Розробка високоефективних фотоелектричних перетворювачів на основі кремнію

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Світова енергетична криза стає все більш актуальною у зв'язку зі зменшенням запасів традиційних енергетичних ресурсів, що породжує необхідність розробки і використання альтернативних, екологічно чистих, і в першу чергу, відтворюваних джерел енергії. Це завдання особливо важливе та актуальне для України, яка в останні роки зіткнулась з проблемою гострої нестачі енергоресурсів.

Особливо перспективним і практично невичерпним джерелом енергії є сонячне випромінювання. Тому необхідність розв'язання проблеми перетворення сонячної енергії в електричну з високим коефіцієнтом корисної дії (ККД) є все більш невідкладним завданням. Серед існуючих методів перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію (термоелектричний, фотоелектрохімічний та ін.) вигідно відрізняється за даним параметром фотовольтаїчний метод, який використовує напівпровідникові сонячні батареї (СБ). Цей метод показав високу ефективність при роботі СБ у космосі і на Землі. Найбільшого поширення на сьогодні набули фотоелектричні перетворювачі (ФЕП) на основі кремнію (близько 90 % світового ринку ФЕП). Незважаючи на пошуки нових перспективних матеріалів для сонячної енергетики, кремній залишається поки що поза конкуренцією. Використання кремнієвого матеріалу перспективне з точки зору розвитку широкомасштабного виробництва ФЕП в Україні, що зумовлено наявністю потужних підприємств по вирощуванню полікристалічного та монокристалічного Si високої якості, спорідненістю більшості технологій по створенню ФЕП з базовими технологічними процесами мікроелектронного виробництва і, отже, готовністю мікроелектронних підприємств до широкомасштабного випуску ФЕП на основі Si.

Проте те широке впровадження екологічно чистих ФЕП на основі кремнію стримується відносно високою їх вартістю, значну долю якої становить вартість вихідних пластин монокристалічного кремнію. Роботи по зниженню вартості сонячних елементів (СЕ) на основі Si проводяться в кількох напрямках: вирощування відносно дешевих полікристалічного й аморфного Si або монокристалів кремнію спеціально для виготовлення ФЕП; розробка нових конструкцій і технологій виготовлення СЕ і СБ, які дозволять підвищити ефективність без збільшення вартості.

Одним з важливих напрямків робіт зі зниження вартості вихідного напівпровідникового матеріалу є регенерація (очистка, гетерування) низькоякісних кремнієвих пластин, які утворюються внаслідок надмірних забруднень у процесі вирощування кремнію, або пластин, що є відходами мікроелектронного виробництва. Такі пластини характеризуються значним вмістом рекомбінаційно-активних домішок, які приводять до зниження ефективності СЕ. На даний час ця проблема ще далека від розв'язання. Тому розробка нових ефективних методів гетерування домішок і дефектів у Si є актуальним завданням сучасної твердотільної електроніки.

Важливим практичним завданням є розробка та створення ефективних та оптимальних конструкцій і технологій виготовлення сонячних елементів і модулів фотоелектричних перетворювачів різної потужності з високим ККД.

Одним з ефективних шляхів підвищення ККД СЕ є нанесення на їх робочу сторону антивідбиваючих, просвітлюючих покриттів. Це особливо актуально для СЕ, виготовлених на основі матеріалів, що мають великий показник заломлення в області максимуму сонячного спектра, зокрема для Si. Традиційні покриття, що використовуються для Si (SiO2, Si3N4 та ін.) в якості просвітлюючих, мають свої недоліки: не задовольняють умову оптимального просвітлення; не володіють необхідними пасивуючими властивостями; наносяться при досить високих температурах; мають незадовільні механічні властивості. Перспективними просвітлюючими та захисними покриттями для Si є алмазоподібні вуглецеві плівки (АПП). Переваги АПП - їх висока міцність, хімічна та радіаційна стійкість, а також можливість у широких межах змінювати їх оптичні властивості при зміні умов нанесення. Разом з тим, на момент постановки даної роботи існували тільки поодинокі дослідження в цьому напрямку. Тому завдання по оптимізації технологічних режимів отримання АПП з заданими властивостями та дослідження СЕ з просвітлюючими покриттями на їх основі є дуже актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких наведені в дисертації, проводились у Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича, ОКБ “Рута”, Інституті фізики напівпровідників НАН України в рамках таких тем:

1.ь Бюджетної теми №01990001900 “Радіоелектронні прилади, пристрої та їх елементна база” (автором розроблено конструкцію та технологічні режими виготовлення СЕ для малогабаритної апаратури).

