HU227655B1

HU227655B1 - Semiconductor element and method for the production such a semiconductor element

Info

Publication number: HU227655B1
Application number: HU0004391A
Authority: HU
Inventors: VECCHIA Nunzio LA
Original assignee: VECCHIA Nunzio LA
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2011-10-28
Also published as: JP3874429B2; KR20000070571A; DK1032949T3; CZ150499A3; AU756671B2; US20030107099A1; CN1218405C; KR100613524B1; US6635942B2; BG64069B1; EP1032949A1; PL337092A1; NZ336848A; BR9808074B1; EP1032949B1; AU9527598A; EP0954033A1; TW434915B; WO1999056325A1; PL192742B1

Description

(57) Kivonat

A félvezető elem, amely különösen napelem, legalább egy, egykristályos vagy polikristályos szerkezetű, félvezető alapanyagot (40) tartalmaz, amely félvezető alapanyag (40) legalább részben előre meghatározott tisztaságú FeS₂képletű piritet tartalmaz. A legalább részben FeS₂ képletű piritet tartalmazó félvezető alapanyag (40) borral és foszforral van társítva vagy szennyezve. A találmány szerinti eljárás lényege, hogy egy ilyen félvezető elem gyártásához félvezető alapanyagként vagy természetben előforduló, vagy vasból és kénből szintetikusan előállított FeS₂ képletű piritet használunk, amelyet borral és foszforral társítunk vagy szennyezünk.

3. ábra

0 0 * * * * * 4·* * * ♦ χ * κ* · · . :? ξ : ^Α'-'.'Λ^Μ ί· 0 χ, * ** Id λ ”$L $·^ 3* * * '* » * 0 0 /

f /'ί*' / íy'b---

ő elem és a

A találmány tárgya félvezető elem, különösen napelem, és eljárás ilyen félvezető elem gyártására, A találmány szerinti félvezető elem legalább egy olyan, egykristályáé vagy poiíkristályos szerkezetű, félvezető alapanyagot tartalmaz, amely legalább részben előre meghatározott tisztaságú, FeS2 képlető pidtef tartalmaz..

Számos olyan általános célé félvezető elem vagy félvezető tényétem Ismert, amely körülbelül 15% hatásfokkal rendelkezik, és a nap vagy más fényforrás által kisugárzott energia következtében kialakuló fényelektromosság elvén működik. Félvezető anyagként ma elsősorban p- és n-típusú vezetőréteggei rendelkező, vékony szilícium vagy gallium-arzeníd-vas kristályokat használnak.

Jól Ismertek az olyan vékonyréteg napelemek Is, amelyeknél a félvezető réteget fémgőzőléssel vagy más hasonló módon viszik fel egy hordozóra, Ezeknél a napelemeknél a félvezető réteg vastagsága mikrométer nagyságrendű (1~-5Ö pm). Félvezető anyagként kadmium-szulfídot kadmium-telfüridof, réz-sznlfidof vagy más hatásfok érhető et Ugyanakkor ezek az anyagok kedvező telfeslbhénydőmeg aránnyal rendelkeznek, és kisebb költséggel állíthatók elő, mint a szilícium-vas kristályok.

Az EF-A 0173642 számú szabadalmi leírás olyan, FefWx általános képietű fényérzékeny piritréteg formájában megvalósított, általános célú napelemet ismertet, amelyben a nemkívánatos szennyeződések koncentrációja kisebb, mint 1Ö²⁰ Vem³, és szennyező anyagként mangánt, arzént és/vagy kobaltot vagy kiőrt tartalmaz, A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy az ilyen napelemekkel nem érhető el a kívánt hatásfok.

Az ^Miron disulfide fór solar energy cobversion* c. (Solar Energy Materials and

A T~íype conductlon in pyrite síngle chrystals prepared by Chemical vapor transport” c, (Applied Fhysics Lettem, 1993, Vei. 62,, Ho. 17, 2093-2095 o.) tanulmány-kis méretű FeS₂ píritkristáíyokbői álló félvezető alapanyagról tesz említést. A félvezető alapanyag a vas és kén mellett főként vörös foszfort tartalmaz G,5-4,0 tömeg% koncentrációban, A pirít szennyezése és/vagy az ilyen pirit foszforral történő

90297-2557 HG társítása bizonyítható módon bizonyos elektromos tulajdonságokat idéz elő a piritben.

