CC BY
45
-□ □-
Показана технологiя модифшування шарiв пористого кремню методом електрохiмiчноi гiдрогенiзацiiз наступним використанням в фронтальному поKpummi кремтевого сонячного еле-мента. Дослидження властивостей фронтальноi поверхш структури сонячного елемента проводи-лося з допомогою вивчення спектрiв фотолюмШс-ценци, а також мас-спектрiв вторинних ютв (SIMS) гiдрогенiзованих шарiв пористого кремню. Функщональш шари пористого кремню без-, i з гидрогешзованим пористим кремтем використат для фронтальноi поверхш сонячного елемента
Ключовi слова: сонячний елемент, пористий кремнш, фотолюмт^ценщя, електрохiмiчна
гiдрогенiзацiя, мас-спектри
□-□
Показана технология модифицирования слоев пористого кремния методом электрохимической гидрогенизации с последующим использованием в фронтальном покрытии кремниевого солнечного элемента. Исследование свойств фронтальной поверхности структуры солнечного элемента проводилось с помощью изучения спектров фотолюминесценция, а также масс-спектров вторичных ионов (SIMS) гидрогенизированных слоев пористого кремния. Полученные функциональные слои пористого кремния использованы для фронтальной поверхности солнечного элемента непосредственно, и с гидрогенизированные пористым кремнием
Ключевые слова: солнечный элемент, пористый кремний, фотолюминисценция, электрохимическая гидрогенизация, масс-спектры -□ □-
УДК 621.315.592
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.40067
МОДИФ1КУВАННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОРИСТОГО КРЕМН1Ю ДЛЯ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТ1В МЕТОДОМ ПДРОГЕШЗАЦП
В. Ю. £ рохо в
Доктор техычних наук, доцент* E-mail: [email protected] А. О. Дружинин Доктор техычних наук, професор* E-mail: [email protected] О. В. £рохова Астрант
1нститут прикладних проблем математики i мехашки ím. Я. С. Пщстригача Нацюнальна академiя наук УкраТни вул. Наукова, 3-б, м. Львiв, УкраТна, 79060 E-mail: [email protected] *Кафедра натвпровщниковоТ електронки Нацюнальний уыверситет „^bBÍBCb^ пол^ехшка" вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013
1. Вступ
На сьогодшшнш день б^ьше 2 мiльярдiв людей на планет все ще залежать вiд газу, дрiв, вугiлля i нафти для приготування iжi i обiгрiву примщень. Це, приводить до значних негативних наслщюв для здоров'я людей, iх навколишнього середовища, економiчного розвитку, а школи i вiйн мiж державами.
I вже в найближчi десятирiччя виробники енергii зiткнуться з нестачею природного палива (нафти, газу, вуплля), а також з такими проблемами, як катастро-фiчне забруднення навколишнього середовища, до якого приводить спалювання цього палива, та потен-цшна небезпека ядерноi енергетики. Отже, постае не-обхiднiсть одержання дешевоi енергii з використанням вiдновлювальних джерел живлення при мжмальному впливi на навколишне середовище. Тому вже зараз широкого розвитку набувае так звана "альтернативна" чи «нетрадицшна» енергетика, яка використовуе практично невичерпш ресурси [1].
До використання сонячно'Т енергп привернуто ува-гу багатьох дослщниюв у всьому свiтi. Впровадження нетрадицшних джерел енергii стае випдшше, як з економiчноi, так i з екологiчноi точки зору. Важливим е як чисте еколопчно перетворення сонячних промешв
в електрику так i ix тепло. 3pic штерес, як до теоретич-них, так i до практичних розробок в област фотоелек-тричних перетворювачiв сонячного випромшювання.
2. Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми
Одною з найперспектившших серед них на сьогодшшнш день вважаеться сонячна енергетика. Вона використовуе пряме перетворення сонячно'Т енергп в елек-тричну за допомогою фотоелектричних перетворювачiв (ФЕП) або сонячних елеменпв (СЕ). Особливу увагу викликав фотоелектричний метод перетворення соняч-но' енергп. Шдвищений штерес до даного методу от-римання електрично'Т енергп зумовлений можливштю створення на його основi сонячних елеменпв, коефь цiент корисно'Т дп (ККД) яких може перевищувати 15 %, а в деяких зразках досягати 50 %. Вони вiдрiзняються виключною стабiльнiстю параметрiв, що пiдтвердженi в ходi '¿х багаторiчноi експлуатацп [2, 3].