2. Проекту Міннауки України 4.4/406 “Дослідження механізмів формування алмазоподібної структури низькотемпературних вуглецевих плівок та їх модифікації” за договором №4/313-97 від 26 вересня 1997 року (автором проведені дослідження оптичних властивостей АПП).

3. Проекту Українського науково-технологічного центру (УНТЦ) №382 “Розробка та виготовлення високоефективних фотоелектричних перетворювачів для створення наземних сонячних батарей” (1996-1998 р.р.) (автор досліджував вплив термічних відпалів на рекомбінаційні параметри Si, брав участь у розробці конструкції і технологічного маршруту виготовлення СЕ та вимірюваннях їх параметрів).

4. Держбюджетної науково-технічної роботи “Фізико-технологічні та конструкторські розробки по підвищенню ККД та здешевленню вартості кремнієвих сонячних елементів та модулів в умовах серійного виробництва” (реєстраційний №04.07/07264, 1997-2000 рр.) (автором визначені параметри технологічного процесу виготовлення СЕ на пластинах, що є відходами мікроелектронного виробництва)

5. Міжнародного проекту УНТЦ U-031 “Розробка фотоперетворювачів сонячної енергії на основі структур нового типу ”Іонно-модифіковані та алмазоподібні шари - полікристалічний кремній” (автором проведена оптимізація технологічних умов нанесення АПП для просвітлення СЕ).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - розробка ефективних методів гетерування домішок у кремнії та конструктивних рішень і технологічних підходів, що є основою для створення високоефективних конструкцій елементів і модулів фотоелектричних перетворювачів на основі кремнію та промислових технологій їх виробництва при суттєвому зниженні собівартості.

При цьому вирішувались такі наукові завдання:

- дослідження рекомбінаційних параметрів у пластинах кремнію в залежності від їх термічної передісторії та високотемпературних обробок, що впливають на хімічно-структурний стан кисню в Si;

- розробка технологічних режимів процесів гетерування з застосуванням різних типів гетерів і температурних обробок для поліпшення фотоелектричних характеристик пластин кремнію;

- розробка методу гетерування домішок у пластинах Si, що містять внутрішні гетерні центри у вигляді мікропреципітатів SiO2;

- дослідження властивостей алмазоподібних вуглецевих плівок та плівок карбіду кремнію і можливості їх використання як захисних та просвітлюючих покриттів для кремнієвих СЕ з метою підвищення ефективності фотоперетворення;

- розробка оптимальних конструкцій та оптимізація технологічних процесів виготовлення сонячних елементів і фотоелектричних модулів (ФМ), які максимально враховують особливості застосовуваного кремнієвого матеріалу.

Об'єкт дослідження. Фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії на основі кремнію.

Предмет дослідження. Процеси гетерування домішок і дефектів у кремнії, властивості АПП плівок, характеристики сонячних елементів, батарей і модулів, виготовлених за розробленими технологіями.

Методи дослідження. Для визначення довжини дифузії неосновних носіїв заряду використовувався метод спектроскопії поверхневої фото- е.р.с. Оптичні властивості АПП і структур АПП- кремній досліджувались методами лазерної та спектральної еліпсометрії. Характеристики СЕ і модулів вимірювались за допомогою автоматизованої та атестованої установки з використанням еталонних фотоелементів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропоновано для гетерування дефектів і домішок у кремнієвих пластинах, що характеризуються наявністю внутрішніх гетерних центрів (кремній-кисневих преципітатів), використовувати плівки Ge з наступним іонно-променевим перемішуванням і термічним відпалом. Встановлено, що механізм дії такого гетера зумовлений відмінністю коефіцієнтів сегрегації домішок у гетерному шарі і кремнієвій пластині, інжекцію точкових дефектів та градієнтом механічних напружень. Визначені оптимальні режими гетерування.

2. Виявлено ефект суттєвого збільшення стабільності часу життя неосновних носіїв струму в кремнії при різних термообробках за рахунок попереднього гетерування домішок розробленим методом (нанесення плівки германію з наступним іонно-променевим перемішуванням та відпалом).

