專利名稱：納米光－熱伏電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池，尤其是一種可以將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電池，同時(shí)本發(fā)明還涉及該光電池的制備方法，屬于半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
目前，公知的光電池通常由半導(dǎo)體襯底與擴(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。這種光電池僅僅憑PN結(jié)形成的自建電場(chǎng)使光能轉(zhuǎn)換成電流，而根本無法利用光電轉(zhuǎn)換過程中存在的大量熱能，其轉(zhuǎn)換效率很低，最多只能達(dá)到18.5％。申請(qǐng)日為991014、申請(qǐng)?zhí)枮?9229600.5的中國專利《熱光電池》公開了一種熱光電池結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的熱光電池從理論上打開了吸收紅外線及利用耗散熱能的通道，因此可以具有明顯提高光電轉(zhuǎn)換率的功效。然而，這種熱光電池僅僅是一種實(shí)驗(yàn)室階段的樣品雛型，尤其是尚未考慮到與納米技術(shù)的結(jié)合，因此難以實(shí)現(xiàn)將太陽光能、輻射熱能以及光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能均轉(zhuǎn)換成電能，其性價(jià)比不能符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有熱光電池存在的問題，提出一種利用納米技術(shù)充分發(fā)揮熱光電池效能、可以工業(yè)化生產(chǎn)的納米光-熱伏電池。同時(shí)本發(fā)明還將給出納米光-熱伏電池的制備方法，以實(shí)現(xiàn)這種新型光電池的工業(yè)化生產(chǎn)。
為了達(dá)到上述目的，申請(qǐng)人在深入研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出以下技術(shù)方案本發(fā)明的納米光-熱伏電池包括半導(dǎo)體襯底、擴(kuò)散層、高滲雜擴(kuò)散層，以及分別從襯底和高滲雜擴(kuò)散層引出的電極。此外，還含有離子注入層，所述離子注入層夾在襯底與高滲雜擴(kuò)散層之間，形成兩個(gè)PN結(jié)。高滲雜擴(kuò)散層覆蓋離子注入層，使其厚度在1nm-100nm之間。
在本發(fā)明納米光-熱伏電池襯底與離子注入層之間的PN結(jié)界面，可以產(chǎn)生與普通光電池類似的光生電位，由此而產(chǎn)生的光生電流可以用下式表示J=-qμn(dΦn/dx)(1)(1)式中J——光生電流q——電子電荷μ——電子遷移率n——電子密度Φn——光生電位其中，qΦn為光生電位引入后的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。
而在離子注入層與高滲雜擴(kuò)散層之間的PN結(jié)界面之間，由于此區(qū)間在電子自由程的距離內(nèi)，勢(shì)能改變很快，不存在平衡狀態(tài)，所以此區(qū)域內(nèi)的載流子不能用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來描述，其光生電流應(yīng)當(dāng)用下式表示J=q(nm-no)VR(2)(2)式中J——光生電流q——電子電荷nm——有電流時(shí)在xm處的電荷密度no——在xm處的準(zhǔn)平衡電荷密度VR——?jiǎng)菽軜O大處的復(fù)合速度根據(jù)上述理論分析可知，當(dāng)注入光強(qiáng)度達(dá)到一定程度后，將引起量子隧道效應(yīng)。換個(gè)角度通俗些說，由于高滲雜作用使高滲雜擴(kuò)散層與離子注入層之間的PN結(jié)處、包括“覆蓋”區(qū)域，積聚大量可以吸收近紅外線的載流子，而離子注入層的厚度極薄，載流子很容易穿越其形成的勢(shì)壘，因此兩PN結(jié)處的總電流將是光生電流加上吸收熱能載流子產(chǎn)生的電流及隧道電流之和，以上的熱能包括太陽光輻射熱以及光電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱能。