Основним компонентом для побудови фотоелектричних систем е сонячш батареi з яких формуються сонячш панелi. Одним з найбiльш перспективних напрямюв пiдвищення ККД фотоелектричних систем е зменшення оптичних втрат, тобто втрат на ввдбивання Це досягаеть-
ÍC В. Ю. (C
("I
ся нанесенням антиввдбивних покритпв, якi надають можливiсть суттево зменшити втрати на ввдбивання сонячних променiв, тобто збшьшити Гх поглинання Одним з ефективних i сучасних методiв е використання шарiв пористого кремнiю в структурах кремшевих СЕ на основi розгляду мiкроструктури i властивостей цього матерiалу, аналiзу iснуючого досвiду i нових перспектив-них шляхiв його фотовольтаГчного використання.
При використаннi пористого кремшю в якостi ан-тиввдбивного покриття пористий шар формуеться безпо-середньо на кремнiевiй поверхнi i поряд з просвiтленням вiн повинен забезпечувати також i пасивацiю поверхш ФЕП Однак, результати дослiджень в данш областi ви-явили, що пасивуючi властивостi пористого кремнiю е недостатшми для мiнiмiзацii поверхневоГ рекомбшацп. Часткового покращення пасивуючих властивостей пористого кремшю було досягнуто шляхом термiчного та анодного окислення пористого шару, а також при плазмо-вому напиленш на його поверхню нiтриду кремнiю. Проте жоден з перелiчених методiв не дозволив досягнути необ-хiдного рiвня поверхневоГ пасивацп та Г! стабтзацп у часi.
В той же час фотоенергетика е найбшьш елегантним засобом вироблення електрики без рухомих частин, газо-видшення чи шуму - i все це при можливостi конвертацп безмежноГ кiлькостi сонячноГ енергп [4]. Широке впро-вадження фотоелектричних перетворювачiв (ФЕП) рiз-ного рiвня потужносп, як джерел живлення електронних приладiв е одним з найбiльш перспективних засобiв використання сонячноГ енергп, що пов'язано з виснаженням запаав енергетичноГ сировини на Землi та безперервним зростанням потреб людства в дешевш електричнiй енергi'i [5-7]. Це стало поштовхом до розвитку високопотужноГ сонячноГ енергетики, яка змогла б скласти конкуренщю традицiйним методам Генерацп електрики для забезпе-чення енергетичних потреб людства.
Цiла низка переваг, характерних для фотоенергети-ки, визначае напрями дослщжень, а попит i проблеми, пов'язанi з традицшними джерелами енергп визначае обсяг урядових програм, що стимулюе виробництво. Прагнення до зниження вартосп, пiдвищення техшч-них та фотоелектричних параметрiв ФЕП приводить до розроблення та вдосконалення технологш ство-рення нових структур ФЕП. Кремнш, як матерiал, залишаеться найб^ьш поширеним в природi, так як i найбiльш використовуваним в фотоенергетицi, тому найбiльший iнтерес представляють дослщження в областi кремнiевих ФЕП, осюльки станом за останнi десять роюв бiльшiсть промислових наземних фотоелектричних систем розробляються на основi кри-сталiчного кремнiю з середнiм значенням ефектив-ностi перетворення 16 %...18 %...20 %.
Для зниження собiвартостi виготовлення високо-потужних фотоелектричних систем часто використо-вують рiзнi тдходи. Для першого характернi заходи тдвищення коефiцiента корисноГ дii (ККД) сонячних елеменпв. До iншого максимальна увага надаеться спрощенню i здешевленню технологи виробництва ФЕП. Вщповщно до першого тдходу основою високопотужноГ сонячноГ енергетики стали кремнiевi соняч-ш елементи з дифузiйним р-п- переходом, для яких досягнув найвищi значення ККД. Проте, незважаючи на високу ефектившсть, собiвартiсть цих сонячних елеменпв залишаеться високою унаслiдок значноГ складност Гх технологiчноi реалiзацii.
