Научная статья на тему 'Методы реализации структуры фотоэлемента с зарядовыми насосами'

Методы реализации структуры фотоэлемента с зарядовыми насосами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
279
68
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Гусев Владимир Александрович, Старков Виталий Васильевич, Шоферистов Сергей Евегеньевич, Мурзин Дмитрий Геннадьевич

Проводится анализ конструктивно-технологических вариантов изготовления кремниевых солнечных элементов наземного назначения. Показывается, что реализация коротковременной технологии термофотонной и лазерной обработки пластин «солнечного» кремния приводит к качественному изменению механизма пролёта базы фотопреобразователя, обусловленного образованием пространственных дефектнопримесных комплексов, играющих роль зарядовых насосов. Приводятся результаты экспериментальных исследований по повышению тока короткого замыкания солнечных элементов квазиимпульсной термофотонной обработкой.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Гусев Владимир Александрович, Старков Виталий Васильевич, Шоферистов Сергей Евегеньевич, Мурзин Дмитрий Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Methods of development the silicon solar cells with defectsimpurities charge pumps

The analysis of manufacture different kinds of silicon solar cells is carried out. It is shown rapid thermal processing forms a large structure defects. The latter can change the transport of mobile carriers and fulfill role of charge pumps. The results of experimental investigations increasing short circuits currents of photoelectric converters by using incoherent light beam annealing are presented.

Текст научной работы на тему «Методы реализации структуры фотоэлемента с зарядовыми насосами»

ЭЛЕКТРОНИКА Л. Д, ^ 1 А ■ w Л V

УДК621.383

МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ЗАРЯДОВЫМИ НАСОСАМИ

ГУСЕВ В.А., СТАРКОВ В.В., ШОФЕРИСТОВ С.Е., МУРЗИН Д.Г.

Проводится анализ конструктивно-технологических вариантов изготовления кремниевых солнечных элементов наземного назначения. Показывается, что реализация коротковременной технологии термофотонной и лазерной обработки пластин «солнечного» кремния приводит к качественному изменению механизма пролёта базы фотопреобразователя, обусловленного образованием пространственных дефектнопримесных комплексов, играющих роль зарядовых насосов. Приводятся результаты экспериментальных исследований по повышению тока короткого замыкания солнечных элементов квазиимпульсной термофотонной обработкой.

Введение

Для разработки недорогих методов производства солнечных элементов (СЭ) с удовлетворительным КПД (> 20%) на основе «солнечного» кремния и мультикремния, содержащих высокие концентрации структурных дефектов, требуются уточнения механизмов транспорта фотогенерированных носителей заряда в материале с гетерогенно распределенными пространственными дефектами типа преципитатно-дислокационных комплексов или колоний (ПДК). Пространственная неоднородность рекомбинационно-генерационных свойств поглощающего излучение объема базы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) затрудняет применение традиционной оценки фотоэлектрических характеристик СЭ с помощью усредненного значения времени жизни Tef и диффузионной длины Lef. Кроме того, большой размер пластин СЭ (до 200 см2) приводит дополнительно к макроскопической флуктуации характеристик СЭ в различных участках фронтальной поверхности [1].

Тем не менее, опыт производства и эксплуатации коммерческих СЭ наземного применения показал, что ФЭП, изготовленные из менее совершенных пластин «солнечного» кремния, иногда превышают по эффективности преобразования СЭ из более совершенных монокристаллических пластин. Возможной причиной подобной ситуации является переход на низкотемпературную с малым бюджетом времени технологию изготовления СЭ (RTP-Rapid Thermal Processing) и изменением механизма переноса носителей заряда в базе ФЭП, обеспечивающим уменьшение рекомбинационных потерь в пластинах с боль-

шим содержанием структурных дефектов. Одним из вероятных механизмов снижения рекомбинационных потерь может быть уменьшение времени разделения фотогенерированных носителей тока аналогично процессам в структуре СЭ с зарядовыми насосами [2]. Зарядовые насосы различной природы могут быть реализованы дефектно-примесной инженерией, обеспечивающей зарождение, кластеризацию, агрегацию и преципитацию пространственных структурных дефектов с последующим или сопровождающим гет-терированием быстро диффундирующих примесей (БДП) и осаждением легирующих и нейтрализующих примесей из пересыщенных твердых примесных растворов с помощью быстрых фотонных тепловых воздействий и термической закалки.

