專利名稱：熱光電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池，尤其是一種可將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電池及其制備方法。
已有的光電池即太陽能電池通常由半導(dǎo)體襯底和擴(kuò)散層形成的PN結(jié)以及該P(yáng)N結(jié)兩端引出的電極構(gòu)成。半導(dǎo)體有吸收光并使光子轉(zhuǎn)換成光生載流子(電子、空穴對(duì))的特點(diǎn)，由于PN結(jié)處存在著自建電場(chǎng)，光照在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的光生載流子就會(huì)擴(kuò)散到PN結(jié)處的自建電場(chǎng)，而光生載流子就會(huì)被這個(gè)自建電場(chǎng)加速以形成光生電流。PN結(jié)二極管就是依靠著其自建電場(chǎng)使光轉(zhuǎn)換成電流，因此PN結(jié)器件可以用于制造光探測(cè)器和太陽能電池。
目前已有的PN結(jié)光探測(cè)器對(duì)光，特別是長(zhǎng)波長(zhǎng)(紅外波段)的光吸收率不高，因此，對(duì)光特別是紅外光的光電轉(zhuǎn)換效率比較低。由PN結(jié)制造的大陽能電池不能吸收紅外線，只能吸收可見光，而且還無法利用光電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱能。利用PN結(jié)做成的電池，其光電轉(zhuǎn)換效率不高，最多達(dá)到17％，其中已吸收的約有80％的可見光能量成為無用的熱能，還有占太陽光譜中近30％的紅外線，因光子能量小于硅(或其它材料)禁帶寬度不能利用。
為了提高光電轉(zhuǎn)換率，名稱為《高光電轉(zhuǎn)換效率的P-N結(jié)硅光電二極管》的發(fā)明專利公開了一種“在P-N結(jié)附近的上方或下方存在一具有高熱穩(wěn)定性的缺陷層”的光電二極管。這種光電池因有缺陷層能吸收更多的光而產(chǎn)生更多的光生載流子，從而使光電轉(zhuǎn)換率在一定程度上有所提高，但仍未能解決紅外線及耗散熱能的吸收問題。
究其原因是已有的光電池是利用了少數(shù)載流子的原理，利用兩種不同雜質(zhì)，以硅為基底，一個(gè)滲硼，一個(gè)滲磷，兩材料結(jié)合形成電勢(shì)，在P區(qū)積累負(fù)電荷，N區(qū)積累正電荷，形成空間電荷區(qū)，這就是已有的太陽能電池的基本原理。
本發(fā)明目的是，針對(duì)現(xiàn)有光電池存在的問題，提供一種具有吸收紅外線及利用耗散熱量的熱光電池及其制備方法，從而使熱光電池的光電轉(zhuǎn)換率得以明顯提高。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用1.用N++P+N-三層結(jié)構(gòu)作光電池；2.以及由N++P+N-三層結(jié)構(gòu)與P+N-混雜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光電池；3.用P++N+P-三層結(jié)構(gòu)作光電池；4.以及由P++N+P-三層結(jié)構(gòu)與N+P-混雜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光電池。
本發(fā)明還將幾乎不耗電的外來電源利用來增強(qiáng)自建場(chǎng)，提高熱生和光生載流子的捕集率。
本發(fā)明還形成用高滲雜辦法來吸收近紅外線的硅熱光電池。
上述三層結(jié)構(gòu)中N++層的摻雜濃度范圍1019-1021cm-3，P+層濃度范圍1017-1019；N++擴(kuò)散淹沒局部P+區(qū)；造成P+區(qū)在三層結(jié)構(gòu)中的厚度為1nm至數(shù)十個(gè)納米(nm)；N-層的摻雜濃度范圍1013-5×1014cm-3。上述三層結(jié)構(gòu)中P++層的摻雜濃度范圍1019-1021cm-3；N+層濃度范圍1017-1019；P++擴(kuò)散淹沒局部N+區(qū)，造成N+區(qū)在三層結(jié)構(gòu)中的厚度為1nm至數(shù)十個(gè)納米；P-層的摻雜濃度范圍1013-5×1014cm-3。
發(fā)明結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)(1)硅外延材料設(shè)計(jì)采用摻雜濃度為1019cm-3，<100>晶向，面積為50×50mm2，厚度為400μm N型單晶硅襯底，并在其上汽相外延生長(zhǎng)一層濃度為1013-1015m-3(約50歐姆.厘米或50Ω.cm)厚度為10μm-15μm的N外延層。