На сьогодш людство використовуе так звану «Третю генеращю» електрики, в основi якоГ е квантовi трубки i наноструктури. Введення в структуру ФЕП кремшевих функщональних пористих матерiалiв дозволить керувати Гх ефектившстю перетворення i досягати мети, яка би послщовно збiльшувала ефек-тивнiсть перетворення при зменшенш собiвартостi сонячних елементiв. Функщональш поруватi ма-терiали можна отримувати у виглядi шарiв з достат-ньо великим дiапазоном поруватостi, в дiаметрi пор вiд нанометрiв до десятюв мiкрометрiв [8]. При тому маемо великий спектр технологш отримання.
Сучасш високоефективш покриття, як вiдбиваючi так i пасивуючi, залишаються на сьогодш складними для технолопчно'Г реалiзацii, а при Гх формуваннi по спрощенш технологи не володiють необхвдними про-свiтлювальними (антивiдбивними) та пасивувальни-ми властивостями. Введення пористих шарiв кремнiю у структури антивiдбивного покриття з рiзною текстурою фронтальноГ поверхнi ФЕП робить актуаль-ними щ дослiдження в галузi фотоенергетики для тдвищення ефективност сонячних елеменив [9].
Ефективним методом покращення пасивуючих властивостей пористого кремнiю може стати його елек-трохiмiчна гвдрогешзащя [10] в збагачених атомарним воднем електролггах. За допомогою даноГ обробки можна досягнути ефективноГ пасивацп воднем обiрваних зв'язкiв на межi подiлу пористий кремнш/монокриста-лiчний або полiкристалiчний кремнiй, що сприятиме зменшенню швидкост поверхневоГ рекомбiнацii.
Використовуючи електрохiмiчну гiдрогенiзацiю ми отримали можливiсть ефективно модифжувати фрон-тальнi поверхнi, отримуючи рiзнi функцiональнi покриття, як треба навчитись використати в структурах СЕ для суттевого зб^ьшення Гх ефективност (ККД).
У порiвняннi з шшими методами водневого на-сичення електрохiмiчна гiдрогенiзацiя володiе рядом переваг [11, 12]. Безперечна позитивна риса, це Гх дешевизна i можливкть запровадження в б^ьшост технолопчних лабораторiй. Наявнiсть технологiчних складових i проведення технологiчного процесу при кiмнатнiй температурi сьогоднi, при високих цшах на газ i електрику, е безперечним плюсом для використання власне такого методу пасивацп поверхш кремшевих пластин, яю будуть використовуватись для сонячних елеменив, зменшуючи Гх кшцеву щну.
Електрохiмiчна гiдрогенiзацiя може бути сумщена з процесом анодування i не приводитиме до ускладнення технологГГ ФЕП, е контрольованим процесом, що забез-печуе проникнення атомiв водню в об'ем натвпроввдни-ка на задану глибину та пасивування обiрваних зв'язюв без пошкодження його кристалiчноi гратки [13].
3. Мета i завдання дослщження
Метою роботи було створення сонячного елемента з антивщбивним покриттям на пористому кремшю, для чого проводилось вивчення електрохiмiчноi пдро-генiзацii шарiв пористого кремшю для використання в антивщбивних покриттях кремшевих сонячних еле-ментiв з допомогою вивчення спектрiв фотолюмшес-ценцп, а також мас-спектрiв гiдрогенiзованих шарiв пористого кремнiю.
Для досягнення поставлено'Г мети ставилися на-ступш завдання:
- дослiдження електрохiмiчноï гiдрогенiзацiï ша-piB пористого кремшю з допомогою режиму катодноГ поляризацп;
- вивчення спектpiв фотолюмiнесценцiï для досль дження ступеня впливу електpохiмiчноï гiдpогенiзацiï на пасивуючi властивостi пористого кремшю як анти-вiдбивного покриття;
- вивчення мас-спек^в вторинних юшв (SIMS) гщ-pогенiзованих шаpiв пористого кремшю отриманих в статичному pежимi тсля гiдpогенiзацiï (наявнiсть Н2+);
- вимipювання вихiдних електричних характеристик створеного сонячного елемента (ФЕП) до, та тсля формування на його поверхш антивщбивного покриття на основi гщрогешзованого пористого кремшю.