Целью данной работы является анализ конструкторско-технологических вариантов получения структур кремниевых СЭ и реализации различных видов зарядовых насосов методами дефектно-примесной инженерии.

1. Теоретическая часть

Основные необратимые потери энергии в ФЭП вызываются следующими явлениями: отражением части солнечного излучения от поверхности СЭ; рассеиванием на фононах избыточной энергии фотонов; прохождением части излучения без поглощения; поглощением части излучения на просветляющих, антиотражающих и защитных слоях покрытий; рекомбинацией генерированных носителей тока в объеме и на поверхности ФЭП; внутренним сопротивлением объема и контактной системы ФЭП; падением фотоЭДС с ростом температуры.

Первые четыре вида потерь относятся к оптическим потерям Попт, остальные - к рекомбинационным потерям (Прек). Общая эффективность П или КПД может быть представлена в виде:

P P P

1 P P P Ьек ІОПТ , (1)

где Рэл=1т^ит - согласованная с нагрузкой электрическая мощность; Рпад - мощность падающего солнечного излучения; Рпогл - мощность поглощенного

ФЭП солнечного излучения; Прек - доля КПД, определяемая рекомбинационными потерями; попт - доля

КПД, определяемая оптическими (фотонными) потерями.

Подобное представление общей эффективности (1) упрощает качественный и количественный анализ влияния технологических режимов и условий эксплуатации ФЭП на его фотоэлектрические параметры. В этом случае независимое определение п из отношения электрической мощности к падающей световой

при установившейся конструкции ФЭП (попт =const) позволяет оценить изменения уровня рекомбинацион-

РИ, 2013, № 3

16

ных потерь и конструкторско-технологические направления по их снижению.

Оптическая компонента эффективности может быть представлена в виде:

Попт = Птах(1 - R)0 - T)K(X)d), (2)

где nmax « 0,3 для кремния [3] для условий АМ1,5; R, T - коэффициенты отражения и пропускания просветляющих, антиотражающих и защитных покрытий;

K( X ,d) - коэффициент захвата света конструкцией

СЭ; X - длина волны; d - толщина поглощающего слоя (базы) ФЭП.

Доля эффективности ФЭП, обусловленная рекомбинационными потерями в объеме и на фронтальной и тыльной поверхностях СЭ, определяется отношением электрической мощности, отдаваемой в согласованную нагрузку (RH=Ro=Um/Im) к поглощенной световой мощности, обеспечивающей конверсию излучательной энергии в электрическую (внутренний фотоэффект, hv > AEg или Хгр < hc/ AEg = 1,23 / AEg

мкм, где AEg - ширина запрещенной зоны полупроводника):

Прек

UmI

m

P

погл

здесь Рпогл обеспечивает как Рэл, так и рекомбинационные потери, моделируемые в диодной схеме замещения последовательным сопротивлением R., шунтирующим Rgh, и темновым током:

и2 Um

Р„о„ = UmIm + imR. + ■RJm + JI(U)dU .

Rsh 0

Из этого выражения следует

, (3)

Прек =

R. R0

1 + —^ +

■ +

Фт

Ro R.h Um

Tef >>1пр= d2/2^Dn, и диффузионная длина Lef>>d потери из-за рекомбинации практически отсутствует, и при малых R. и R.h:

Прек

1 +

фт

Um

-1

= 1.

Полная эффективность или КПД ФЭП может быть получена из (1), (2) и (3):

, R. R

1+-^+

R0 R.

-|-1

0_ | фт

Um

х(1 - R)(1 - T)K(X)d)

(4)

n

n

рек

В структуре солнечных батарей или модулей роль омических потерь возрастает пропорционально числу последовательно включенных ФЭП, поэтому конструкция СЭ должна обеспечить минимальные величины R. и максимальные R.h, определяемые в большой степени контактными системами фронтального и тыльного электродов.

Выражение (4) для КПД солнечного элемента отражает основные требования к конструктивно-технологическим направлениям и оптимизации производства ФЭП.

В настоящее время около 90% производимых в мире СЭ для наземного применения изготавливаются из монокристаллического (Cz-Si), поликристаллического (мультикремний) и аморфного (Si:H) кремния. В качестве базового процесса принята низкоэнергоёмкая, низкотемпературная (Тмах<950°С) с малой длительностью термических обработок (мин) RTP-технология, обеспечивающая эффективное время жизни электронов в р-базе Cz-Si элемента на уровне (10-25)П0-6 с и диффузионную длину Ln( 140.. .250) мкм. При толщине р-базы (d) порядка 200мкм приведенные рекомбинационные характеристики обеспечивают КПД в диапазоне (14.18)%. В процессе эволюции структуры и технологических режимов были реализованы следующие направления повышения эффективности кремниевых СЭ:

где фТ = kT/q — тепловой потенциал электрона.