結(jié)果，本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了將太陽光能、輻射熱能以及光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能均轉(zhuǎn)換成電能。因?yàn)榱孔铀淼佬?yīng)帶來的電流增益遠(yuǎn)比光生電流大得多，因此轉(zhuǎn)換效率大大提高，從而使性價(jià)比產(chǎn)生了飛躍，可以工業(yè)化生產(chǎn)。
制備本發(fā)明納米光-熱伏電池的方法包括以下工藝步驟A．氧化——約5份干氧加60份濕氧再加5份干氧，氧化溫度控制在1000℃-1200℃，使半導(dǎo)體襯底材料表面形成氧化層；B．光刻——溫度控制在30℃-50℃，時(shí)間3-5分鐘，在半導(dǎo)體襯底材料上刻去局部氧化層，形成擴(kuò)散窗口；C．?dāng)U散——溫度控制在1000℃-1200℃，時(shí)間16-20分鐘，通過在半導(dǎo)體襯底材料上擴(kuò)散三或五族元素，形成擴(kuò)散層；D．氧化——約30份濕氧加40份干氧，溫度控制在950℃-1150℃，E．光刻——在半導(dǎo)體襯底材料上刻出離子注入窗口，溫度、時(shí)間同步驟B；F．離子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，溫度控制在900℃-1100℃，時(shí)間約3小時(shí)，濃度1014-1019cm-3，厚度控制在1nm-100nm，形成離子注入層；G．光刻——在離子注入層表面刻出高滲雜窗口，溫度、時(shí)間同步驟B；H．低壓真空化學(xué)淀積——溫度控制在550℃——650℃，真空度控制在約10-5乇，保溫三小時(shí)，生長摻雜多晶半導(dǎo)體，濃度達(dá)1017——1021cm-3，形成高滲雜層；I．蒸鋁——溫度1148℃，襯底溫度250℃，恒溫8-12分鐘，形成表面蒸鋁層；J．光刻——在蒸鋁層上刻出電極，溫度、時(shí)間同步驟B；后進(jìn)行劃片、裝架、封裝等常規(guī)后續(xù)工藝步驟，完成本發(fā)明納米光-熱伏電池的制備。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
理論和實(shí)踐證明，當(dāng)本實(shí)施例夾層結(jié)構(gòu)中的p+離子注入層3為合適的納米尺寸時(shí)，可以具有熱生載流子的傳輸能力，即納米光-熱伏電池不僅可以通過光生載流子將太陽光能轉(zhuǎn)變成電能，同時(shí)可以通過熱生載流子將太陽光的輻射熱能以及光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能均轉(zhuǎn)變成電能。由于熱生載流子的數(shù)量遠(yuǎn)比光生載流子多得多，并能形成隧道效應(yīng)，因此本實(shí)施例納米光-熱伏電池的工作電流可以高出普通光電池好多倍。尤其是當(dāng)將多個(gè)本實(shí)施例的電池串聯(lián)或并聯(lián)成電池組時(shí)，可以形成功率強(qiáng)大的發(fā)電器。與同功率的普通光電池組比較，體積可以縮小好多倍。
本實(shí)施例納米光-熱伏電池的具體制備工藝過程如圖2所示，包括以下步驟制備本發(fā)明納米光-熱伏電池的方法包括以下工藝步驟A．氧化——約5份干氧加60份濕氧再加5份干氧，氧化溫度控制在1100℃，使n-型硅半導(dǎo)體襯底材料表面形成氧化層；B．光刻——溫度控制在40℃，時(shí)間4分鐘，在n-型硅半導(dǎo)體襯底材料上刻去局部氧化層，形成擴(kuò)散窗口；C．?dāng)U散——溫度控制在1100℃，時(shí)間18分鐘，通過在n-型硅半導(dǎo)體襯底材料上硼擴(kuò)散，形成p+擴(kuò)散層；D．氧化——約30份濕氧加40份干氧，溫度控制在1050℃；E．光刻——在n-型硅半導(dǎo)體襯底材料上刻出離子注入窗口，溫度、時(shí)間同步驟B；F．