Основные направления повышения эффективности кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей

4 Основные направления повышения эффективности кристаллических кремниевых ФЭП

Для достижения максимально возможной эффективности работы монокристаллических кремниевых ФЭП необходимо обеспечить:

1) минимальное затенение фронтальной поверхности базового кристалла гребенчатым токосъемным электродом;

2) максимальное снижение потерь солнечной энергии, связанных с отражением света от фронтальной поверхности базового кристалла;

3) как можно более высокое значение времени жизни неосновных носителей заряда в объеме базового кристалла после изготовления ФЭП;

4) превышение диффузионной длины неосновных носителей заряда над толщиной базового кристалла в течение всего срока эксплуатации ФЭП;

5) минимальные скорости поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда на лицевой, тыльной и торцевой поверхностях базового кристалла ФЭП;

6) наиболее полное фотоэлектрически активное поглощение в объеме кристалла всех проникающих туда квантов света из фотоактивной области солнечного спектра;

7) максимальное снижение последовательного сопротивления и максимальное увеличение шунтирующего сопротивления.

Обеспечение первого из перечисленных выше требований достигается за счет оптимизации геометрии фронтального токосъемного электрода [11]. У лучших зарубежных монокристаллических кремниевых ФЭП степень затенения фронтальной поверхности токосъемным электродом составляет 3-5%, что имеет место при ширине полосчатых параллельных элементов гребенчатого электрода 10 мкм и расстоянии между ними 300 мкм. Полное устранение затенения фронтальной поверхности ФЭП токосъемными электродами можно достичь вынесением электродов обеих полярностей на тыльную поверхность фотопреобразователя.

Для максимального снижения отражения квантов света от поверхности базового кристалла последняя подвергается текстурированию и нанесению поверх текстуры двухслойного просветляющего покрытия из TiO₂ толщиной 70-80 нм, а затем из Al₂O₃ толщиной 140 нм. Этот подход позволяет снизить интегральный коэффициент отражения в видимой области спектра до 2-3 % .

Текстурированние поверхности заключается в ее селективном химическом травлении, которое приводит к образованию развитого рельефа. До химического травления пластина кремния имеет толщину 400-500 мкм, после - ее толщина не более 200 мкм. Утонение базовых кристаллов позволяет избавиться от микротрещин, возникающих при порезке слитка. Такие микротрещины приводят к повышенному шунтированию p-n перехода. Кроме того, внутренние поверхности, обусловленные микротрещинами, представляют собой источник рекомбинационных центров, снижающих фототок ФЭП. Также необходимо отметить, что для ФЭП космического назначения снижение толщины их базовых кристаллов до значений, меньших диффузионной длины электронов в p-слое, существенно повышает радиационную стойкость приборов после воздействий факторов космического пространства. Текстурирование эффективно способствует не только существенному повышению числа квантов света, проникающих в базовый кристалл, но и возрастанию доли электронно-дырочных пар, генерируемых вблизи p-n перехода со стороны р-базы. В результате коэффициент собирания неравновесных неосновных носителей заряда может оставаться достаточно высоким даже при уменьшении их диффузионной длины в р-базе, что имеет место в космическом пространстве из-за радиационных повреждений структуры кристалла [10].

Использование высококачественного кремния р-типа проводимости, полученного методом зонной плавки, с удельным сопротивлением 10 Ом×см и временем жизни электронов не менее 100 мкс, а также оптимизация геометрии и концентрационного профиля n⁺-слоя со стороны фронтальной поверхности ФЭП являются неотъемлемыми условиями обеспечения выполнения третьего требования. В настоящее время оптимальные параметры n⁺-слоя следующие: толщина 0,1-0,15 мкм, средняя концентрация атомов фосфора 5∙10¹⁸ см^-3. Выполнение четвертого требования достигается при этом автоматически, т.к. диффузионная длина электронов при этом в кристалле толщиной менее 300 мкм превышает 500 мкм [4].

Для уменьшения поверхностной рекомбинации используют пассивацию, которая заключается в выращивании слоя оксида кремния или нанесении слоя нитрида кремния. Пассивирующая пленка вместе с тонким легированным слоем кремния образуют двухслойную структуру, позволяющую не только уменьшить эффективную скорость поверхностной рекомбинации но и улучшить собирание избыточных носителей заряда, созданных коротковолновым излучением, поглощенным вблизи фронтальной поверхности фотопреобразователя. Оптимальная толщина пассивирующего слоя из двуокиси кремния составляет 12-15 нм.