Параметры световой вольтамперной характеристики Um, Im, Uoc - напряжения холостого хода, Isc - ток короткого замыкания определяются рекомбинационными свойствами объема и поверхностей ФЭП и описываются эффективным временем жизни и диффузионной длиной неравновесных носителей заряда:

111. т ----

= + ; Lef = \ DnTef,

Tef Tv Ts

где Dn - коэффициент диффузии электронов в р-базе.

Для конструкций ФЭП, у которых время жизни значительно больше времени разделения (пролета базы) фотогенерированных носителей заряда

- Формирование изотипного р+-р-перехода для снижения рекомбинации на тыльном контакте.

- Г еттерирование БДП и структурных дефектов.

- Пассивация фронтальной и тыльной поверхностей для снижения рекомбинационных потерь с одновременным уменьшением толщины пластины до 180.200 мкм.

- При уменьшении толщины (d) для сохранения поглощенной световой мощности применяется текстурирование фронтальной поверхности и внутреннего отражения от тыльной и фронтальной плоскостей элемента.

- Использование конструкции с двухсторонней засветкой [4], обеспечивающей большую поглощенную

РИ, 2013, № 3

17

мощность за счет освещения тыльной стороны отраженным рассеянным светом.

- Структуры с односторонней и двухсторонней засветкой для систем с умеренной концентрацией солнечного излучения 3 0... 100 солнц. СЭ с концентрированным светом имеют различные контактные системы фронтальных и тыльных электродов с малым последовательным сопротивлением Rg. Повышение эффективности в этом случае связано с увеличением не

только Tef, но и nmax , обусловленным расширением

спектра фотопоглощения в длинноволновой области в связи с уменьшением ширины запрещенной зоны

AEg (n, P, AT) кремния и ослаблением температурной зависимости иос(Т).

- Значительное снижение себестоимости и цены СЭ достигается заменой пластин монокристаллического кремния поликристаллическим мультикремнием со столбчатой структурой с эффективностью на уровне 0,8.. .0,9 кристаллических ФЭП.

- Структура СЭ c «селективным» эмиттером, обеспечивающая повышенную чувствительность в коротковолновом диапазоне солнечного спектра с малым контактным сопротивлением металлизации.

Внедрение низкотемпературной технологии RTP, основанной на импульсной фотонной обработке пластин кремния, позволило существенно увеличить объем производства кремниевых коммерческих СЭ наземного назначения, так как малая тепловая масса в RTP-технологии обеспечивает высокие скорости нагрева и охлаждения пластин. Экспериментально подбирая режимы термообработки с максимальным и устойчиво воспроизводимым значением времени жизни Tef ,

параметров ФЭП Isc, Uoc, FF и П, устанавливают базовый режим изготовления солнечных элементов. Дв а других процесса повышения эффективности кремниевых СЭ также связаны с термофотонной обработкой. Первый тип относится к ФЭП, имеющим структуру с заглубленным фронтальным контактом, расположенным в канавке глубиной 20.60 мкм, полученной лазерной абляцией (проплавлением) (LGBC — laser grooved buried contact). Обеспечивает повышение П на (3.4)% по сравнению с обычной технологией конвекционной термообработки в конвейерной печи [6]. Во втором случае используется лазерная абляция системы из напыленного слоя Al через пассивирующий слой SiO2, формирующая омический контакт из эвтектики Al-Si (силумин). Авторы [7] полагают, что расплавление и рекристаллизация локальных областей эвтектического слоя приводят к значительному уменьшению скорости рекомбинации избыточных носителей на тыльном контакте, что обеспечивает рост тока короткого замыкания и увеличение эффективности ФЭП. Такое объяснение имеет спорный характер, так как рекордные значения эффективности ФЭП были получены на структурах с пассивированными SiO2

фронтальной и тыльной поверхностями именно за счет малой скорости поверхностной рекомбинации(PERL, PERC, PERF cells) [8].

