[发明专利]热光电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种电池，尤其是一种可将光能转换成电能的光电池及其制备方法。

已有的光电池即太阳能电池通常由半导体衬底和扩散层形成的PN结以及该PN结两端引出的电极构成。半导体有吸收光并使光子转换成光生载流子(电子、空穴对)的特点，由于PN结处存在着自建电场，光照在半导体上产生的光生载流子就会扩散到PN结处的自建电场，而光生载流子就会被这个自建电场加速以形成光生电流。PN结二极管就是依靠着其自建电场使光转换成电流，因此PN结器件可以用于制造光探测器和太阳能电池。

目前已有的PN结光探测器对光，特别是长波长(红外波段)的光吸收率不高，因此，对光特别是红外光的光电转换效率比较低。由PN结制造的大阳能电池不能吸收红外线，只能吸收可见光，而且还无法利用光电转换过程中产生的热能。利用PN结做成的电池，其光电转换效率不高，最多达到17％，其中已吸收的约有80％的可见光能量成为无用的热能，还有占太阳光谱中近30％的红外线，因光子能量小于硅(或其它材料)禁带宽度不能利用。

为了提高光电转换率，名称为《高光电转换效率的P-N结硅光电二极管》的发明专利公开了一种“在P-N结附近的上方或下方存在一具有高热稳定性的缺陷层”的光电二极管。这种光电池因有缺陷层能吸收更多的光而产生更多的光生载流子，从而使光电转换率在一定程度上有所提高，但仍未能解决红外线及耗散热能的吸收问题。

究其原因是已有的光电池是利用了少数载流子的原理，利用两种不同杂质，以硅为基底，一个渗硼，一个渗磷，两材料结合形成电势，在P区积累负电荷，N区积累正电荷，形成空间电荷区，这就是已有的太阳能电池的基本原理。

本发明目的是，针对现有光电池存在的问题，提供一种具有吸收红外线及利用耗散热量的热光电池及其制备方法，从而使热光电池的光电转换率得以明显提高。

为达到上述目的，本发明采用：

1.用N⁺⁺P⁺N^-三层结构作光电池；

2.以及由N⁺⁺P⁺N^-三层结构与P⁺N^-混杂结构构成的光电池；

3.用P⁺⁺N⁺P^-三层结构作光电池；

4.以及由P⁺⁺N⁺P^-三层结构与N⁺P^-混杂结构构成的光电池。

本发明还将几乎不耗电的外来电源利用来增强自建场，提高热生和光生载流子的捕集率。

本发明还形成用高渗杂办法来吸收近红外线的硅热光电池。

上述三层结构中N⁺⁺层的掺杂浓度范围10¹⁹-10²¹cm^-3，P⁺层浓度范围10¹⁷-10¹⁹；N⁺⁺扩散淹没局部P⁺区；造成P⁺区在三层结构中的厚度为1nm至数十个纳米(nm)；N^-层的掺杂浓度范围10¹³-5×10¹⁴cm^-3。上述三层结构中P⁺⁺层的掺杂浓度范围10¹⁹-10²¹cm^-3；N⁺层浓度范围10¹⁷-10¹⁹；P⁺⁺扩散淹没局部N⁺区，造成N⁺区在三层结构中的厚度为1nm至数十个纳米；P^-层的掺杂浓度范围10¹³-5×10¹⁴cm^-3。

发明结构参数设计：

(1)硅外延材料设计：

采用掺杂浓度为10¹⁹cm^-3，<100>晶向，面积为50×50mm²，厚度为400μm N型单晶硅衬底，并在其上汽相外延生长一层浓度为10¹³-10¹⁵m^-3(约50欧姆.厘米或50Ω.cm)厚度为10μm-15μm的N外延层。

(2)红外吸收设计：