Для снижения рекомбинационных потерь на торцевой поверхности ФЭП эффективно проведение диффузии фосфора в базовый кристалл кремния р-типа проводимости не по всей фронтальной поверхности кристалла, а в «кармане», отделенном по периметру от торцевой поверхности «бордюром» оптимальной ширины. При затененном «бордюре» его ширина может не превышать 2-3 диффузионных длин неосновных носителей заряда. Заметим, что та часть солнечной энергии, которая поступает в область «бордюра», может быть полезно использована, если с помощью отражательной системы ее направить в окна между проводящими элементами фронтального токосъемного электрода. Соответствующую отражательную систему можно реализовать, например, за счет специального профилирования и локальной металлизации в необходимых местах внутренней поверхности наклеиваемого на ФЭП защитного стекла.

Уменьшение скорости рекомбинационных процессов на тыльной поверхности ФЭП достигается благодаря созданию изотипного p-p⁺ перехода. В области контакта металла с поверхностью p⁺-типа проводимости уровень ее легирования акцепторной примесью повышается на 3-4 порядка. Наличие такого изотипного перехода увеличивает собирание избыточных неосновных носителей из базового слоя, а также способствует увеличению их диффузионной длины .

Наиболее полное фотоэлектрически активное поглощение всех квантов света в объеме кристалла достигается благодаря использованию тыльного рефлектора. Вследствие утонения кристалла кванты света с энергиями, незначительно превышающими ширину запрещенной зоны кремния, проходят через базовый кристалл, не поглощаясь. Энергия таких фотонов идет на разогрев тыльного электрода. Это приводит к существенному уменьшению фототока, а значит и к снижению КПД фотопреобразователя. Применение тыльного рефлектора позволяет увеличить путь, проходимый светом в объеме базового кристалла, за счет отражения света от расположенного на тыльной стороне отражающего слоя, в качестве которого используется тыльный токосъемный электрод из алюминия. С целью предотвратить растворение кремния в алюминии в настоящее время стандартной при изготовлении высокоэффективных кремниевых ФЭП стала технология, при которой базовый кристалл и слой Al разделены пассивирующим окислом. При этом, непосредственный контакт тыльного сплошного токосъемного электрода с р⁺-слоем осуществляется через точечные окна в SiO₂. Суммарная площадь последних составляет не более 0,2 % от общей площади тыльной поверхности ФЭП. Области р⁺-типа формируются только над точечными контактными окнами, что способствует дополнительному снижению рекомбинационных потерь со стороны тыльной поверхности ФЭП .

Последовательное сопротивление в значительной мере определяется сопротивлением металлизации фронтального электрода и для исключения влияния этой величины толщину алюминиевой металлизации фронтального электрода необходимо увеличить с 2 мкм примерно до 5 мкм.

Для повышения значения шунтирующего сопротивления освещаемого ФЭП необходимо избавиться от влияния проводящих дефектов в области n⁺-p гомоперехода. Как было указано выше, одним из видов таких дефектов являются микротрещины, возникающие при порезке слитков и пронизывающие кристалл со стороны обеих планарных поверхностей перпендикулярно последним на глубину до 100-150 мкм. Другим видом дефектов является нарушение сплошности пассивирующего слоя SiO₂ на поверхности кромок травления. Это  приводит к закорачиванию n⁺-p перехода через остатки слоя TiO₂, который может располагаться одновременно поверх n⁺-Si и p-Si. Для устранения указанной причины снижения светового шунтирующего сопротивления необходимо обеспечить надежную пассивацию поверхностей разделительных канавок слоем SiO₂ с повышенной до 12-15 нм толщиной последнего.

Таким образом, основные направления достижения высоких значений КПД для кремниевых фотопреобразователей включают: минимизацию потерь на отражении и создание эффективной оптической системы захвата света, высококачественная пассивация и просветление поверхности полупроводниковой структуры, максимально возможное уменьшение площади контактных областей металлизации с полупроводниковым кристаллом.