離子注入——在50千伏下注入三氟化硼，溫度控制在1000℃，時(shí)間約3小時(shí)，濃度1014-1019cm-3，厚度控制在1nm-100nm，形成離子注入層；G．光刻——在離子注入層表面刻出高滲雜窗口，溫度、時(shí)間同步驟B；H．低壓真空化學(xué)淀積——溫度控制在600℃，真空度控制在10-5乇，保溫三小時(shí)，生長摻砷多晶硅，濃度達(dá)1017——1021cm-3，形成n++高滲雜層；I．蒸鋁——溫度1148℃，襯底溫度250℃，恒溫10分鐘，形成表面蒸鋁層；J．光刻——在蒸鋁層上刻出電極，溫度、時(shí)間同步驟B；之后進(jìn)行減薄、背面金屬化、劃片、裝架、封裝，完成本發(fā)明納米光-熱伏電池的制備。
本實(shí)施例納米光-熱伏電池的制備方法與實(shí)施例一的不同之處是，以磷擴(kuò)散取代硼擴(kuò)散，以三氟化磷離子注入取代三氟化硼離子注入，以生長摻硼多晶硅取代生長摻砷多晶硅。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他變化型式。例如，在高滲雜擴(kuò)散層與離子注入層之間、以及離子注入層與襯底之間也可以設(shè)置本征層(π層)，起緩沖作用。再如，為了實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換成電，在使用納米光-熱伏電池時(shí)，在電極之間外加偏置電壓；以及為了減小漏電流，在襯底周邊通過擴(kuò)散設(shè)置p+或n+隔離槽(為了降低成本，也可不設(shè)置隔離槽)；等等。這些均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1．一種納米光-熱伏電池，包括半導(dǎo)體襯底、擴(kuò)散層、高滲雜擴(kuò)散層，以及分別從襯底和高滲雜擴(kuò)散層引出的電極，其特征在于還含有離子注入層，所述離子注入層夾在襯底與高滲雜擴(kuò)散層之間，形成兩個(gè)PN結(jié)，所述離子注入層為高滲雜擴(kuò)散層覆蓋，厚度在1nm-100nm之間。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米光-熱伏電池，其特征在于所述襯底為n-型，所述擴(kuò)散層為p+型，所述離子注入層為p+型，所述高滲雜擴(kuò)散層為n++型。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米光-熱伏電池，其特征在于所述襯底為p-型，所述擴(kuò)散層為n+型，所述離子注入層為n+型，所述高滲雜擴(kuò)散層4為p++型。
4．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的納米光-熱伏電池，其特征在于所述離子注入層夾在襯底與高滲雜擴(kuò)散層之間，構(gòu)成類似“三明治”的納米夾層結(jié)構(gòu)，所述納米夾層結(jié)構(gòu)呈欄桿狀排列，其相互之間為擴(kuò)散層形成的矩形區(qū)域，其上表面蓋有氧化層。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米光-熱伏電池，其特征在于所述各納米夾層結(jié)構(gòu)形成的欄桿為金屬鋁箔圍帶所連接。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米光-熱伏電池，其特征在于所述高滲雜擴(kuò)散層與離子注入層之間、以及離子注入層與襯底之間設(shè)置本征層。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米光-熱伏電池，其特征在于所述襯底周邊設(shè)置p+或n+隔離槽。
8．根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米光-熱伏電池，其特征在于所述襯底的一側(cè)上直接制有引出電極的高滲雜擴(kuò)散層。
