Солнечный элемент представляет собой полупроводниковый фо­тоэлектрический преобразователь (рис. 1.1). Он отличается от типично­го микроэлектронного прибора только тем, что имеет большую пло­щадь /7-и-переходов, простирающуюся по всей поверхности пластины [2, 3]. Поскольку СЭ — электронный прибор, то многие проблемы, свя­занные с его производством, аналогичны общим вопросам изготовле­ния микроэлектронных приборов (МЭП), начиная с производства сырья и оборудования.

В основе фотоэлектрического эффекта лежит процесс поглощения света в объеме полупроводника (в базовой области 5, см. рис. 1.1), при котором рассеиваемый фотон рождает электронно-дырочную пару. Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая за счет разности коэффи­циентов диффузии носителей заряда — электронов и дырок, в однород­ном полупроводнике обычно очень мала. Значительную ЭДС при

поглощении света получают в неоднородном полупроводнике, в кото­ром обеспечивается пространственное разделение носителей заряда разного знака (электронов (-) и дырок (+)) за счет встроенного элект­рического поля, создаваемого конструкционно на основе ^-«-переходов (3 и 5 на рис. 1.1, а и 11 и 5 на рис. 1.1, б). Области р-проводимости (дырочной) и «-проводимости (электронной) получают за счет диффу­зионного легирования основного вещества (Si) акцепторами (В, А1) и донорами электронов (Р, As, Sb) соответственно. Разница работ выхода носителей заряда на ^-«-переходе образует потенциальный барьер для основных носителей (равновесных носителей заряда в базовом мате­риале, т. е. дырок в базе р-‘типа). Для работы СЭ основную роль играют неосновные носители заряда (НН), т. е. неравновесные носители, появ­ляющиеся в результате поглощения фотонов. Неосновные носители, проходя через ^-«-переход, ускоряются и создают фототок, отвод кото­рого обеспечивают контакты (1, 7, 8, 9 на рис. 1.1, а и 7, 14 на рис. 1.1,6). Величина фототока в значительной мере зависит от времени жизни тнн (или от "диффузионной длины" /нн) неосновных носителей.

В настоящее время уже предложено большое число конструкций солнечных элементов как на основе кремния, так и с использованием других полупроводниковых материалов [2, 3]. Различия конструкций во многом обусловлены стремлением повышения кпд за счет применения эффективных оптических систем светособирания и светопоглощения [2]. Но конструкции на базе плоской поверхности пластин тоже суще­ствуют благодаря относительной простоте технологии [2, 4]. На рис.

1.1, а показана одна из простейших конструкций солнечного элемента, созданного на пластине кремния [2].

Элемент, изображенный на рис. 1.1, б, имеет лучшие характерис­тики светопоглощения, чем элемент на рис. 1.1, а, и соответственно более заполненную вольтамперную характеристику (ВАХ) и больший кпд, а также — большую площадь р-и-перехода, что обеспечивает менее крутой наклон ВАХ в рабочей области.

Основная технологическая цепочка производства СЭ на пластинах кремния включает следующие этапы [2]:

1) обезжиривание и очистка пластин (начальные и промежуточ­ные);

2) полировка пластин;

3) травление для создания текстурированной поверхности (см., рис. 1.1, 6)

4) газодиффузное внедрение фосфора для создания и-слоя на обеих сторонах пластины кремния;

5) травление для удаления стеклообразного слоя диффузанта;

6) осаждение (напыление) слоя алюминия на тыльную поверхность

СЭ в вакууме;

7) термодиффузионная обработка для создания p-слоя на тыльной стороне путем проведения диффузии А1 через «-слой при -800 °С;

8) маскирование для создания рисунка токосъемной сетки на све­товой стороне с помощью фотолитографии или теневой маски;

9) осаждение токосъемных слоев (в частности, из Ni, Ті, Pd или Ag) на световую и тыльную поверхности;

10) удаление маски (стравливание);

11) отжиг токосъемных слоев при -550 °С;

12) погружение в расплавленный припой для создания под соеди­нительных контактов;

13) осаждение просветляющего покрытия из Та205 (или др.) и по­следующее его впекание при 450 °С;

14) резка на прямоугольники (при необходимости) и обработка торцов для удаления диффузионных закороток;

15) контроль качества — определение кпд и сортировка.

Цепочка 2-14 обычно содержит еще промежуточные этапы очистки, сушки и контроля параметров. Если для улучшения светособирания фронтальная поверхность элемента делается текстурированной — с ка­навками, бороздками и т. п. (рис. 1.1, б), то между этапами 2-4 сущест­вует еще специальная операция образования поверхности сложной формы — вытравливание, лазерное или механическое скрайбирование [5,6].

Как видно из изложенного, производство солнечных элементов очень сходно с отдельными этапами изготовления МЭП [7], поэтому на многих его стадиях может применяться оборудование, предназначен­ное для изготовления МЭП. Это предполагает наличие очень близких требований к исходным материалам (кремниевым пластинам), издели­ям промежуточных этапов и оборудованию.