4. Вплив електрохiмiчно¡ пдрогешзаци на покращення пасивуючих властивостей пористого кремшю
З метою покращення пасивуючих властивостей шарiв пористого кремшю, що використовуються у ФЕП проведено дослщження процесу електрохiмiч-ноГ гщрогешзацп пористого кремшю на тдкладках кремшю р- типу з питомим опором 0,1...10 Ом-см та на тдкладках iз сформованим емиерним переходом п+-р. В якост1 електро.гпта використовувався розчин НР:С2Н50Н=1:1. Струм та час анодування змь нювались у широкому штерва.гп значень, що забезпечувало формування шар1в пористого кремшю з р1зною пористктю та товщиною.
Для протжання процесу електрох1м1чно1 гщрогешзацп пористого кремнно при його ка-тодшй поляризацп дослщжувались потенцю-статичш крив1 струм-напруга системи Р1;(анод) -електро.гпт - «пористий кремшй/кремшй»(ка-тод) для електролшв з р1зним х1м1чним складом. Дослщження проводились за методикою, анало-пчною методищ реестрацп потенцюстатичних кривих процесу електрох1м1чного анодування, але розгортка напруги зд1йснювалась у напрям-ку вщ'емних значень (катодний процес).
1з отриманих залежностей (рис. 1) встанов-лено, що процес гщрогешзацп шар1в пористого кремшю сильно залежить вщ типу та величини електрично'Г провщност1 вихщно'Г натвпровщ-никовоГ пiдкладки.
Встановлено, що обмежуючим фактором катодного процесу е рiвень концентрацii елек-тронiв у приповерхневш областi натвпровщ-ника. Внаслщок цього гiдрогенiзацiя шарiв пористого кремшю, що вирощеш на пщклад-ках п- типу, або на поверхш емиера структури з п+-р переходом протжае без завад. Однак для пщкладок р-типу електрони е неосновними нолями i Гх концентрацiя недостатня для протжання процесу гiдрогенiзацii, осюльки величина катодного струму е обмеженою потенцшним бар'ером у приповерхневш областi напiвпровiдника.
В результатi цього для потенцюстатичних кривих гiдрогенiзацii шарiв пористого кремнiю, що вирощеш на р^, е типовою наявнiсть двох характерних областей - област гщрогешзацп та обласи насичення
(рис. 1). Область насичення мае мюце для низьких значень напруги поляризацп та залежить вщ ступеня легування натвпровщника. II характерною рисою е вщсутшсть суттевого збiльшення катодного струму при зростанш величини напруги поляризацп. Це по-яснюеться як недостачею електрошв, так i низькою енерпею активацп атомiв водню та Гх неспроможшстю проникнути через потенцiйний бар'ер.
Зi збiльшенням напруги катодноГ поляризацп для низькоомного кремшю р- типу наступае пробш п-р переходу i його наявнiсть вже не е обмежуючим фактором для протжання катодного струму. Як результат цього, область гщрогешзацп характеризуеться дшянкою потенцюстатичних кривих, де незначне збшьшення напруги змщення сприяе сильному зростанню катодного струму.
При низькш концентрацп акцепторiв приповерх-нева область просторового заряду значно ширша 1 ГГ пробш не наступае навиь при вищш напрузi на катодь У цьому випадку для ефективноГ гщрогешзацп пористого кремнiю, вирощеного на слаболегова-ному кремнiю р- типу запропоновано використову-вати фотогенеращю струму у кремнiю. Спричинена освиленням генерацiя електронiв сприяе початковому зб^ьшенню катодного струму. Подальше збiльшення величини напруги катодноГ поляризацп приводить до пробою приповерхневого потенцшного бар'еру та рiз-кого зб^ьшення катодного струму, що знаменуе собою початок процесу гщрогешзацп.