9．一種納米光-熱伏電池的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟A．氧化——約5份干氧加60份濕氧再加5份干氧，氧化溫度控制在1000℃-1200℃，使半導(dǎo)體襯底材料表面形成氧化層； B．光刻——溫度控制在30℃-50℃，時(shí)間3-5分鐘，在半導(dǎo)體襯底材料上刻去局部氧化層，形成擴(kuò)散窗口；C．?dāng)U散——溫度控制在1000℃-1200℃，時(shí)間16-20分鐘，通過在半導(dǎo)體襯底材料上擴(kuò)散三或五族元素，形成擴(kuò)散層；D．氧化——約30份濕氧加40份干氧，溫度控制在950℃-1150℃，E．光刻——在半導(dǎo)體襯底材料上刻出離子注入窗口，溫度、時(shí)間同步驟B；F．離子注入——在50千伏下注入三或五族元素化合物，溫度控制在900℃-1100℃時(shí)間約3小時(shí)，厚度控制在1nm-100nm，濃度1014-1019cm-3，形成離子注入層；G．光刻——在離子注入層表面刻出高滲雜窗口，溫度、時(shí)間同步驟B；H．低壓真空化學(xué)淀積——溫度控制在550℃——650℃，真空度控制在約10-5乇，保溫三小時(shí)，生長摻雜多晶半導(dǎo)體，濃度達(dá)1017——1021cm-3，形成高滲雜層；I．蒸鋁——溫度1148℃，襯底溫度250℃，恒溫8-12分鐘，形成表面蒸鋁層；J．光刻——在蒸鋁層上刻出電極，溫度、時(shí)間同步驟B；之后進(jìn)行劃片、裝架、封裝等常規(guī)后續(xù)工藝步驟。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米光-熱伏電池制備方法，其特征在于包括以下步驟A．氧化——約5份干氧加60份濕氧再加5份干氧，氧化溫度控制在1100℃，使n-型硅半導(dǎo)體襯底材料表面形成氧化層；B．光刻——溫度控制在40℃，時(shí)間4分鐘，在n-型硅半導(dǎo)體襯底材料上刻去局部氧化層，形成擴(kuò)散窗口；C．?dāng)U散——溫度控制在1100℃，時(shí)間18分鐘，通過在n-型硅半導(dǎo)體襯底材料上硼擴(kuò)散，形成p+擴(kuò)散層；D．氧化——約30份濕氧加40份干氧，溫度控制在1050℃；E．光刻——在n-型硅半導(dǎo)體襯底材料上刻出離子注入窗口，溫度、時(shí)間同步驟F．離子注入——在50千伏下注入三氟化硼，溫度控制在1000℃，時(shí)間約3小時(shí)，濃度1014-1019cm-3，厚度控制在1nm-100nm，形成離子注入層；G．光刻——在離子注入層表面刻出高滲雜窗口，溫度、時(shí)間同步驟B；H．低壓真空化學(xué)淀積——溫度控制在600℃，真空度控制在10-5乇，保溫三小時(shí)，生長摻砷多晶硅，濃度達(dá)1017——1021cm-3，形成n++高滲雜層；I．蒸鋁——溫度1148℃，襯底溫度250℃，恒溫10分鐘，形成表面蒸鋁層；J．光刻——在蒸鋁層上刻出電極，溫度、時(shí)間同步驟B；之后進(jìn)行減薄、背面金屬化、劃片、裝架、封裝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米光－熱伏電池,包括半導(dǎo)體襯底、擴(kuò)散層、高滲雜擴(kuò)散層、電極、離子注入層。離子注入層夾在襯底與高滲雜擴(kuò)散層之間,形成兩個(gè)PN結(jié)。高滲雜擴(kuò)散層覆蓋離子注入層,使其厚度在1nm－100nm之間。同時(shí)本發(fā)明還給出了該電池的制備方法,包括氧化、光刻、擴(kuò)散、離子注入、低壓真空化學(xué)淀積、蒸鋁等步驟。本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了將太陽光能、輻射熱能以及光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能均轉(zhuǎn)換成電能,因此轉(zhuǎn)換效率大大提高,性價(jià)比產(chǎn)生了飛躍,可以工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/0687GK1319898SQ0111351
公開日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2001年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月11日
發(fā)明者陳鐘謀 申請(qǐng)人:陳鐘謀