专利名称：热光电池及其制备方法
技术领域：
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)红外吸收设计通过高渗杂的方法使等离子波长落在5μm左右的近红外波段，使P+层和N++层具有吸收红外线能量作用。
选P+层掺杂浓度为1017-1019cm-3(3)隧穿设计发生隧道击穿的临界电场为5×105V/cm，只要掺杂浓度大于1017cm-3时，隧道效应显著增加，为了使N++P-结易于产生隧道电流和热电子发射，必须满足势垒最高点的宽度要小于自由程的条件，则要提高P+及N++的掺杂浓度，P+层掺杂浓度选取为1017-1019cm-3，N++层浓度可取1019-1021cm-3。
(4)宽势阱设计为了获得宽势阱作用，必须选取双P-N结夹层结构在N-外延层上生长P+层，形成P+N-结；在P+层上再生长N++层形成与P+N-结背向的N++P+结，见图3，根据N++，P+，N-三层浓度，可以确定P+层的宽度。
设定N++掺杂浓度为1019-1021cm-3，P-掺杂浓度为1017-1019cm-3，N-掺杂浓度为1013-1015cm-3，则P+区的厚度为1-100nm即(10-1000)A.
(5)电池组件设计每片组件的面积为50×50mm2，为了减少电流的横向电阻，每个组件并联排列25个电池单元，每个电池单元的长度为50mm，宽度为2mm，单元面积为100mm2，其中P+宽度的一半(即1mm)厚度为(1-100)nm，另一半的厚度加厚到1μm，N++层的宽度为1mm，厚度为1μm。
上述三层结构中，由P+及N-(衬底)接触形成的PN结，在P+区及N-区界面造成空间电荷区，同样N++及P+界面，P+及N-界面形成空间单荷区，由于P+夹层很薄，它完全耗尽。其结果为N++P+N-因和P+N-有共同的边界条件，其空间电荷区相互联通而引成少数载流子库，空穴在少子库中积累，其电荷量调制N++区的热电子发射量。
电子发射量，在合适的边界条件下使热电子(多数载流子)由N++区向N-区流动而造成多子传输，从而改变以往PN结中少子传输机制，使光电流剧增。本发明的核心即是由少子库调制多子发射的独特结构做成热光电池。
普通太阳电池吸收频谱由所用材料的电子能带的禁带宽度决定。外来杂质掺杂浓度不能过高，因为掺杂是一种外来行为，过多掺杂会对材料晶体特性造成损伤，故希望有合适的浓度，不能太高，普通电池常采用1016左右掺杂浓度。本发明打破了这个禁区，掺杂浓度高达1018cm-3以上，光电流不但没有减少，而是得到大大增加。高浓度掺杂使材料电子能态处于兼并态，此时由杂质能带与导带或价带中的电子发生能量交换，可吸收红外能。这是靠外来物质产生物理效应，不是衬底材料的本征效应，即非本征效应。
一般光电池自生电，不像光电二极管需加偏压。本发明采用几乎不耗损能量的外电源后，可由光生电压诱发隧道电流，使光电池中的电流成倍增加。
本发明由于采用多层结构N++P+N-作光电池，以及由它与P+N-混杂结构构成的光电池；由于采用多层结构P++N+P-作光电池，以及由它与N+P-混杂结构构成的光电池，在零偏压下与折合成同样尺寸的普通PN结电池相比，光电流较国际最高水平0.92A/W高出3.2倍，当加上1.5伏偏压后，高出414倍。
以下结合附图和实施例具体描述本发明。
图1为本发明实施例的结构示意图；图2为图1实施例取出电流的电路图；图3为双P-N结夹层结构。
其中1——电极；2——衬底N-或P-；3——P+或N+型扩散层；4——高渗杂N++或P++型扩散层；6——电极。
实施例1其结构如图1所示，扩散层3和高渗杂扩散层4复盖有自然生成的氧化层，多层结构区的扩散层3是完全耗尽状的部分夹在高渗杂扩散层4与衬底2之间，形成类似于“三明治”的夹层结构，产生两个PN结，其中高渗杂扩散层4只复盖住扩散层3的局部，电极6及1分别从高渗杂扩散层4和衬层2引出。
其扩散层3可以是P+也可以是N+型扩散层；高渗杂层4可以是P++也可以是N++型扩散层；衬底2可以是N-也可以是P-。
与普通光电池依靠数量很少的光生载流子产生电流原理不同，上述实施例N-型半导体衬底2、P+型扩散层3以及高渗杂N++型扩散层4构成的多层结构在边界条件合适的情况下，可以具有热生载流子的传输能力，而热生载流子的数量远比光生载流子多得多，同时N-型半导体衬底2和P+型扩散层3又构成一个普通光电池，其中产生的光生空穴可以减低热垒，调制高渗杂N++型扩散层4的热生载流子发射辐度，使热生载流子跌入吸收性边界，形成有序运动。结果将光吸收过程中耗散的热能直接转化成电流，从而极大提高光电池的的转换效率。
本发明取出电流的方法有两种一种是直接从电极1和6取至供电系统；另一种如图2所示，点划线内为热光电池的等效电路，电极经不耗损能量的外电源E向负载R1供电。此时外电源E在N-衬底2和N++扩散层4之间加上反向电压，使扩散层3与高渗杂扩散层4形成的PN结之间在光生电压的诱发作用下产生隧道电流，与原先的热光电流一起流动，从而进一步增加热光电池的电流输出。
实验证明，上述实施例的热光电池转换效率大幅度提高。推广应用之后，将带动众多产业的发展，产生良好的社会效益与经济效益。
权利要求
1.一种热光电池，其特征在于，其结构采用a.用N++P+N-三层结构作 光电池；b.由N++P+N-三层结构与P+N-混杂结构构成的光电池；c.用P++N+P-三层结构作光电池；d.用P++N+P-三层结构与N+P-混杂结构构成的光电池；
2.如权利要求1所述的热光电池，其特征在于，还可以将几乎不耗电的外来电源作为泵浦用。
3.一种热光电池的制备方法，其特征在于，采用高渗杂办法来吸收红外线的热光电池。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，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。N-层的掺杂浓度范围1013-5×1014cm-3。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，P++层的掺杂范围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。
全文摘要
本发明涉及一种可将光能转换成电能的光电池及其制备方法。本发明采用:N
文档编号H01L31/06GK1345094SQ0012951
公开日2002年4月17日 申请日期2000年9月29日 优先权日2000年9月29日
发明者陈钟谋 申请人:杨希文, 张盛武, 陈钟谋