3. Запропоновано спосіб підвищення коефіцієнта корисної дії кремнієвих сонячних елементів за рахунок нанесення просвітлююючих алмазоподібних плівок а-C:H, а-C:H:N та SiC.

4. Удосконалено метод пасивації периметру кристала шляхом створення мезаструктури з наступним нанесенням окисної чи АПП плівок.

5. Обґрунтовано використання тришарової системи хром-мідь-припій для створення контактів у СЕ, призначених для використання в потужних фотоелектричних модулях. Удосконалено технологічний спосіб її створення.

6. Удосконалено конструкцію СЕ з урахуванням особливостей розробленого гетера.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблений спосіб збільшення часу життя нерівноважних носіїв заряду в кремнієвих пластинах дає змогу використовувати низькоякісний дешевий кремній та відходи мікроелектронного виробництва для виготовлення недорогих і ефективних перетворювачів сонячної енергії.

2. Нанесення аморфних вуглецевих плівок, стійких до механічних і хімічних деградаційних факторів, у якості просвітлюючих та пасивуючих покриттів СЕ дозволить збільшити ефективність фотоперетворення і строк експлуатації СЕ, а отже, знизити вартість енергії, що ними виробляється.

3. Розроблено технологію для створення тришарової контактної металізації сонячних елементів, перспективних для використання в потужних фотоелектричних модулях.

4. Розроблена промислова технологія виготовлення СЕ, які, враховуючи низьку якість вихідного матеріалу, мають досить високу ефективність (14,15 %). Розроблено та виготовлено модулі СБ з ефективністю ~12,5 %, що є на рівні світових стандартів для такого типу використовуваного матеріалу, при цьому досягнуто суттєвого зниження собівартості як СЕ, так і модулів.

Розроблені у дисертаційній роботі методи регенерації відходів монокристалічного кремнію та технології виробництва високоефективних СЕ і модулів впроваджені у виробництво на ВАТ “Гравітон” та в ОКБ “Рута”.

1. Дослідження генераційно-рекомбінаційних механізмів у кремнієвих пластинах після термічних обробок та розроблення ефективних методів гетерування рекомбінаційно активних домішок

Для досліджень вибрано декілька партій кремнієвих пластин, що відрізнялись часом життя нерівноважних носіїв струму tV. Проведено вимірювання довжини дифузії носіїв струму LD на кожній пластині в десяти точках. Довжина дифузії неосновних носіїв вимірювалась методом спектральної залежності поверхневої фото е.р.с. Проведений статистичний аналіз показав, що вихідні стандартні пластини (кремній КДБ-10) характеризуються середнім значенням LD ~ 150 ё 200 мкм.

Після термічних обробок вихідних пластин спостерігається зменшення довжини дифузії до значень LD ~ 20 ё 50 мкм. Величина LD залежить від температури, часу обробок та кількості технологічних операцій. Додаткові дослідження впливу швидких і тривалих відпалів на поведінку LD дозволили зробити висновок, що зменшення LD зумовлене двома факторами: рекомбінаційно-активними домішками; зародженням і ростом мікропреципітатів SiOx та їх взаємодією з рекомбінаційно-активними домішками. Виходячи з цього, всі кремнієві пластини, що використовуються для виготовлення фотоперетворювачів, розділялись на 2 основні класи: А - пластини з малою концентрацією кремній-кисневих преципітатів, рекомбінаційні параметри яких визначаються швидко-дифундуючими рекомбінаційно-активними домішками; Б - пластини, що містять внутрішні гетерні центри, якими виступають мікропреципітати домішок та SiOx.