Возможное объяснение повышения эффективности СЭ фотонной обработкой содержится в предложенной физической теории фото- электрической конверсии в однопереходных ФЭП с зарядовыми насосами [2]. Зарядовый насос представляет собой локальную область с плавающим потенциалом в объеме базы, способную пространственно разделять фотовозбужденные неравновесные носители заряда и обеспечивать их перемещение в зону действия основного коллектирующего р-n перехода. В качестве зарядовых насосов в структуре ФЭП могут быть встроенные локальные n+ и р+ области с плавающим потенциалом (в р- и n- базе соответственно), системы металлполупроводник (барьер Шоттки), диэлектрик-полупроводник, МДП, локальные гетеропереходы, квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки.

Основной задачей зарядовых насосов является снижение рекомбинационных потерь в объеме и на поверхностях фронтального и тыльного электродов (увеличение Прек ) посредством не увеличения Tef за счет

совершенства кристалла (Si зонной плавки), а с помощью уменьшения времени разделения (пролет базы) СЭ из дешевого «солнечного» кремния, выращенного методом Чохральского, либо мультикремния со столбчатой структурой. В случае реализации зарядовых насосов с помощью локальных n+юбластей в р-базе с плавающим потенциалом изменяется механизм разделения и коллектирования фотогенерированных электронно-дырочных пар. В традиционной структуре п+-р-р+ типа носители генерируются по всей толщине базы и диффундируют от тыльного электрода к фронтальному. При этом время пролета структуры с толщиной 200 мкм составляет единицы мкс[9]. Максимум спектральной чувствительности соответствует X 0,9 мкм («красная» область структуры). Если время жизни неравновесных носителей тока составляет

менее 10 мкс, то при t^= Tef; d=Ln:

t

Anрек = An(0) - An(tпр ) = An(d)(1 - exP(-—)) .

Tef

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Примерно третья часть фотовозбужденных носителей тока разделяется фронтальным переходом, а 2/3 п(Ф) рекомбинируют. Эта оценка приводит к значению

Прек =(0,3.. .0,4) и в соответствии с (4) общий КПД

составляет (9.12)%, что и реализовывалось в 60-х . 80-х годах прошлого столетия.

Время пролета электронами р-базы с зарядовыми насосами определяется диффузионным пролетом слоя W (неосновного носителя) (рис. 1) и временем дрейфа электронов (основных носителей) в n+юбласти толщиной h (время заряда локальной n+юбласти генерируемым фотонапряжением). Время заряда состав-

18

РИ, 2013, № 3

ляет величину менее 10-10с, поэтому основная инерционность обусловлена временем диффузии через слой W, составляющий десятые или сотые доли общей толщины базы d. Поэтому, по сравнению с традиционной структурой, время разделения зарядов снижается на полтора-два порядка, что существенно уменьшает рекомбинационные потери. Проведенные в [9] оценки показывают, что в структуре, у которой половина площади (объема) занята зарядовыми насосами с W=0,1d, а другая имеет толщину р-базы d, эффективность возрастает с 15 до 21% при одинаковых рекомбинационных свойствах. С увеличением объема, занятого зарядовыми насосами до 0,7Vo, КПД возрастает до 23,4 %. Форма зарядовых насосов может быть различной: столбчатого вида, полоскового, дискретного. Топология размещения насосов в р-базе должна обеспечить малое последовательное сопротивление Rs тыльного электрода («булка с изюмом», рис. 1,б). Для этого по высоте дискретные элементы должны быть расположены вдоль перпендикуляров к тыльной поверхности (колоннами, столбами) с суммарной толщиной вертикальных зазоров (0,1.. .0,2)d. Токоперенос в такой структуре будет обеспечиваться двумя потоками: диффузией электронов в объеме р-базы с толщиной d и параллельно дрейфом электронов в и+-областях насоса с последовательной инжекцией и диффузией через зазор р-базы (Wi) вплоть до коллектирующей фронтальной n+ -области, формирующей внешнюю фотоэдс.

а

Рис. 1. Фрагменты структуры элемента фотопреобразователя с зарядовым насосом: а - полосково-столбчатого типа; б - с дискретной топологией РИ, 2013, № 3

Типовые RTP-технологии изготовления СЭ Cz-Si и мультикремния содержит высокотемпературные операции (~950°С) формирования п+-эмиттера, плазмохимического осаждения антиотражающего и защитного слоев SiNx (PECVD), вжигания фронтального и тыльного электродов, пассивирующий гидрогенези-рующий отжиг в форминг газе. Эти операции и латентные дефекты и зародыши генерируют ряд активных точечных дефектов: межузельные атомы кислорода, кремния, бора, водорода, азота, вакансий и их соединений, формирующих кластеры и агломераты низкотемпературных двухзарядных доноров XD1, которые включают в себя скопления атомов БДП рекомбинационного типа.