Az ismeri félvezető elemekhez képest a találmány szerinti, fent említett alapanyagú félvezető elemmel, különösen napelemmel az eddigieknél nagyobb hatástok érhető el mind napfény, mind pedig mesterséges fény esetén, A találmány szerinti félvezető elem előállítási költsége jóval alacsonyabb, azért az ilyen típusú napelemek tömeggyártásra Is alkalmasak. A találmánnyal célunk továbbá olyan felvezető anyag megalkotása, amely könnyen és környezetbarát módon állítható elő.

A kitűzött célokat egyrészt olyan félvezető elem, különösen napelem megvalósításával érjük el, amely legalább egy, egykristályáé vagy poííkristályos szerkezetű, félvezető alapanyagot tartalmaz, ahol a félvezető alapanyag legalább részben előre meghatározott tisztaságú^ FeS₂ képletü plritet tartalmaz. A legalább részben FeS2 képletü plritet tartalmazó felvezető alapanyag bárral és foszforra:! van társítva vagy szennyezve

A kitűzött célokat másrészt olyan, a Imént említett félvezető elem gyártására szolgáló eljárással égük el, amely során félvezető alapanyagként vagy természetben előforduló plritet, vagy vasból és kénből szintetikusan előállított FeSs képletü plritet használunk, és a plritet Pórral, valamint foszforral társítjuk vagy szennyezzük.

Ily módon optimális és rendkívül jó hatásfokú felvezető elem állítható elő, amely kifejezetten alkalmas napelemnek,

A találmány szerinti félvezető elemből olyan napelemek állíthatók elő, amelyek hatásfoka nagyobb, mint sz ismert napelemeké, A plrit félvezető anyagként való alkalmazása azért előnyős, mert olyan természetes anyag, amelyet mesterségesen szintén elő lehet állítani. Az előállítás költsége a nagyobb hatásfok ellenére Is olyan alacsony szinten tartható, hogy gazdaságos termelést fesz lehetővé,

A találmányt a továbbiakban a rajz alapján részletesen Ismertetők. A rajzon;

- az 1. ábra a találmány szerinti félvezető elem kinagyított vázlatos keresztmetszete;

- a 2. ábra a plrit oktaéder és deformált oktaéder alakú ílgandumterében lévő dájlapotü vas energtaszlntjelf szemlélteti vázlatosan;

- s 3. ábra a találmány szerinti félvezető elem egy hetemáímenettel rendelkező változatának kinagyított vázlatos keresztmetszete;

- a 4, ábra a találmány szerinti felvezető elem egy heferoáfroenettet rendelkező változatának energíasávjaít szemlélteti vázlatosan.

.

Az 1. ábrán találmány szerinti, elsősorban napelemként használható 10 félvezető elem keresztmetszete látható kinagyítva, vázlatosan. Ennél a kiviteli alaknál a 10 félvezető élem többrétegű struktúrával rendelkezik. Egymás mellett több ilyen elem Is állhat, melyek egy fém foglalatba ágyazhatók, és Ily módon egyetlen panelt alkothatnak. A panelt az 1. ábrán nem ábrázoltuk, A napalem célszerűen olyan átlátszó anyagból készült fedőlappal - például 11 üveglemezzel - van ellátva, amely a félvezető elemet a szokásos mechanikai hatásoktól, például ütödéstöf, a nedvességtől és a kedvezőtlen időjárástól egyaránt védi, A napelemet felöl lévő például gyantából készített - laminált 12 réteg és alul lévő, szigetelő anyagból például kerámiából - készült 14 szigetelőréteg fogja közre. Ennek köszönhetően a napelem belseje a külvilágtól el van szigetelve, így nem juthat be pára vagy víz.

foszforral társítjuk vagy szennyezzük. Az 1. ábrán látható 20 alapanyag egyetlen FeSs rétegből áll,

A szilárdtest elemként megvalósított 10 félvezető elem egy piritből készük, félvezető 20 alapanyagból álló réteget, egy 21 foszforréteget és egy 22 bórréteget tartebiaz. A 21 foszforréteg és a 22 bőrréteg a 2ö alapanyag két oldalán helyezkedik el oly módon, hogy a kötést szennyező anyag hozza létre a félvezető 20 alapanyag és a 21 foszforréteg, illetve a 22 bőrréteg között. A 21 foszforréteg és a 22 bőméteg rendkívül vékony, a vastagságuk mindössze néhány mikrométer. Az említett rétegek kialakításának módját a későbbiekben Ismertetjük.

