початкового матеріалу високої якості (з високим рівнем легування і без дефектів) при відповідному виборі вибраних технологічних процесів на прецизійному технологічному обладнанні в особливо чистих лабораторних умовах можна виготовити фотоелектричні перетворювачі, які мають високий ККД порядка 23-25%, близький до теоретичної межі для кристалічних кремнієвих сонячних елементів [A. Goetzberger, J. Knobloch, Bernard Voss, Crystalline Silicon Solar Cells, N.Y.: John Willey & Sons]. Недоліком відомих способів виготовлення високоефективних ФЕП на основі кристалічного кремнію високої напівпровідникової якості е складна технологія виготовлення, що містить велику кількість дорогих технологічних операцій. Тому в умовах промислового виробництва технологію виготовлення фотоелектричних перетворювачів звичайно спрощують з метою зниження виробничих витрат, і значення ККД комерційних ФЕП виявляються значно нижчими лабораторних, як правило не перевищуючи 15-16%. Відомі способи виготовлення фотоелектричних перетворювачів [див., наприклад, патент Російської Федерації №2139600 кл. H01 L 31/18 від 28 жовтня 1999р., Закс М.Б., Коломоец Г.Ю., Пинов А.Б., Ситников A.M., Солодуха О.И. «Спосіб виготовлення товстоплівкового контакта з пониженим перехідним опором до кремнієвих сонячних елементів»], які включають технологічні операції хімічного травлення початкових пластин кремнію після різання для усунення механічних пошкоджень, кислотної обробки для нейтралізації лужних залишків, текстур ування поверхні підкладинки для зниження оптичних втрат, дифузію бору із газової фази, окислення обох поверхонь підкладинки, нанесення маскувального шару на тильну поверхню, хімічне видалення окислу і поверхневого шару кремнію з лицьової сторони; текстур ування лицьової поверхні і нанесення антивідбивального покриття для зниження оптичних втрат; створення n+-шару; металізацію і створення омічних контактів. У результаті одержують фотоелектричні перетворювачі з такими параметрами: напруга холос 4 того ходу 590мВ, густина струму короткого замикання 30мА/ см 2, ККД 13,2%. До недоліків описаного способу слід віднести необхідність проведення допоміжної високотемпературної операції окислення, яка приводить до погіршення рекомбінаційних параметрів підкладинки і, як наслідок, - до зменшення ефективності фотоелектричних перетворювачів, а також формування маскувального шару і проведення операції двох відокремлених процесів текстур ування. Відомий спосіб гетерування домішок, коли на одній із сторін кремнієвої пластини методом електрохімії створюють шар поруватого кремнію [патент США 3929529, Proponiak M. R. Method for gettering contaminants in monocrystalline silicon], а потім структуру із шаром поруватого кремнію піддають відпалу в неокислювальному середовищі, достатньому за часом і температурою для дифузії небажаних домішок із об'єму пластини в поруватий кремній. Після цього пластину окислюють при 1173К, і шар поруватого кремнію з гетерованими домішками видаляють химічною або механічною обробкою. У даному варіанті шар поруватого кремнію виконує лише одну функцію гетерування домішок без оптимизації його властивостей з погляду його застосування у технології фо тоелектричних перетворювачів. Найближчим аналогом є спосіб виготовлення сонячного елемента на основі монокристалічного кремнію [див. патент Російскої Федерації №2139601 кл. H01 L 31/18 від 28 жовтня 1999г., Закс М.Б., Коломоец Г.Ю., Пинов А.Б., Ситников A.M., Солодуха О.