(2)紅外吸收設(shè)計(jì)通過高滲雜的方法使等離子波長(zhǎng)落在5μm左右的近紅外波段，使P+層和N++層具有吸收紅外線能量作用。
選P+層摻雜濃度為1017-1019cm-3(3)隧穿設(shè)計(jì)發(fā)生隧道擊穿的臨界電場(chǎng)為5×105V/cm，只要摻雜濃度大于1017cm-3時(shí)，隧道效應(yīng)顯著增加，為了使N++P-結(jié)易于產(chǎn)生隧道電流和熱電子發(fā)射，必須滿足勢(shì)壘最高點(diǎn)的寬度要小于自由程的條件，則要提高P+及N++的摻雜濃度，P+層摻雜濃度選取為1017-1019cm-3，N++層濃度可取1019-1021cm-3。
(4)寬勢(shì)阱設(shè)計(jì)為了獲得寬勢(shì)阱作用，必須選取雙P-N結(jié)夾層結(jié)構(gòu)在N-外延層上生長(zhǎng)P+層，形成P+N-結(jié)；在P+層上再生長(zhǎng)N++層形成與P+N-結(jié)背向的N++P+結(jié)，見圖3，根據(jù)N++，P+，N-三層濃度，可以確定P+層的寬度。
設(shè)定N++摻雜濃度為1019-1021cm-3，P-摻雜濃度為1017-1019cm-3，N-摻雜濃度為1013-1015cm-3，則P+區(qū)的厚度為1-100nm即(10-1000)A.
(5)電池組件設(shè)計(jì)每片組件的面積為50×50mm2，為了減少電流的橫向電阻，每個(gè)組件并聯(lián)排列25個(gè)電池單元，每個(gè)電池單元的長(zhǎng)度為50mm，寬度為2mm，單元面積為100mm2，其中P+寬度的一半(即1mm)厚度為(1-100)nm，另一半的厚度加厚到1μm，N++層的寬度為1mm，厚度為1μm。
上述三層結(jié)構(gòu)中，由P+及N-(襯底)接觸形成的PN結(jié)，在P+區(qū)及N-區(qū)界面造成空間電荷區(qū)，同樣N++及P+界面，P+及N-界面形成空間單荷區(qū)，由于P+夾層很薄，它完全耗盡。其結(jié)果為N++P+N-因和P+N-有共同的邊界條件，其空間電荷區(qū)相互聯(lián)通而引成少數(shù)載流子庫(kù)，空穴在少子庫(kù)中積累，其電荷量調(diào)制N++區(qū)的熱電子發(fā)射量。
電子發(fā)射量，在合適的邊界條件下使熱電子(多數(shù)載流子)由N++區(qū)向N-區(qū)流動(dòng)而造成多子傳輸，從而改變以往PN結(jié)中少子傳輸機(jī)制，使光電流劇增。本發(fā)明的核心即是由少子庫(kù)調(diào)制多子發(fā)射的獨(dú)特結(jié)構(gòu)做成熱光電池。
普通太陽電池吸收頻譜由所用材料的電子能帶的禁帶寬度決定。外來雜質(zhì)摻雜濃度不能過高，因?yàn)閾诫s是一種外來行為，過多摻雜會(huì)對(duì)材料晶體特性造成損傷，故希望有合適的濃度，不能太高，普通電池常采用1016左右摻雜濃度。本發(fā)明打破了這個(gè)禁區(qū)，摻雜濃度高達(dá)1018cm-3以上，光電流不但沒有減少，而是得到大大增加。高濃度摻雜使材料電子能態(tài)處于兼并態(tài)，此時(shí)由雜質(zhì)能帶與導(dǎo)帶或價(jià)帶中的電子發(fā)生能量交換，可吸收紅外能。這是靠外來物質(zhì)產(chǎn)生物理效應(yīng)，不是襯底材料的本征效應(yīng)，即非本征效應(yīng)。
一般光電池自生電，不像光電二極管需加偏壓。本發(fā)明采用幾乎不耗損能量的外電源后，可由光生電壓誘發(fā)隧道電流，使光電池中的電流成倍增加。
本發(fā)明由于采用多層結(jié)構(gòu)N++P+N-作光電池，以及由它與P+N-混雜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光電池；由于采用多層結(jié)構(gòu)P++N+P-作光電池，以及由它與N+P-混雜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光電池，在零偏壓下與折合成同樣尺寸的普通PN結(jié)電池相比，光電流較國(guó)際最高水平0.92A/W高出3.2倍，當(dāng)加上1.5伏偏壓后，高出414倍。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例具體描述本發(fā)明。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1實(shí)施例取出電流的電路圖；圖3為雙P-N結(jié)夾層結(jié)構(gòu)。
其中1——電極；2——襯底N-或P-；3——P+或N+型擴(kuò)散層；4——高滲雜N++或P++型擴(kuò)散層；6——電極。