Проведено дослідження різних методів гетерування з метою збільшення LD в пластинах з низькими значеннями (LD <50мкм) та забезпечення стабільності отриманого високого значення LD при наступних високотемпературних технологічних обробках. Для цього були вибрані як відомі з літератури, так і оригінальні методи гетерування, запропоновані в рамках виконання цієї роботи: 1 - імплантація H+ (E=150 кеВ, D=3x1016 см-2); 2 - імплантація Ar+ (E=150 кеВ, D=3.6x1016 см-2); 3 - імплантація C+ (E=100 кеВ, D=1.8x1016 см-2); 4 - нанесення шару Al (d=100 нм); 5 - шар Al (d=100 нм) + імплантація Ar+ (E=150 кеВ, D=3.6x1016 см-2); 6 - нанесення шару Ge (d=100 нм); 7 - шар Ge (d=100 нм) + імплантація Ar+ (E=150 кеВ, D=3.6x1016 см-2); 8 - легування домішкою фосфору при епітаксії Si. Методи вибрано так, щоб розділити вплив різних факторів на рекомбінаційну активність у Si. Після формування гетерного шару зразки відпалювались в атмосфері Ar в інтервалі температур 800 ё 1100°C протягом 0,5 ё 4 годин. Показано, що оптимальними для гетерування є температура Т=900°С і час відпалу 1 год.

Таким чином, показано, що найбільш ефективним методом для збільшення tV в термооброблених пластинах Si є запропонований нами метод нанесення плівки германію на тильну сторону пластини з подальшим іонно-променевим перемішуванням (іонами Ar+) та термічним відпалом. Механізми дії такого гетера можуть бути пов'язані з такими факторами: плівка Ge з іонним перемішуванням створює значні стискуючі напруження в об'ємі пластини, впливає на розпад мікропреципітатів і стимулює відрив домішок з внутрішніх гетерних центрів; під час іонно-променевого перемішування відбувається інжекція міжвузлових атомів кремнію, які впливають на процеси взаємодії преципітатів з рекомбінаційно-активними домішками; крім цього гетерний шар суттєво відрізняється від Si коефіцієнтом сегрегації домішок, що дозволяє провести їх перерозподіл і закріпити в гетерній області.

Для подальшого аналізу механізмів гетерування детально досліджені дві гетеруючі процедури: перша включала імплантацію іонів водню з енергією 150 кеВ, друга - нанесення плівки германію на тильну сторону пластин та іонно-променеве перемішування границі поділу Ge-Si. Після нанесення гетера проводився термічний відпал при T = 900C в атмосфері аргону протягом 1 год. Вибір цих методів гетерування зумовлений різними механізмами їх дії на рекомбінаційні центри. Водень пасивує обірвані зв'язки, що можуть бути рекомбінаційно-активними, а плівка Ge, як відзначалось вище, ефективно гетерує металеві домішки та впливає на стан преципітатів SiO2. Як випливає з рис. 2, імплантація водню малоефективна для пластин, що містять внутрішні гетерні центри, і дозволяє підвищити значення LD майже вдвічі в пластинах, що не проходили попередніх термообробок. Водночас друга гетеруюча процедура ефективна для пластин обох типів, а в пластинах, що пройшли термообробки, збільшує LD майже в 3,5 раза.

Отримані результати підтверджують запропоновані механізми гетерування і попередні висновки.

2. Результати досліджень оптичних і механічних властивостей аморфних вуглецевих (а-С:H і a-C:H:N) та карбідокремнієвих (a-SiC) плівок, можливість їх застосування як захисних та просвітлюючих покриттів для сонячних елементів на основі кремнію

Плівки a-C:H осаджувались з плазми високочастотного (ВЧ) розряду (13,56 Мгц) у реакторі ємнісного типу при кімнатній температурі. Використовувалась суміш газів СН4, Н2 і N2 в різних пропорціях. Властивості плівок змінювались при варіації параметрів процесу осадження, а саме: величини ВЧ зміщення на підкладці, тиску газу в робочій камері та складу газової суміші. За рахунок зміни вказаних параметрів були отримані плівки з показником заломлення n~2.0, що, виходячи з умови оптимального просвітлення для одношарового покриття nплівки=(nпідкладки)1/2, свідчить про їх придатність як просвітлюючих покриттів для СЕ на основі кремнію (при довжині хвилі світла l=632,8 нм nSi=3,96). При цьому коефіцієнт екстинкції k плівок не перевищував значень 0,05-0,125, оптична ширина забороненої зони Еопт досягала 2,0 еВ, а твердість Н наближалась до 10 ГПа. Показано, що нанесення навіть одношарової просвітлюючої а-C:H:N (або а-C:H) плівки дозволяє зменшити коефіцієнт відбивання R не тільки порівняно з вихідним кремнієм, але й зі структурою SiO2-Si. При цьому у мінімумі відбивання R має значення 1-1,5 %. Спектральне положення мінімуму відбивання залежить від товщини плівки d і, в нашому випадку, вибиралось близьким до максимуму спектральної чутливості кремнієвого СЕ. Таке зменшення нефотоактивних втрат у першу чергу приводить до збільшення струму короткого замикання Iкз, (див. табл. 1). Необхідно відзначити, що поряд зі збільшенням Ікз після нанесення плівки а-C:H:N спостерігається суттєве підвищення напруги холостого ходу Vxx та фактору заповнення FF. Даний ефект може бути зумовлений як пасивацією рекомбінаційно-активних центрів на поверхні СЕ, так і гетеруючою дією плівки a-C:H:N.

