Фотопреобразователи на основе слоев кремния на углеродной сетке
Схема выращивания слоев кремния на поверхности углеродной сетки по способу ДФЭ, развитая в настоящей работе, приведена на рис.4.4.
Рис. 4.4. Принципиальная схема выращивания ориентированных слоев поликремния на поверхности углеродной сетки. 1 – исходная сетка, 2 – кварцевый сосуд с шихтой кремния, 3 – блок виброподачи, 4 – фидер, 5 – нагреватель, 6 – слой кремния, 7 – мениск расплава, 8 – тигель с расплавом, 9 – жгут из углеродной нити.
Впервые в практике способа ДФЭ был использован лишь верхний нагреватель фидера. Как будет показано ниже, подобная схема формирования температурного поля позволяет обеспечить наклон фронта кристаллизации снизу вверх (рис. 4.5) и предотвратить наследование растущим слоем кремния дефектов подложки. Далее, использование жгута из углеродной нити (рис. 4.4) предотвращает проникновение микрокристаллов SiC из тигля к растущему слою, неизбежное при ранее используемых полуоткрытых капиллярных каналов в корпусе фидера.
Рис. 4.5. Схема формирования наклонного фронта кристаллизации при использовании верхнего способа нагрева фидера. 1 – фидер, 2 – нагреватель, 3 – мениск расплава, 4 – положение фронта кристаллизации, 5 – слой кремния. Рост зерен кремния происходит по нормали к фронту кристаллизации, т. е. в направлении от кромки формообразователя к подложке.
Также, впервые в мировой практике, разработан и использован вибрационный питатель дробленого кремния (рис. 4.4), применение которого позволяет обеспечить непрерывность и воспроизводимость технологического
процесса.
Основные новые элементы технологического оборудования приведены
на фотографии рис. 4.6.
а б
Рис.4.6. Внешний вид пилотной установки для выращивания слоев кремния на углеродной сетке (а) и ее теплового узла (б). На обеих фотографиях видны выращиваемая на подложке лента кремния, роликовый механизм вытягивания, фидер, нагревательный блок, вибропитатель, тигель и жгут для для подачи расплава к подложке.
Структура исходной углеродной сетчатой подложки СКТ-А иллюстрируется микрофотографиями рис. 4.7 (а, в). Удельная площадь ее просвета, оцененная при помощи метода гистограмм в графическом редакторе Photoshop 6.0, составляет 19%. После нарезания на полосы шириной 70-120 мм, подложку подвергают пиролитическому уплотнению углеродом при 16000С в течение 50-60 мин, а затем – термохимической очистке галогенами при 21500С.
Структура сетчатой подложки после ее силицирования (и химического
удаления свободного кремния) приведена на рис. 4.7 (б, г). При этом удельная
площадь ее просвета снижается до 10%, что полностью коррелирует с данными Главы 2 настоящей работы. Следует отметить, что такой площади просвета достаточно для формирования тыльного контакта фотопреобразователя.
Рис.4.7. Микрофотографии структуры сетчатой подложки, используемой в способе ДФЭ. Стрелкой показано направление вытягивания.
Кристаллическая структура выращенных слоев кремния иллюстрируется рис. 4.8. Она сформирована длинными, вытянутыми вдоль направления перемещения подложки зернами длиной 3-5 мм и диаметром 0,3-0,5. Рентгеновский анализ текстуры поверхности показал, что основными ориентациями являются грани куба, тетраэдра и, в незначительной степени, (211). Граней со сложными наборами кристаллографических индексов не обнаружено. Плотность дислокаций не превышает (5-8)·104 см-2 , что намного лучше аналогичных показателей для материала, получаемого по способу RSG [81].
Рис.4.8. Микрофотографии выращенных слоев кремния с поверхности (а) и поперечно направлению вытягивания подложки (б). Перед съемкой образец механически полировался и подвергался химическому травлению в смеси HF/7 HNO3.
Удельное электросопротивление получаемого материала p-типа проводимости составляет 0,3-0,5 ом·см [94], что соответствует техническим требованиям к кремнию солнечного класса.
Для тестовых измерений готовились p-n – переходы. На химически полированную фронтальную поверхность образца центрифугированием наносился слой жидкой композиции на основе тетроэтоксисилана, содержащей наночастицы SiO2 и P2O5, который после испарения растворителя выдерживался несколько минут при температуре 450-6000С. Диффузия фосфора из образовавшегося фосфорного стекла проводилась в течение 1 часа при температуре 9200С. После этого фосфорное стекло удалялось химически в смеси HF: 5H2O. Омические контакты к полученному p-n – переходу выполнялись путем точечного нанесения эвтектики GaAl. Поверхностное сопротивление полученного n-слоя составляет примерно 500 ом/квадрат. Профиль фосфора в сформированном n-слое, рассчитанный исходя из указанного сопротивления, приведен на рис.4.9.
Рис. 4.9. Расчетный профиль фосфора в n-слое фотодиода на основе полученного материала.
На рис. 4.10 показаны временные зависимости спада фототока диодов, приготовленных на двух образцах. Измеренное таким способом время жизни неосновных носителей (электронов) составляет в среднем от 4 до 6 мкс.
Рис. 4.10. Типичные временные зависимости спада фототока, индуцированного лучом лазера, на полученном композите.
Заметим, что полученные значения времени жизни неосновных носителей заряда достаточно велики и вполне приемлемы для изготовления фотопреобразователей с к. п.д. не ниже 12%. Характерное для коммерческих монокристаллических фотопреобразователей с к. п.д. 14% время жизни носителей, измеренное в тех же условиях, составило от 3 до 10 мкс.
Крайне важно было определить однородность распределения времени жизни по поверхности образцов. Для этого были измерены распределения величины фототока, пропорциональные времени жизни, при локальном возбуждении сфокусированным лазерным пучком (диаметр 7-10 мкм) при его сканировании по поверхности (этот метод известен как LBIC). На рис.4.11 приведены LBIC изображения, полученные на типичном образце композита до (слева) и после (справа) его пассивации водородом в высокочастотной плазме (30 мин при 2500 С, давление 10 мБар).
Рис. 4.11. Распределение величины фототока (времени жизни), при локальном возбуждении сфокусированным лазерным пучком. Слева – сразу после формирования p-n-перехода, справа – после проведения водородной пассивации.
Из приведенных данных видно, что существенный вклад в рекомбинацию вносят границы зерен. Обработка в водородной плазме существенно (почти в 2 раза) уменьшает скорость рекомбинации на границах. В дальнейшем эффективность фотопреобразователей может быть значительно увеличена путем последовательного применения фосфорного и алюминиевого геттерирования, причем водородная пассивация будет являться последней технологической стадией.
Таким образом, разработанная технология позволяет получать материал, вполне пригодный для производства солнечных элементов. Однако, требуется провести ряд дополнительных исследований с целью увеличения скорости выращивания, ширины получаемых лент и улучшения их плоскостности.
Кроме этого, необходимо адаптировать стандартную технологию производства фотопреобразователей для наших композитных лент. Для этого требуется применение современных методов инженерии дефектов, включая использование фосфорного и алюминиевого геттерирования и водородной пассивации.