U, В
Рис. 1. Потенцюстатичш кривi Р^анод) — електрол^ — «пористий кремнш/кремшй»(катод^ для зразмв з пористим кремнieм iз рiзною витримкою пiсля анодування в порiвняннi з чистою поверхнею подкладки: 1 — свiжовирощенi зразки пористого кремшю на тдкладщ p-Si; 2 — зразки пористого кремшю вирощеш на тдкладщ р^ з витримкою шсля анодування 24 год.; 3 — чиста поверхня шдкладки p-Si
Для вивчення ступеня впливу електрохiмiчноГ гщрогешзацп на пасивуючi властивостi пористого кремшю дощльно використати метод фотолюмшес-ценцп. Оскiльки у цiлому рядi роби [14, 15] показано, що штенсившсть фотолюмiнесценцii пористого кремнiю визначаеться стввщношенням мiж випромР нювальною та безвипромшювальною рекомбiнацiею носiiв заряду вщповщно в об'емi та на поверхш кла-
стер1в квантових ниток, то сл1д оч1кувати, що воднева пасиващя поверхш пористого кремшю повинна впли-вати 1 на його люмшесцентш властивостт
Шдвищення штенсивност фотолюмшесценцп пористого кремшю свщчить про покращення його паси-вуючих властивостей. При дослщжент люмшесцент-них властивостей шар1в пдрогешзованого пористого кремшю була встановлена значна залежшсть штенсивност! фотолюмшесценцп вщ х1м1чного складу елек-тролиа пдрогешзацп, величини катодного струму та тривалост процесу водневого насичення. Це дозволило оптим1зувати технолопчш параметри процесу електрох1м1чно1 пдрогешзацп пористих шар1в з метою покращення !х люмшесцентних властивостей.
Пор1вняння спектр1в фотолюмшесценцп св1жо-вирощених, х1м1чно оброблених та пдрогешзованих пористих шар1в показало, що водневе насичення поверхш пористого кремшю в процес його катодно! поляризацп тдвищуе штенсившсть фотолюмшесценцп до р1вня, характерного для зразюв, що попе-редньо пройшли спещальну х1м1чну обробку. Однак на вщмшу ввд св1жоанодованих та х1м1чно оброблених зразюв, пдрогешзований пористий кремнш волод1е б1льш широким спектром люмшесцентного випромь нювання. При цьому для положення максимуму спектру фотолюмшесценцп пдрогешзованого пористого шару спостер1гаеться голубе змщення на 10^15 нм. Поряд ¿з цим смуга спектру фотолюмшесценцп пористого кремшю тсля пдрогешзацп розширюеться на 20^40 нм за рахунок змщення його високоенергер тично! сторони (рис. 2). Як в першому, так 1 в другому випадку величина змщення максимального значення штенсивносп люмшесценсп визначаеться струмом пдрогешзацп та тривалктю катодно! обробки.
2
— ■ - П1СДЯ плрогсн 1331111 протягом
2-х год. з густи ною струму I мА/см;
* тсля 3-х годинного ггарового травления п ! 1Р;
— 11 ШЛЯ 3-х годинного золотого травления в ЯР;
* ШСЛЯ 40 ХВ. ГЩЮГеИЗаЩ]
з густиною струму 0.6 мА/см ;
* СЕнжовнрощений шар пористого кремжю-
800
Довжина хвил1, нм
Рис. 2. Спектри фотолюмшесценцп шарiв пористого кремнiю: ( Аг+-лазер, Х=488нм, 300 К)
Приведен вище результати дослщження люмь несцентних властивостей шар1в пдрогешзованого пористого кремшю можуть штерпретуватися зб1ль-шенням штенсивност фотолюмшесценцп шар1в пдрогешзованого пористого кремшю та 11 корелящею
з 1нтенсивн1стю випром1нювання пористих шар1в, з водневою пасиващею шляхом травлення в Н^ що свщ-чить про насичення атомами водню поверхш пористого кремшю у процеа катодно! поляризацп. Завдяки водневому насиченню об1рваних зв'язюв на поверхш пористого кремшю досягаеться зменшення частки без-випромшювально! поверхнево! рекомбшацп по вщно-шенню до випромшювально! рекомбшацп в !х об'емт
Змщення максимуму спектру фотолюмшесценцп шару пористого кремшю тсля його катодно! поляризацп може бути пояснено в рамках теорп квантового обмежен-ня 1 сввдчить про вплив електрох1м1чно! пдрогешзацп на мжроструктуру самого пористого шару. Очевидно, що у даному випадку мае мкце окислення поверхш квантових ниток пористо! структури, через що ввдбуваеться зменшення !х д1аметра. Це приводить (завдяки ¿снуван-ню в пористому кремшю квантово-розм1рного ефекту та пов'язано! з ним залежноси Eg ввд д1аметру квантово! нитки) до збшьшення ширини заборонено! зони пористого кремшю 1, ввдповвдно, до зменшення довжини хвил1 максимуму фотолюмшесцентного випромшювання.