Результати, отримані для кремнієвих сонячних елементів з просвітлюючими плівками SiC, наведені в табл. 2. Плівки SiC осаджувались методом йонно-плазмового розпилення мішені SiC в атмосфері аргону і водню при підвищеній температурі підкладки. Як видно з табл. 2, нанесення плівок SiC дозволяє збільшити ККД кремнієвих СЕ в 1,2-1,3 раза. При цьому збільшення ККД зумовлене в даному випадку винятково просвітлюючим ефектом, оскільки Vxx і FF СЕ після нанесення плівки SiC не змінилися. Це зумовлено тим, що в даному випадку товщина і показник заломлення плівки близькі до оптимальних значень. Плівки SiC також характеризуються високою термостабільністю. Зокрема, після швидких термічних відпалів протягом 30 секунд при температурах 300-600оС оптичні властивості плівок не змінилися, що пов'язано з низьким вмістом водню в плівках SiC.

3. Розробка та дослідження конструкції і технології виготовлення ефективних СЕ на регенерованому кремнії

На основі аналізу літературних даних за базову вибрано типову конструкцію СЕ з р-n переходом на монокристалічному кремнії. Базова конструкція була доповнена мезаструктурою по периметру СЕ з метою уникнення появи дефектів у місцях виходу р-n переходу на поверхню при розділенні підкладки на окремі елементи.

Проведено розрахунки параметрів оптимальної контактної сітки на фронтальному боці СЕ і вибрано такі габаритні розміри елементів: 1ґ2, 2ґ2, 2ґ4 см. На основі проведених розрахунків розроблено комплект топологічних шарів фотошаблонів для виготовлення СЕ.

Визначено оптимальну концентрацію фосфору в газовій фазі при дифузійному формуванні p-n переходу та швидкість охолодження зразків після дифузії. Максимальне значення часу життя нерівноважних носіїв струму досягається при концентрації POCl3 в газовій фазі ~6 % та швидкості охолодження 2°С/хв. Визначено параметри легованого n+ шару: глибина залягання р-n переходу xj=0.2-0.5 мкм; концентрація легуючої домішки ND = 5х1018ё1019 см-3.

Для оптимізації процесу створення мезаструктури нами досліджувалась можливість використання у якості маскуючого шару при травленні Si у стандартному травнику (суміш азотної і плавикової кислот) діоксиду кремнію, отриманого методом термічного окислення. Встановлено, що при зниженні температури травника та зміні співвідношення його компонент можна досягти високого значення коефіцієнта селективності травлення Si стосовно діоксиду кремнію (> 200). Це забезпечує можливість травлення Si з використанням в якості маскуючого шару дешевих плівок SiО2.

Результати випробувань дослідних партій СЕ показали, що отримана ефективність СЕ нижча від прогнозованих значень, що пов'язано з впливом деградаційних факторів, якими в результаті досліджень виявились:

- обробки пластин в окислювальному середовищі при Т=950°С, що порушує оптимальний баланс потоків точкових дефектів, при яких відбувається ефективне гетерування, та спричиняє часткове руйнування гетерного шару;

- шунтування мілкого (~0,2 мкм) робочого р-n переходу алюмінієм, який дифундує в кремній при впалюванні контактів;

- локальні закорочування р-n переходу, пов'язані з наявністю дефектів у фотошаблонах та фоторезисті при витравлюванні мезаструктури.

На основі цих досліджень була відкоригована технологія виготовлення СЕ, а саме: 1) збільшено глибину залягання р-n переходу до 0,4-0,5мкм; 2) замінено високотемпературний процес окислення при формуванні просвітлюючих плівок SiO2 плазмохімічним нанесенням SiO2 чи АПП. Ефективність СЕ, виготовлених за скоригованій технології, становить 14,9±0,2 %.