Донорный агломерат изолирован от р-матрицы контактным полем границы раздела (модель Госсика), может инвертировать тип проводимости с дырочной на электронную. В этом случае активность акцепторных рекомбинационных центров и глубоких донорных уровней БДП подавляется, что эквивалентно внутреннему геттерированию высокотемпературными кислородными преципитатами вне активного объема традиционных СБИС. Необходимым условием образования кластеров донорного типа является доминирование реакции Уоткинса по переводу узлового бора в межузельное положение атомами кремния, кислорода и их комплексов с участием ионов водорода, ускоряющих диффузию точечных дефектов. Кластеры донорного типа находятся под плавающим потенциалом и отражают дырки из окружающего объема контактным полем границы кластера и р-матрицы.

При концентрации донорных кластеров и агломератов 1012...1013 см-3 [10] расстояние между ними при гомогенном распределении составляет 10-4 см, что значительно меньше диффузионной длины электронов в р- базе СЭ. При фотонном возбуждении цепочка кластеров (см. рис. 1,а) превращается в проводящий канал п-типа, в котором электроны переносятся дрейфовым механизмом, аналогично встроенному легирующими примесями зарядовому насосу [11]. Низкотемпературное формирование n-области в Cz-Si p-типа наблюдалось в [12] при травлении в плазме Ar также посредством кластеров термодоноров TD1. Фотонная деградация и регенерация СЭ из Cz-Si [10] могут быть инициированы перестройкой донорных кластеров TD1 в нейтральные с активацией рекомбинационных глубоких акцепторных и донорных центров, приводящих не только к уменьшению объемного времени жизни, но и к подавлению эффективности элемента зарядового насоса. Восстановление донорной природы кластера термоотжигом Т=210°С, t=10 мин или регенерацией при повышенной температуре 120°С<Т<190°С с фотонной или электрической инжекцией в темноте возвращает эффективность конверсии СЭ [10].

Примесные «атмосферы» дислокационных колоний могут содержать избыточную концентрацию донорных центров (кислородные доноры, водородные Н+, литиевые Li+ и др.) и формировать локальные п-

19

области с плавающим потенциалом в р-базе, выполняющие роль зарядовых насосов.

Необходимым условием контролируемого введения локальных областей зарядовых насосов является пространственная дискретность термофотонного воздействия, которое создает сотни или тысячи областей с возбужденными конденсированными системами, где индуцируются локальные градиенты температуры, внутренних механических напряжений, концентрации фотоносителей и релаксирующих по законам нанотехнологии с перестройкой структуры, обеспечивающей минимизацию внутренней энергии кристалла.

В процессе управления дефектообразованием термофотонной обработкой в объеме р-базы СЭ могут формироваться гетерогенные по рекомбинационным свойствам (тп1) локальные области за счет внутреннего геттерирования рекомбинационных БДП. Пространственное чередование этих областей формирует структуру с направленным перемещением (дрейфом-диффузией) неосновных носителей заряда, индуцируемых излучением. Области с большим значением тп1 (прилегающие и охватывающие объем пространственного дефекта), очищенные от рекомбинационных центров, фотогенерируют большие величины избыточных носителей заряда

Д nFi = G т п1,

где G - темп фотогенерации.

Пространственная неоднородность по толщине базы избыточной концентрации при наличии мощного стока на фронтальной поверхности (ОПЗ р-n перехода) будет способствовать направленной диффузии - дрейфу и уменьшению рекомбинационных потерь. При этом конфигурация и размеры структурных дефектов имеют существенное значение. Так, столбчатая структура мультикремниевых пластин позволяет реализовать интегральные (по площади) значения времени жизни одного порядка с кристаллическим кремнием Cz-Si, хотя они имеют на 3... 4 порядка больше рекомбинационных примесей.

Другим источником неоднородной фотогенерации является зависимость характерной длины поглощения излучения X0( X )= а (X )-1от энергии фотона или длины волны. Экспоненциальное падение с толщиной темпа фотогенерации всего спектра солнечного излучения коллектирующим электроны р-n переходом вблизи тыльного электрода (тандемный СЭ) обеспечивает направленный дрейф-диффузию электронов от фронтальной поверхности к тыльной. Эти два типа насосов могут быть отнесены к зарядовым насосам, активируемым внешним воздействием.

