11.2.4 Кремниевые фотоэлементы с утопленными/скрытыми контактами

В 1984 году группа ученых из Университета Нового Южного Уэльса, возглавляемая исследователями Грином и Венхамом совершили прорыв в области кремниевых фотоэлементов с утопленными контактами, лицензию на использование их научной разработки теперь имеют несколько фирм в разных странах мира [11]. Предложенная ими технология состоит в использовании нескольких слоев из материалов n- и p-типа, уложенных попеременно, при этом толщина каждого слоя составляет порядка 1м, а соединены они между собой при помощи вырезанных лазером желобков, в которых и помещены металлические контакты. На рисунке 11.6 приведена последовательность этапов изготовления такого фотоэлемента.

Рисунок 11.6 Последовательность этапов изготовления фотоэлементов из тонкослойного кремния с использованием утопленных контактов

(любезно предоставлено М. Грином)

Сначала берут подложку из изоляционного материала (1), на который последовательно выкладываются слой из диэлектрика, затем попеременно слоями кремний n- и p-типа, и далее еще один слой из диэлектрика (2). Затем в полученном материале при помощи лазера вырезаются тонкие бороздки, стенки которых затем подвергают сильному легированию с тем, чтобы обеспечить наличие контакта ко всем слоям из материала одного типа (будь то n- и p- материал) (3). Далее снова при помощи лазера изготовляется еще одна серия бороздок, которые в некоторых местах частично совпадают/пересекаются с теми, что были изготовлены на предыдущем этапе, стены этих бороздок тоже легируют, но уже с противоположной полярностью для образования контактов с оставшимися слоями (4). Вторая серия бороздок нужна для того, чтобы у части бороздок стенки были из материала n-типа, а у части – из материала p-типа, при этом у некоторых бороздок одна стенка из материала n-типа, а вторая – из материала p-типа. Заключительный этап состоит в заливке желобков металлом, для этих целей используется сплав из никеля, меди и серебра. В результате этого обеспечивается параллельное соединение между всеми слоями n-типа, параллельное соединение между слоями p-типа, а также образуется последовательное соединение между слоями n- и p-типа примыкающих солнечных элементов (5), в результате чего потребность в использовании внешней проводки для последовательного соединения фотоэлементов отсутствует.

Изготовление скрытых контактов становится возможным благодаря использованию тонкослойного кремния, а получаемое в результате преимущество состоит в том, что скрытые контакты закрывают значительно меньшую площадь поверхности солнечного элемента, чем контакты, закрепленные непосредственно на поверхности элемента. Кроме этого, так как утопленные контакты также играют роль соединителей между фотоэлементами, потребность в выполнении соединений между фотоэлементами отпадает и дополнительно обеспечивается более высокая надежность контактов.

Наверное, наиболее любопытной особенностью фотоэлементов из тонкослойного кремния с использованием утопленных контактов является тот факт, что расположенные один над другим слои кремния n- и p-типа имеют параллельное соединение, а не последовательное, что является типичным для каскадных солнечных элементов. После того как вблизи какого-либо из pn-переходов образуются электронно-дырочные пары, из n-области в область n+ ток движется горизонтально, далее вертикально из области p- в область p+ и затем ток поступает на утопленные контакты. Эффективность собирания у солнечного элемента такой конструкции является очень высокой, так как любая электронно-дырочная пара, появляющаяся в результате воздействия фотонов, появляется в пределах диффузионной длины от перехода. Кроме этого, так как переходы находятся на таком близком расстоянии, качество материала не должно быть таким же высоким как в случае с фотоэлементами из более толстого материала. Отсутствие необходимости изготавливать слитки и пластины приводит к существенному снижению себестоимости производства. При наличии двух проводящих каналов, ведущих к контактам, носители заряда имеют свойство перемещаться в канал с наименьшим сопротивлением, что в результате обеспечивает высокие коэффициенты заполнения.

По имеющимся данным, КПД устройства с такой структурой фотоэлемента может достигать 24,7 %, а КПД плоского солнечного модуля может составлять 22,7 % [12].