И. «Спосіб виготовлення сонячного елемента із N+-Р-Р+ структурою»], в якому досягнуто зменшення кількості технологічних операцій і підвищення ефективності фотоелектричних перетворювачів. Спосіб включає наступні операції : - одночасну дифузію бору і фосфор у із нанесених на тильну і лицьову поверхні боросилікатної і фосфоросилікатної плівок, відповідно; - химічне видалення окисних плівок з обох сторін подкладинки; - текстур ування лицьової поверхні; - створення n-шару; - формування струмознімальних контактів. Недоліком цього способу е наявність високотемпературного процесу одночасної дифузії бору і фосфор у (при температурі 1000°С) і високотемпературного процесу дифузії фосфору (при температурі 830°С), що приводить до утворення дефектів у початковому матеріалі і зменшує часи життя носіїв заряду, і, як наслідок, знижує ефективність фотоелектричних перетворювачів. Такий спосіб виготовлення не забезпечує пасивацію і не сприяє покращенню антивідбивальних властивостей лицьової поверхні фотоелектричного перетворювача. Потенціальні бар'єри в стр уктурі фотоелектричного перетворювача створюються в одному напрямку, що знижує загальну ефективність фотоелектричного перетворення. Одержане значення ККД 16,6% при високому значенні густини струму короткого замикання 36мА/см 2 далеко відстає від можливого ККД для фотоелектричних перетворювачів на основі монокристалічного кремнію. 5 83887 Задачею пропонованого винаходу є підвищення ефективності фотоелектричного перетворювача і зниження енергетичних витрат на його виготовлення за рахунок проведення процесів легування при відносно низьких температурах (менше 780°С), процесів гетерування і стабільного водневого насичення поверхневого шару, створення потенціальних бар'єрів у тривимірному просторі, зниження оптичного відбивання від лицьової поверхні і підвищення відбивання інфрачервоного випромінення від тильної поверхні. Виготовлення фотоелектричного перетворювача проводять у наступній послідовності (що зображено на Фіг.1): - вирощують шар порувато го кремнію; - здійснюють одночасну дифузію бору і фосфору із нанесених на тильну і лицьову поверхні боросилікатної і фосфоросилікатної емульсій, відповідно; - проводять химічне видалення окисних плівок з обох сторін підкладинки; - текстур ують лицьову поверхню фотоелектричного перетворювача; - вирощують шар порувато го кремння ; - створюють n-шар; - вирощують шар порувато го кремныю; - формують стр умознімальні контакти. Суть пропонованого винаходу ілюструється кресленням, на якому схематично зображено технологічний маршрут виготовлення фотоелектричного перетворювача. Пропонований спосіб не тільки не містить додаткової високотемпературної операції окислення, але й забезпечує проведення процесів створення потенціальних бар'єрів при відносно низьких температурах менше 780°С, що не тільки не знижує час життя носіїв заряду, але й забезпечує його підвищення завдяки процесам гетерування і насичення воднем поверхневого шару. У цьому, зокрема, полягають його переваги у порівнянні з найближчим аналогом. Пропонований спосіб не тільки знижує енергетичні витрати на виготовлення і підвищує якість почакткового кремнію, але й забезпечує цілковито нові корисні властивості фотоелектричного перетворювача: - ефективну пасивацію поверхні завдяки стабільній концентрації водню поверхневого шару; - ефективне розділення фотогенерованих носіїв заряду завдяки створенню потенціальних бар'єрів у тривимірному просторі; - зниження оптичного відбивання від лицьової поверхні ФЕП завдяки новій геометричній конфігурації; - підвищення відбивання інфрачервоного випромінення від тильної поверхні ФЕП; - перевипромінювання ультрафіолетового випромінення у видне. Це знайшло своє відображення у підвищенні фоточутли вості як у короткохвильовій, так і в довгохвильовій області спектра. В результаті густина струму короткого замикання виготовлених з допомогою пропонованого способу ФЕП досягає значень до 41мА/см 2, напруга холостого ходу 650мВ, ефективність перетворення 20%. 