2. Экспериментальная часть

Проведены экспериментальные исследования на опытных образцах СЭ с зарядовой подкачкой, формируемых введением в структуру ФЭП быстро диффундирующих примесей донорного типа (Li+, H+, SiOn+).

Образцы ФЭП изготавливались из кремния р-типа проводимости КДБ7,5 (100), толщина пластин составляла 340-350 мкм. Коллекторный n+-p- и контактный тыльный р+-р переходы формировались с помощью пленок на основе ТЭОСа быстрым фотонным отжигом по методике, изложенной в [14]. Перед формированием контактной разводки поверхность пластин подвергалась термическому окислению. Металлические контакты формировались методами стандартной шелкографии. Топология металлического контакта с тыльной стороны пластины формировалась той же маской, что и лицевой контакт. Общая площадь ФЭП структуры составляла 5 Ч 2,5 см2. На следующем этапе на тыльную сторону пластины через металлическую маску производилось локальное напыление пленки лития. Маска представляла собой пластину из нержавеющей стали соответствующего размера со сквозными щелями в виде полосок, которые расположены между контактными полосками ФЭП. Напыление лития проводилось в вакууме 1,3 Ч 10-2 Па из резистивного испарителя, толщина металлической пленки составляла 2 ± 0,5 мкм. После извлечения из вакуумной камеры пластина помещалась в установку фотонного отжига на воздухе по методике, изложенной в [14]. В результате в структуре базового р-слоя формируются встроенные n+ области полоскового типа.

Выбор лития связан с низкой температурой его введения и его способностью осаждения в рекомбинационных преципитатах, приводящей к подавлению темпа локальной рекомбинации, а значит кувеличению тока короткого замыкания. Предельная диффузионная растворимость Li в Si может достигать уровня 1019см-3 при температуре около 670°С [15]. Для создания n+ -областей концентрационный профиль “ n’’-типа примеси должен быть таким, чтобы не перекомпенсировать уровень легирования приконтактного р+слоя, и наоборот, возможно сильнее перекомпенсировать уровень легирования p базы, а глубина легирования выбиралась такой, чтобы не происходило диффузионного перекрытия n+-областей в латеральном направлении и закорачивания коллекторного и тыльного слоев. Зарядовые насосы в виде n+ областей в базе р типа проводимости в экспериментальной структуре ФЭП формировались в следующем режиме фотонного отжига: мощность ламп нагрева Р = 37 Вт/см2, время 20 с. Глубина диффузии лития, определенная по глубине залегания n+- р перехода в этом режиме, составила h = 158 ± 5 мкм.

На рис.2 представлены ВАХ экспериментальных ФЭП структур при стандартизованной освещенности поверхности (АМ 1.5).

Видно, что введение в структуру ФЭП зарядовых насосов по предложенной схеме позволяет увеличить значение тока короткого замыкания с Isc = 274 мА у исходной структуры до Isc = 354 мА в структуре СЭ с зарядовыми насосами (СЭЗН). Величина напряжения холостого хода у исходных структур Uoc = 0,565 В и несколько выше для СЭЗН структур, Uoc = 0,577 В. С

РИ, 2013, № 3

20

другой стороны, для СЭЗН структур заметно уменьшение фактора заполнения FF. Это, вероятнее всего, является следствием увеличения резистивных потерь на тыльном контакте в рассмотренном варианте экспериментальной ФЭП структуры и требует дальнейшей оптимизации её конструктивно-технологического исполнения.

ления СЭ вводить локальную термофотонную обработку множеством пространственно дискретных локальных пучков света или лазера.

Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение факта увеличения тока короткого замыкания Isc и максимальной мощности Pm после проведения локальной фототермической обработки образцов ФЭП различных производителей (Россия, Китай) с интегральной эффективностью п = (13... 18)%.

Опытные образцы вырезались из готовых пластин СЭ алмазным инструментом с площадью от 4 до 25 см2. Фотонный отжиг осуществлялся на модифицированной установке фотонного отжига «Импульс-5» с фототрафаретом-коллиматором, обеспечивающим пространственную дискретность световых пучков. Коллиматор выполнен из отполированной пластины нержавеющей стали толщиной 6 мм и набором отверстий с диаметром1,0 мм с шагом 4 мм (рис. 3).