實(shí)施例1其結(jié)構(gòu)如圖1所示，擴(kuò)散層3和高滲雜擴(kuò)散層4復(fù)蓋有自然生成的氧化層，多層結(jié)構(gòu)區(qū)的擴(kuò)散層3是完全耗盡狀的部分夾在高滲雜擴(kuò)散層4與襯底2之間，形成類似于“三明治”的夾層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生兩個(gè)PN結(jié)，其中高滲雜擴(kuò)散層4只復(fù)蓋住擴(kuò)散層3的局部，電極6及1分別從高滲雜擴(kuò)散層4和襯層2引出。
其擴(kuò)散層3可以是P+也可以是N+型擴(kuò)散層；高滲雜層4可以是P++也可以是N++型擴(kuò)散層；襯底2可以是N-也可以是P-。
與普通光電池依靠數(shù)量很少的光生載流子產(chǎn)生電流原理不同，上述實(shí)施例N-型半導(dǎo)體襯底2、P+型擴(kuò)散層3以及高滲雜N++型擴(kuò)散層4構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)在邊界條件合適的情況下，可以具有熱生載流子的傳輸能力，而熱生載流子的數(shù)量遠(yuǎn)比光生載流子多得多，同時(shí)N-型半導(dǎo)體襯底2和P+型擴(kuò)散層3又構(gòu)成一個(gè)普通光電池，其中產(chǎn)生的光生空穴可以減低熱壘，調(diào)制高滲雜N++型擴(kuò)散層4的熱生載流子發(fā)射輻度，使熱生載流子跌入吸收性邊界，形成有序運(yùn)動(dòng)。結(jié)果將光吸收過程中耗散的熱能直接轉(zhuǎn)化成電流，從而極大提高光電池的的轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明取出電流的方法有兩種一種是直接從電極1和6取至供電系統(tǒng)；另一種如圖2所示，點(diǎn)劃線內(nèi)為熱光電池的等效電路，電極經(jīng)不耗損能量的外電源E向負(fù)載R1供電。此時(shí)外電源E在N-襯底2和N++擴(kuò)散層4之間加上反向電壓，使擴(kuò)散層3與高滲雜擴(kuò)散層4形成的PN結(jié)之間在光生電壓的誘發(fā)作用下產(chǎn)生隧道電流，與原先的熱光電流一起流動(dòng)，從而進(jìn)一步增加熱光電池的電流輸出。
實(shí)驗(yàn)證明，上述實(shí)施例的熱光電池轉(zhuǎn)換效率大幅度提高。推廣應(yīng)用之后，將帶動(dòng)眾多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種熱光電池，其特征在于，其結(jié)構(gòu)采用a.用N++P+N-三層結(jié)構(gòu)作 光電池；b.由N++P+N-三層結(jié)構(gòu)與P+N-混雜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光電池；c.用P++N+P-三層結(jié)構(gòu)作光電池；d.用P++N+P-三層結(jié)構(gòu)與N+P-混雜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光電池；
2.如權(quán)利要求1所述的熱光電池，其特征在于，還可以將幾乎不耗電的外來電源作為泵浦用。
3.一種熱光電池的制備方法，其特征在于，采用高滲雜辦法來吸收紅外線的熱光電池。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，N++層的摻雜濃度范圍1019-1021cm-3；P+層濃度范圍1017-1019；N++擴(kuò)散淹沒局部P+區(qū)，造成P+區(qū)在三層結(jié)構(gòu)中的厚度為1nm至數(shù)十個(gè)納米。N-層的摻雜濃度范圍1013-5×1014cm-3。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，P++層的摻雜范圍1019-1021cm-3；N+層濃度范圍1017-1019；P++擴(kuò)散淹沒局部N+區(qū)，造成N+區(qū)在三層結(jié)構(gòu)中的厚度為1nm至數(shù)十個(gè)納米；P-層的摻雜濃度范圍1013-5×1014cm-3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電池及其制備方法。本發(fā)明采用:N
文檔編號(hào)H01L31/06GK1345094SQ0012951
公開日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者陳鐘謀 申請(qǐng)人:楊希文, 張盛武, 陳鐘謀