Розширення спектру фотолюмшесценцп пористого кремшю тд впливом катодно! поляризацп, очевидно, е наслщком сукупного впливу ефекив, в вищеописаних абзацах. Голубий зсув високоенерге-тично! сторони спектру люмшесцентно! ем!сп, швид-ше за все, е наслщком окислення поверхш квантових ниток та пов'язаного ¿з цим зб1льшення ширини заборонено! зони пористого кремшю. Незмшшсть спектрального положення низькоенергетично! ча-стини спектру фотолюмшесценцп можна пояснити, прийнявши до уваги структурну неоднорщшсть пористого шару. 1мов1рно, що проникнення в процес пдрогешзацп атом1в водню в глибину пористого кремшю та пасиващя стшок кван-тових ниток дозволяе глибшим шарам пористого кремшю також здшснювати свш вклад в ште-гральне люмшесцентне випромь нювання. Осюльки з1 зб1льшенням глибини д1аметр квантових ниток зростае, то для шар1в ндрогеш-зованого пористого кремшю сл1д очжувати зб1льшення зовн1шнього квантового виходу фотолюмшесценцп в його низькоенергетичнш частиш.
1нтерпретац1я експерименталь-них результат1в, отриманих при досл1дженн1 фотолюмшесцентних властивостей г1дроген1зованого пористого кремн1ю, однозначно свщчить про те, що в процес1 катодно! поляризацИ пористого шару мае м1сце введення атомарного водню в його структуру та пасива-щя об1рваних кремн1евих зв'язк1в, що шдтверджуеться експеримен-тами на мас-спектрометр1 вторин-них 1он1в (рис. 3), де тсля пдрогешзацп ми можемо бачити ст1йку 1нтенсивн1сть (к1льк1сть зчитаних 1мпульс1в) вторинних 1он1в поверхн1 мультикриста-л1чно! п1дкладки кремн1ю типу Baysix в статичному режим1 з наявшстю 1он1в Н2+ [16].
1100
Поверхш для вимipу в спектpi вторинних юшв гщ-pогенiзованi воднем в електролт (HF:C2H5OH=10:1) на основi фтористоводневоГ кислоти.
Рис. 3. Картина дiалогового вкна мас-спектрометра TOF5 SIMS поверхш мультикрист^чних пiдклaдок Si типу Baysix в статичному режимi пiсля пдрогешзаци (наявшсть Н2+). Mass (u) — масове число. Intensity (counts) — штенсившсть (кшьмсть зчитаних iмпульсiв)
5. Оптимiзацiя технологи електрохiмiчного формування та пдрогешзаци шарiв пористого кремнiю
Оптимiзацiя технологи електpохiмiчного форму-
вання та гщрогешзацп шаpiв пористого кpемнiю до-
зволила суттево покращити ïï антивщбивш та пасивш
властивостi. Але, для того щоб пористий кpемнiй ефективно використовувався в якост антивiдбивного покриття в стpуктуpi кpемнiевих ФЕП, його параме-три та технологiя одержання повинш задовольняти двом наступним вимогам:
а) параметри просвгглюючих пористих шаpiв не повиннi негативно впливати на вихщш електричш характеристики та ККД ФЕП;
б) технолопчш процеси формування та гщрогеш-защя шаpiв ПК повиннi бути сумюними з технолопею створення кpемнiевих ФЕП та не ускладнювати ïï.
Тому, згщно пеpшiй вимозi товщина поруватого шару не повинна перевищувати 100 нм. За таких умов вплив високого питомого опору пористого кремшю (~106^ 107 Ом-см) на послщовний отр структури ФЕП буде знаходитись в допустимих межах.