Напряжение, мВ а

Напряжение, мВ б

Рис. 2. Световые вольтамперные характеристики экспериментальных ФЭП: а) ВАХ исходной структуры ФЭП; б) ВАХ той же ФЭП после формирования зарядовых насосов

Экспериментальное подтверждение механизмов проводимости в «ростовых» локальных зарядовых насосах [11] на основе СЭ RGS (Ribbon Growth on Substrate) со столбчатой структурой свидетельствует о квазипериодическом пространственном распределении токопроводящих каналов в монокристаллических зернах кремния. Аналогичная локальная дрейфовая электронная проводимость наблюдалась в коллектирую-щих токовых каналах в работе [13] и других публикациях. Это обстоятельство позволяет предположить, что для интенсификации класстеризации и формирования протяженных структур дефектов преципитатно-дислокационных комплексов донорного типа (p- матрица) с инверсным по отношению к матрице типом проводимости целесообразно в технологии изготов-РИ, 2013, № 3

Рис. 3. Упрощенная схема установки локальной фотонной обработки: 1 - галогенные лампы Rx7S1500W — 9 шт.; 2 - корпус фототрафарета-коллиматора; 3 -пластина солнечного элемента; 4 - локальные пучки излучений

Установка обеспечивала облучение образцов площадью (5х5) см2 с удельной световой мощностью излучателей 40.45 Вт/см2. Спектр излучения определялся типом галогенных ламп Rx7S1500W от ультрафиолета в вакууме до инфракрасного, соответствующего температуре черного тела 3 000К. Предварительное измерение параметров пластин СЭ (12,5х12,5) см2 проводилось на тестере PASAN900 с импульсным источником излучения в условиях АМ1,5; Т = 25°С. Измерения опытных образцов осуществлялось на установке, обеспечивающей условия АМ1,5 Ризл = 100 мВт/см2 со спектром галогенной лампы, ток короткого замыкания до 1,5 А, максимальная мощность до 10 Вт. Релаксационные термический и ин-жекционный отжиги проводились при температурах 200°С...350°С длительностью t = 10.60 мин. В зависимости от длительности фотонного импульса от 5 до 30с, Р = 44Вт/см2, изменение A Pm/Pm0 составляло от 3 до 35 % с максимумом в интервале tu = (8.13)с. При этом максимальное возрастание тока короткого замыкания A Isc/Isc0 « 37,0% наблюдалось у образцов с малой исходной эффективностью П <15%. У образцов с эффективностью П > 17% и плотностью тока короткого замыкания jsc>35 мА/см2 величина A Pm/ Pm0 составляла (7.15)%.

21

При длительности фотонного импульса более 20с в некоторых образцах происходила деградация (уменьшение Isc и Pm) до 50% и более. Было замечено, что более подвержены деградации образцы с малой площадью, что объясняется перегревом структуры и формированием шунтов с малым сопротивлением R^. При длительности фотонного импульса более 50с деградируют образцы и с максимальной площадью (5х5) см2.

Разброс относительного изменения 1кз у группы образцов из одной пластины СЭ при одной длительности фотонного отжига уменьшался при проведении ин-жекционного отжига при температуре 190°С в течение 30..45 мин и плотности прямого тока j = (50.. 100) мА/ см2. Отсутствие достоверной информации по технологии изготовления конкретных пластин СЭ не позволяет делать бесспорных выводов о природе увеличения тока короткого замыкания у ФЭП, подверженных локальной термофотонной обработке. Однако, как гипотеза, проведенные эксперименты могут свидетельствовать о повышении эффективности конверсии ФЭП вследствие увеличения плотности локальных кластерных агломератов донорного типа, играющих роль зарядовых насосов.

Применение обнаруженного эффекта увеличения тока короткого замыкания и максимальной мощности ФЭП локальной фотонной обработкой на большие площади СЭ будет способствовать созданию элементной базы гелиоэнергетики повышенной эффективности (П >20%) с гиговаттным объемом установленной мощности.

Выводы

Снижение рекомбинационных потерь в пластинах СЭ достигнуто благодаря уменьшению времени разделения фотогенерированных носителей тока за счет структуры с зарядовыми насосами, реализованными дефектно-примесной инженерией.

Предложена схема реализации технологического процесса создания экспериментальной структуры СЭ с зарядовыми насосами. Экспериментальные исследования подтвердили факт увеличения тока короткого замыкания и максимальной мощности после проведения локальной фототермической обработки образцов ФЭП различных производителей.