6 Отже, за рахунок вказаної у пропонованому способі сукупності і послідовності операцій, режимів їх проведення досягається значне підвищення якості фотоелектричного перетворювача і зниження енергетичних витрат під час його виготовлення. Слід відмітити, що введені додаткові операції, пов'язані із вирощуванням шарів поруватого кремнію методами хімічного травлення чи хімічного анодування, проводяться при кімнатних температурах, короткочасні і допускають масовість обробки і автоматизацію, що практично не відбивається на трудомісткості виготовлення високоефективних ФЕП. Приклад конкретного виконання Використали стандартні підкладинки із монокристалічного кремнію КДБ-1 (вирощений за методом Чохральського, легування бором, провідність р-типу, орієнтація , питомий опір порядка 1Ом см, час життя носіїв заряду порядка 10мкс типові параметри так званого «сонячного» кремнію). Початкові пластини мали форму псевдоквадрата разміром 102,8´102,8мм і товщину 300мкм. Первинний шар поруватого кремнію на обох сторонах підкладинки вирощували шляхом химічного травлення в кислотному травнику, який містить 1ч. плавикової кислоти, 3ч. азотної кислоти, 6ч. дейонізованої води, протягом 4-5хв. Потім на лицьову поверхню наносили фосфоросилікатну емульсію, а на тильну поверхню - боросилікатну емульсію. Одночасну дифузію бору і фосфор у всередину підкладинки проводили в дифузійній печі в атмосфері азоту при температурі 800°С протягом 60хв. В результаті на тильній стороні формували легований шар рутилу з поверхневим опором 30Ом/.. Текстурування лицьової сторони проводили шляхом травлення в гарячому розчині 2% гідроокису калію і 4% ізопропілового спирту при температурі 80°С протягом 10хв, одночасно при цьому видаляючи поверхневий n+-шар на лицьовій стороні. Оксидні плівки, що залишилися після дифузії, видаляли з допомогою 10% розчину плавикової кислоти. Вторинний шар поруватого кремнію на текстурованій лицьовій поверхні вирощували тим же методом хімічного травлення , як і перед первинною дифузією бору і фосфору. Для цих же цілей застосовували також метод електрохімічного анодування в розчині зі складом 1 ч. плавикової кислоти і 1ч. ізопропілового спирту при густині струму 25±5мА/см 2 протягом 12±4хв. Вторинну дифузію фосфор у всередину підкладинки проводили через шар поруватого кремнію із газової фази в дифузійній печі при температурі 780°С протягом 35хв. В результаті на лицьовій стороні в шарі поруватого кремнію формували легований шар л-типу з поверхневим опором 80-85Oм/. В якості просвітлювального покриття використовували шар поруватого кремнію, який вирощували методом хімічного травлення протягом 0,5хв. після плазмохімічного травлення торців. Потім проводили формування омічних контактів методом трафаретного друку. Для цього на зворотну сторону підкладинки наносили контактні шини із срібно-алюмінієвої пасти, на решту поверхні - алюмінієву пасту, а на лицьову поверхню наносили контактну сітку із срібної пасти і проводили впалювання в конвеєрній печі за тем 7 83887 ператури 850°С. В результаті на лицьовій стороні одержували контактні шини шириною 2мм, а на тильній стороні - контактні шини шириною 5мм. Виготовлені таким способом фотоелектричні перетворювачі досліджували і випробовували на метрологічне атестованому вимірювальному обладнанні як в лабораторних умовах, так і в умовах серійного виробництва і одержали наступні параметри: 1) напруга холостого ходу 640±15мВ, 2) густина струм у короткого замикання 39±2.0мА/см 2, 3) потужність в точці максимального навантаження 2.05±0.1Вт, 4) ККД 19±1%, які відповідають високоефективним і економічним кремнієвим фотоелектричним перетворювачам. Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 Дані наведені для стандартних умов випробувань: потужність освітлення 1000Вт/м 2, спектральний склад випромінення AM1.5, температура 25°С. Виготовлені фотоелектричні перетворювачі використовували в складі ФЕП модулей і сонячних батарей, які були також успішно випробувані як в стендових, так і в натурних умовах, виявивши при цьому високі експлуатаційні характеристики, що відповідають міжнародним стандартам ISO. Таким чином, наведені дані свідчать про суттєві переваги нового способу виготовлення фотоелектричних перетворювачів у порівнянні з відомими аналогами, оскільки він забезпечує більш високі технічні характеристики виробів при менших технологічних витратах на 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