A napelemként kialakított 10 félvezető elem ügy működik, hogy napsugárzás hatására elektromos áram indul meg benne, melyet célszerűen egy 13, 15 vezetóanyag segítségével vezetőnk et A 13, 15 vezetőanyagot ismert módon a félvezető 20 alapanyag felett, illetve alatt helyezzük el. A 15 vezetőanyagot alulról 14 szigetelőréteg védi. A 13, 15 vezetőanyagokat vezetékek segítségével kapcsoljuk a fogyasztóhoz, ennek módja ez 1. ábrán azonban már nem látható, ^z 1, ábra egy egyszerű szerkezetű napelemként szemlélteti a találmány azehnípSvezető elemet. Nyilvánvaló ugyanakkor, hogy a vezetőanyagot és a félvezető alapanyagot különböző elrendezésekben és különböző mennyiségekben alkalmazhatjuk.

A bemutatott félvezető elemet különböző típusú napelemekben használhatok. Megvalósíthatunk nagyon kis méretű napelemet, például zsebszámológépek > > X ♦ * * « » V «***‘*í*5 *!*:.:**

·.♦·'♦ « X- « * * **«Λ ♦♦ * ♦«

ΛΛΐ<υ *, vagy nagy mérető vagy |Lfecfé£.vas-pirit - mint a fednek-anyaga ~ a legg

hidrotermális érctelepeken, A tiszta rendklvű skálán. A pirít

MW K W í8.4x1^ Kt Az FeSs A cellák mérete megkőz* r, kocka» pentagondodekaéder találmány szerinti felvezető anyag további

a 6--6.5 fokot a Mohs-féle keménység! és 300 K között 4.6x10^ K\ mi letö pirít 12 atombél állé elemi Itöleg 5,4^^x10“^w m, A pirít , A előnye,

K iával

szerinti 10 félvezető elem hatékonysága szempontjából - a uka általános szabályait figyelembe véve ~ csak azok a fotonok játszanak szerepet, amelyek energiája egyenlő a tiltott sáv szélességével vagy annál de nem haladja meg a vegyértéksáv első széle és a vezetési sáv felső Helő energiát. A keletkező töltéshordozők fe nem csak az egységnyi felületre sugárzott fotonok, számától és

értéke a mint 1Ö⁵ cm~\ A találmány szerinti 10 félvezető elem előállításakor optimálisan használjuk ki a piritnek ezt a tulajdonságát

A 2. ábrán a vas d energianívójö elektronjai energíaszbtjének felhasadását szemlélteti a pirít Ö_h oktaéderes tígandumtere és deformált okíaéderes tien a. energiánkká történő felhasadásával egy tiltott sáv jön létre a félvezető alapanyagban. A vegyértéksáv 0.8 eV szélességű vagy annál nagyobb, melytől az alapsáv szintén egy 0.8 eV szélességű tiltott, sávval van elválasztva. A vezetési sáv felett az elektromos tulajdonságokat a vas 4s és 4p energiánkról határozzák meg. A molekulapálya-elméletben a pirítnél a tiltott sáv létrejöttét a vas 3d energianívóinak egy alacsonyabb energiájú betöltött f_2g és betöltetlen e_§energíanivőra történő felhasításával ériük el.. Az eneroianlvők felhasadása a kén

X Χ· 9 9 * & « * ¥·»·« * ♦ * *.*·:♦% * Mg * **% X * ft.