При створенні дешевих СЕ великої площі запропоновано використати в якості контактної системи тришарову структуру, що складається з адгезійного підшару Cr товщиною 100ё200е, мідного струмопровідного шару товщиною 2-3 мкм та шару припою товщиною 2-3 мкм. Уперше запропоновано наносити тонкий шар припою шляхом вакуумного термічного осадження в єдиному процесі після осадження Cr та Cu, що запобігає окисленню Cu, дозволяє зменшити перехідний опір контактів СЕ та створює можливість додаткового якісного лудження поверхні контактів шляхом наступного занурення в припій. За спрощеною технологією були створені зразки СЕ розміром 100х100 мм та Ж 100 мм з ефективністю 13,0±0,5 %, які перспективні для подальшого використання у потужних модулях ФЕП.

4. Розробка та дослідження фотоелектричних модулів (ФМ)

На основі проведеного вибору вихідних даних для проектування, що полягав у встановленні основних вимог до конструкції та параметрів модуля, визначенні вихідних характеристик СЕ, умов роботи та деградаційних факторів, вибрано методику та проведено розрахунки фотоелектричних та геометричних параметрів ФМ. В основу розрахунків покладено характеристики СЕ, отриманих на попередніх етапах роботи з використанням регенерованого кремнію. Визначено оптимальну кількість СЕ в модулі. Запропоновано оптимальну компоновку елементів у модулі круглих пластин, їх сегментів та прямокутних елементів, при якій енергія, одержувана з одиниці площі, є максимальною.

Розроблена система міжелементних електричних з'єднань СЕ в батарею. Вибрано тип і матеріали міжелементних з'єднань, визначено вимоги до їх конструкції. Виходячи з заданих допустимих втрат по напрузі на міжелементних з'єднаннях, розраховано їх геометричні розміри. Для зменшення механічних і термічних напружень у міжелементних з'єднаннях використано компенсаційні петлі.

Розроблено конструкцію та технологію збирання ФМ. З метою зменшення термомеханічних напружень між СЕ та основою корпусу модуля, запропоновано замість типових клеїв застосовувати для наклеювання СЕ на основу панелі еластичний кремнійорганічний компаунд, який є електроізоляційним матеріалом з низькою жорсткістю. На основі розроблених конструкторсько-технологічних рішень виготовлено дослідну партію з 5 модулів з робочою напругою 16 В, потужністю 34; 17; 8,5; 7 і 5Вт, які відрізняються площею СЕ, їх формою та способом компоновки в модулі. Розроблена методика та проведені фотоенергетичні випробування ФМ в лабораторних умовах на спеціально розробленому для цієї мети макеті імітатора Сонця на основі імпульсної ксенонової лампи типу ИФК-120 та в натурних умовах. Розроблені ФМ характеризуються достатньо високими значеннями фотоенергетичних параметрів: напругою холостого ходу Vxx = 0,59-0,61В на один ФП; Ікз, ~ 17 мА/см2 при умовах АМ3; FF ” 0,7-0,78. Це свідчить про оптимальність вибраної топології СЕ та конструкції ФМ, що дозволило мінімізувати послідовний опір та омічні втрати. На розроблених модулях отримано значення ККД до ~ 12,7 %.

Висновки

1. Показано, що хімічно-структурний стан кисню в Si суттєво впливає на рекомбінаційні процеси в Si, зокрема наявність мікропреципітатів SiO2, суттєво збільшує рекомбінацію нерівноважних носіїв заряду. Ефективне гетерування кремнієвих пластин, що пройшли високотемпературні термічні обробки, потребує розробки методів, які б забезпечили відрив атомів металів від внутрішніх гетерних центрів, пов'язаних з преципітатами SiO2, їх переміщення в напрямі створеного гетера, а також створення умов для анігіляції внутрішніх дефектів за рахунок інжекції точкових дефектів певного типу та дії механічних напружень.

2. Проведено дослідження ефективності різних гетерних обробок і показано, що для вихідних пластин, які характеризуються малою часткою преципітованого кисню, ефективним гетером є нанесення плівки Al або Ge з додатковим йонно-променевим перемішуванням та відпалом.