Научная новизна работы состоит в том, что применение коротковременной технологии термофотонной и лазерной обработки пластин кремния приводит к качественному изменению механизма пролёта базы фотопреобразователя за счет образования пространственных дефектно-примесных комплексов. Практическая значимость экспериментальных исследований заключается в получении схемы реализации техпроцесса создания структур с зарядовыми насосами. Проведенные эксперименты свидетельствуют о повышении эффективности конверсии ФЭП со структурой с зарядовыми насосами. Дальнейшие исследования целесообразно направить на отработку технологического процесса формирования ФЭП с зарядовыми насосами.

22

Литература: 1. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М.: Мир, 1984. 475с. 2. Гусев В.А. Фотопреобразователи на основе зарядовых насосов // Вестник СевНТУ. Сер. Информатика, электроника, связь. 2011. №114. С.199- 203. 3. Фаренбух А., Бъюб Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат, 1987. 280с. 4. Унтила Г.Г., Кост Т.Н., Чебатарева А.Б. и др. Солнечный элемент из кремния п- типа, двусторонний, концентратор-ный // ФТП. 2012. Т. 46, № 9. С. 1217-1223. 5. Непомнящих А.И. Прямое получение мультикремния для солнечной энергетики из высокочистого рафинированного кремния // Труды научн.-техн. конф. Кремний-2012. С.Петербург. 913 июля 2012. С. 137-139. 6. Jordan D. Nagle J.P. New generation of high-efficiency solar cells: development, processing and marketing // Prog. in Photovoltaics. 1994. Vol.2. Р. 171-176. 7.MullerI,BotheK., GatzS. Recombination at local aluminum-alloyed silicon solar cell base contacts // Energy Procedia 8. 2011. Р. 337-342. 8. GreenM.A. Hansen J. Catalogue of Photovoltaic Drawings // Photovoltaics Special Research Centre, University of New South Wales. 1998. 9. Гусев В.А. Старков В.В., Шоферистов С.Е. Повышение эффективности фотопреобразователей с зарядовыми насосами // Вестник СевНТУ. Серия: информатика, электроника, связь. №. 131.2012. С. 102-107. 10. HeruthA, SchubertG., KaesM., Hahn G. Avoiding Boron-Oxygen related Degradation in Highly Boron Doped Cz Silicon //Proc. 21st EU PVSEC. 2006. Р. 530-537. 11. Breitenstein D. EBIC investigation of a 3-Demensional Network of Inversion Channels in SolarCell on Silicon Ribbons// Solid State Phenomena. 2001. Р. 78 —79. 12. Buzynin A.N. Non-equilibrium impurity redistribution in Si// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Т. 2002. 188. Р. 366-370. 13. Buonassisi T., Vyvenko O.F., Istratov A.A. et al. Observation of transition metals at shunt locations in multicrystalline silicon solar cells // Journal of Applied Physics. 2004. Vol.95. №36. Р. 1556-1558. 14. Кравченко В.А., Старков В.В., Амбросимов Н.В., Амбросимова В.Н. Диффузионное легирование кремния бором и фосфором в условиях быстрого термического отжига // Электронная техника. Сер. Материалы.1989. № 4(241). С.20-23. 15. Reiss H., Fuller C.S. et al. Solubility of Lithium in Doped and Undoped Silicon, Evidence for Compound Formation // J. Chem. Phys. 1956. Vol. 25. №4. Р.650-655.

Поступила в редколлегию 10.08.2013

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Бабуров Э.Ф.

Г усев Владимир Александрович, д-р. техн. наук, профессор, зав. каф. «Электронная техника» Севастопольского национального технического университета. Адрес: Украина, 99053, Севастополь, ул. Университетская, 33, тел. (0692)-43 5-127, e-mail: elt. sevntu@gmail.com.

Старков Виталий Васильевич, ст. науч. сотрудник, канд. тех. наук, Учреждение Российской академии наук, Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН. Адрес: Россия, 142432, Московская область, Черноголовка, ул. Институтская, 6, e-mail: starka@iptm.ru.

Шоферистов Сергей Евегеньевич, частное предприятие «Внедренческая экспериментальная лаборатория». Адрес: Киев, Украина, ул. Северо-Сырецкая, 3, 04136, e-mail: mail@wel.net.ua.

Мурзин Дмитрий Г еннадьевич, канд. тех. наук, ст. преп. каф. «Электронная техника» Севастопольского национального технического университета. Адрес: Украина, 99053, Севастополь, ул. Университетская, 33, т. раб. (0692)-435-127. E-mail: elt.sevntu@gmail.com.

РИ, 2013, № 3

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.