** * ** okteéderes ligandumterének köszönhető, amely könnyen a deformációja az energianivók további, jelentős mértékű a 2. ábrán látható, a Dse deformált oktaédere® íigandumtér eg', egy és egy ag energianívóval rendelkezik,

A 3. ábrán olyan 50 félvezető elem keresztmetszete Iá' szintén a találmány részét képezi. Az 50 félvezető elem elhelyezkedő 51 píritréteget tartalmaz, amely X félvezető 4 továbbá tartalmaz egy 52 bórréteget és egy 53 foszforréteget. k felső oldalon helyezkedik el, közvetlenül ki van téve a rétegek ilyen elrendezésénél vagy vegyüíetet képezünk a anyagával, vagy a integrálok a foszfort és a bőrt a vezető elemeket elrendezhetjük oly módon is, hogy réteggel, azonban ennek részletek nem ismertetjük.

Ellentétben a 3. ábrán látható többrétegű egykristályként előállított pirít mag oldalára is felvihetünk egy vázlatosan, amely legalább egy, felöl I alapanyagból van, ivei az 51 plntréteg a pi alapanyaggal, egy k találmány szerinti 10, 50 félvezető etem lát köíönbö

Amikor a félvezető al az egyébként kb lö¹⁵1/cm³tiszti

Issei

CVT), melynél a vas-kén vegyület előállításhoz 250° C és 1200® C között kell tartani. Ha a piritet ki, akkor áz alacsonyabb hőmérsékletű oldalon

C és 850° C _φ ♦♦.,χ »♦ ******** « * .**:·*_ ,,¼.¾ %*** * ** * * * *£ * * * * * ϊ **?*#«* ***** »♦ * ^χ . ♦· * ♦ ♦ φ Ο

Α·Λ· ·. * *-g között változhat, A ként a vashoz továbbító hordozóanyag lehet brómszármazék,^· vég plrltet a megtisztított alapelemekből, vasból és kénből 250® C és 12ÖCP C közötti standard hőmérséklet-gradiens, vagy 200® C és 1400® C közötti hőmérsékletgradiens alkalmazáséval lehet előállítani. A

Nagy méretű pirít egykristályok előáll!’ teliúr, BrCfe, Na vagy Ss tartalmú

A pirít előállításának egy másik lehetség

er). Ezt egy ’ a pirít céltárgyra. Az argon elemi kán elgőzőlögtetésével állítjuk elő, A de ennél akár nagyobb, akár kisebb is lehet a eltolódás értéke ö és 400 V között van. A hordozó közötti értékre állftiuk be. Ezzel az elí előállításét teszi olyan aljái nyomás 1 Pa, ülő OC nulíszínto C és 950® C líkrlstál

(MOCVCj és a sorén egy ítségével a szálljuk.

ggően az előnyös

akkor lehetőség van arra, hogy tiszta vagy plazma segítségév sgokből Induljunk ki, aktív réteg vastagsága nagy mér yasoija a napelem ** * * ♦ * ♦**♦ * 5* « « »««♦ » <

«Ο «Α Α Α**^

Ha a félvezető alapanyagot foszforral vagy bénái kívánjuk társítani vagy szennyezni, akkor célszerű az utóbbiból az alapanyag 10^-20 tömeg%~ának megfelelő mennyiséget használni, A pontos érték attól függ, hegy a kész félvezető elemmel szemben milyen elvárások vannak.

A találmány szerinti félvezető elemet előállíthatjuk űn, tandem cellaként Is. Ez esetben kombinált hatás érhető el egy pírifet tartalmazó szennyező réteg és egy-egy másfajta félvezető anyagot - például szilíciumot, galiíum-arzenldet vagy más, erre a célra alkalmas anyagot - tartalmazó további p-tipuaú és n-flpusé réteg Elhasználásával, Az ilyen félvezető elemekkel maximálisan kihasználható a spektrum, amennyiben a félvezető alapanyagok képesek lefedni az 1,0 és 1,8 eV

.................. .......