3. Запропоновано ефективну технологію гетерування рекомбінаційно-активних домішок в пластинах Si з внутрішніми преципітатами SiOx, яка включає нанесення плівки Ge на тильну сторону пластини, іонне перемішування і наступний термічний відпал. Механізм дії гетера зумовлений відмінністю коефіцієнтів сегрегації домішок у гетерному шарі та кремнієвій пластині, інжекцією точкових дефектів і градієнтом механічних напружень. Показано, що застосування розробленого гетера дозволяє підвищити довжину дифузії носіїв з 25 до 100 мкм. Останнє значення достатнє для використання такого матеріалу в виробництві сонячних елементів з ефективністю 12-15 %.

4. Коефіцієнт корисної дії кремнієвих сонячних елементів може бути збільшений в 1,3-1,45 рази за рахунок осадження одно- або двошарових просвітлючих аморфних вуглецевих плівок. Даний ефект зумовлений зменшенням втрат на відбивання світла, пасивацією поверхні СЕ під час плазмової обробки до і в процесі нанесення покриття і гетерною дією збагаченої воднем вуглецевої плівки.

5. Показано, що при нанесенні термічно стійких захисних і просвітлюючих плівок карбіду кремнію з твердістю >20 ГПа коефіцієнт корисної дії кремнієвих сонячних елементів може збільшуватися в 1,32 раза, причому винятково за рахунок ефекту просвітлення.

6. На основі отриманих конструктивно-технологічних рішень розроблено промислову технологію виготовлення сонячних елементів, яка відрізняється від традиційних використанням нових методів гетерування та алмазоподібних плівок в якості просвітлюючих та пасивуючих покриттів. Ефективність таких СЕ становить 14-15 %, а середня собівартість оцінюється на 10-20 % нижче від собівартості СЕ, отриманих на стандартному кремнії без гетерних обробок.

7. Розроблено конструкцію та технологію виготовлення модулів фотоперетворювачів напругою 16 В та потужністю 34, 17, 8.5, 7, 5 Вт. У результаті проведення випробовувань показано, що середня ефективність виготовлених модулів в умовах АМ 1,5 складає 11.4±1.2 %.

кремнієвий фотоелектричний рекомбінаційний високотемпературний

Література

1. Политанский Л.Ф., Борисов Н.Н., Горда Е.Л., Геллер В.И., Герасим В.В., Горбулик В.И., Романюк А.Б. Селективное глубинное травление кремния с использованием маски двуоксида кремния // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.- 1997.- №32.- с. 114-116.

2. Romanyuk B.N., Popov V.G., Litovchenko V.G., Klyui N.I., Romanyuk A.B., Gorbulik V.I., Moskal D.N., Volkov S.G. Evolution of recombination parameters of “solar” monocrystalline silicon due to thermal and gettering treatments // Functional Materials.- 1998.- V.5, № 4.- P.555-560.

3. Горбулик В.І., Клюй М.І., Литовченко В.Г., Костильов В.П., Романюк А.Б. Покращення характеристик кремнієвих сонячних елементів нанесенням захисних та просвітлюючих a-C:H:N плівок // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика, електроніка.- 1999.- вип. 66 . - C. 14-17.

4. Klyui N.I., Litovchenko V.G., Kostylyov V.P., Rozhin A.G., Gorbulik V.I., Voronkin M.A., Zaika N.I.. Silicon Solar Cells with Antireflecting and Protective Coatings Based on Diamond-Like Carbon and Silicon Carbide Films // Optoelectronics Review.- 2000. - v.8, No 4. - p.406-409.

5. Litovchenko V.G., Klyui N.I., Kostylyov V.P., Gorbulik V.I., Piryatinskii Yu.P.. Nitrogen Containing Diamond-Like Carbon Films as Protective and Fluorescent Layers for Silicon Solar Cells // Optoelectronics Review.- 2000.- v.8, N4.- p.402-405.

6. Романюк Б.М., Попов В.Г., Мельник В.П., Клюй М.І., Горбулик В.І., О.С. Оберемок. Вплив термічних обробок на час життя нерівноважних носіїв заряду в Cz-Si // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика, електроніка. - 2000.- вип. 79. - C. 25-29.

Размещено на Allbest.ru