Amint a 4, ábrán vázlatosan látható,ya találmány érteimében különbőzé | * meg.

kombinálni lehet egy másik anyagból lévő(32jn-ti'pusú^féivezetŐvel. Az heferoáimenet olyan sáveltolódásokat idéz elő, amelyeket innovatív módon tőftéshordozók mozgásának befolyásolására felhasználni. Két különböző ilyen lehet a mértékében. Például a találmánynál alkalmazott

sávok szélességei, a φ^, munkafúggvénye^ elektronaffinitások is különbözőek, A 4. ábrán a többi jelölés az szokásosan alkalmazott jelölések, melyek jelentését itt nem részletezzük,

A heteroáknenetek előállításához speciálisan erre a célra kifejleszt alkalmaznak, amely egyúttal a találmány szerinti félvezető alapanyag előállít alkalmas. Mind a moiekuíasugaras kristálynövesztés (MSE), mind a gázzal krlstálynővesztés (MÖCVD) megvalósítható szerves fémvegyütet

melyet hőkezeléssel kell ♦ ♦ * *»* *“$,5 »$»« «« *·.·: Jf -$·♦$ $ :·' φ :·:· Φ $ φ $ Φ $ <tfc Φ φ*

es a alakulnak

A iaras kis méretű ek

Claims

hatására kialakuld géz nyomása ufiranagy vákuum és egy

Többrétegű szerkezet a 3. ábrán látható félvezető Mtani, int lem rendkívül magas hatásfokkal rendelkezik.

píritet tartalmaz, azzal jellemezve, hogy a legalább részben. FeS^ képiető pihtet tartalmazó félvezető alapanyag (20, 40) bárral és foszforral van társítva vagy szennyezve,
2, Az 1. igénypont szerinti félvezető elem. azzal jellemezve, hogy olyan többrétegű félvezető alapanyagot tartalmaz, amely legalább egy rétegben pirtet tartalmazó p~ típusú vagy n-fípnsű félvezetőt (31), és legalább egy rétegben más anyagú, n-tlposö vagy p-típusű félvezetőt tartalmaz,
3, Az 1. vagy 2, igénypont szennti félvezető elem, azzal jellemezve, hogy a félvezető alapanyagban (20, 40) mindegyik hozzáadott kémiai elem koncentrációja 10“® és 20 tömeg% között van.
4, Az 1-3, igénypontok bármelyike szerinti félvezető elem, azzal jellemezve, hegy a félvezető elem egy- vagy többrétegű napelemként, vékonyréteg napelemként, fémszigetelő-félvezető (MIS) napelemként, fotokémiai elemként -vagy—másH'msenlé' «-elemkéef-vsn megvalósítva.
5, Az 1,-4. igénypontok bármelyike szerinti félvezető elem, azzal jellemezve, hogy a is ^:· H pirít hőfágulásl együtthatója §0 K és 300 K között 4.5x10® K“\ 300 K és 500 K között

-. « «*** «· ♦' $ $»· e * * * ? «$ ** ·*« **« ♦ «« $ * « fr ♦· ♦ S *»#* $·« * **
7. Az1.-$. k

Ps Piriiből előállított félvezető ,99M%-os tisztaságú.

ti félvezető elem, azzal jellemezve, hogy a föbbzónás tisztítással van kezelve, és

A*·/

Λ~7, bármelyike szerinti félvezető etem, azzal jellemezve, -tPbbStéWy a rétegek száma legfeljebb száz.
9. Eljárás az 1.~8. igénypontok bármelyike szerinti napelem, gyártására, azzal jellemezve, hogy természetben előforduló, vagy vasból és kénből szintetikusan társítunk vagy
10. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, amennyiben a szolgáló vasat és í
11. A 9. k

Mjárás, azzal jellemezve, hogy a piritet hidrotermális kémiai eljárással, előnyösen kémiai gázleválasztással (CVT) állítjuk elő.

eljárás, azzal jellemezve, hogy a piritet tellurid, Na^S vagy svai állítjuk elő, szerinti eljárás, azzal jellemezve, hog$ azísű transzportot használunk.
14. A 13. ige szállító közegként szerinti eljárás, azzal jellemezve, If2-Ot^: szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a (MOCVO), reaktív

Φ4 Κ V

18, A 9, igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hegy pírit alapanyag bérrel és foszforral történő társítását vagy szennyezését epitaxiával végezzük
17, A 8. Igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy pirit alapanyag bárral és foszforral történő társítását vagy szennyezését ion-implanfáclővaí végezzük.
18. A S, igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a pirittel történő társításh ~ ~ “^Λ\%“08 tisztaságú bért és foszfort használunk.

X- *

1/2

...... .... .. ........ ....-, ...... ...«· ...

j

χ./ .r /./ .χ. χ \