Технолопчний процес формування фронтально'1 контактноï системи включав послщовне термовакуум-не напилення на кремшеву поверхню через металiч-ш трафарети шаpiв Ti, Pd та Ag товщинами 30 нм, 20 нм та 30 нм вщповщно. Ширина контактних пальщв при цьому становила 30 мкм, при вщсташ мiж ними бiльше 1 мм. При цьому загальна площа затшення ро-бочоï повеpхнi не перевищувала 5 %. Для зменшення контактного опору товщина шару Ag була зб^ьшена гальвашчним методом до 25 мкм. На завершально-му етат створення контактноï гpебiнки проводився вщпал одержаних структур у атмосфеpi азоту з 5 % вмютом водню при темпеpатуpi 400 oC на пpотязi 20 хв.
З використанням оптимiзованих умов процесу електpохiмiчного анодування на поверхш структур мультикpисталiчних кремшевих ФЕП було сформовано антивщбивне покриття на основ1 гiдpогенiзованого пористого кремшю.
Вимipювання вихiдних електрич-них характеристик ФЕП до та тсля формування на ïх поверхш антивщбив-ного покриття на ос-новi гщрогешзовано-го ПК проводилось з використанням iмiтатоpа сонячного свила для спектру AM 1.5. Результати вимipювань обро-блялись спецiалiзо-ваною комп'ютерною програмою i виводи-лись у виглядi ВАХ фотоперетворювача iз вказанням макси-мальних значень фотоструму та вихiдноï напруги, струму короткого зами-кання та напруги неробочого ходу а також коефвдента заповнення та коефщента коpисноï дiï (ККД) ФЕП. Характеристики ФЕП, отримаш з використання запро-понованих технологiй, пpиведенi в таблиц (табл. 1).
На основi узагальнення отриманих експеримен-тальних результапв було виявлено механiзм та стутнь впливу фронтального пористого шару на параметри дослiджуваних ФЕП. Встановлено, що для мультикри-сталiчних ФЕП ефект вщ використання в ïх структур1 шару гщрогешзованого ПК проявляеться для струму короткого замикання Isc. Для обох титв ФЕП пpиpiсг фотоструму =2^10 мА. При цьому мае мюце збiльшення напруги неробочого ходу Voc в межах 2,5 %.
Зб^ьшення спостеpiгеться для фактору заповнення FF на 3^5 % для мультикpисталiчних ФЕП. Для всiх зpазкiв дослiдноï паpтiï ФЕП було одержано суттевий прирют значення ККД. Для кращих зpазкiв мультикри-сталiчних ФЕП площею 0,93 см2 ефективнiсть (ККД) фотоволктчного перетворення пiсля формування на ïх повеpхнi шару гiдpогенiзованого пористого кремшю зросла в 1,28 раза (табл. 1).
Таблиця 1
Характеристики ФЕП з антивщбивним покриттям на основ! гщрогешзованого пористого кремшю площею 0,93 см2 при потужносп осв^лення 1000 Вт/м2 (АМ 1,5)
№ Характеристики ФЕП ФЕП без гщрогешзованого ПК ФЕП з пдрогешзованим ПК
1 Isc 28,5 мА 30,8 мА
2 Voc 0,63 0,66 B
3 FF (показник заповнення ВАХ) 0,78 0,81
4 Eff (ККД) 12,6 % 16,1 %
Узагальнення та аналiз отриманих результапв сввд-чить про те, що приркт фотоструму та ККД в основному зумовлений мiнiмiзащею оптичних втрат на ввдбивання. Це корелюе 3i зменшенням величини iнтегрального ко-ефiцieнта оптичного ввдбивання оптимiзованих шарiв ПК. Збшьшення фактору заповнення, обумовлене 3i зро-станням послiдовного опору структури ФЕП внаслвдок зменшення товщини емiтера та концентрацп легуючоТ домiшки в його приповерхневому шар1 Збiльшення на-пруги неробочого ходу, iмовiрне обумовлене змшою рези-стивних втрат в структурi ФЕП, та недостатньо якiсною пасиващею ïï фронтально' поверхнi. Таким чином можна зробити висновок що пасиващя поверхш ФЕП шару ПК воднем в процеа його електрохiмiчноï пдрогешзацп е недостатньо ефективною та нестабшьною в част
7. Висновки
Результатом даноТ роботи стала розробка соняч-ного елемента з антивщбивним покриттям на основi гiдрогенiзованого пористого кремшю.
На основi аналiзу механiзму впливу покриття про-свiтлення на основi гiдрогенiзованого ПК на вихiднi характеристики кремшевих ФЕП було розроблено наступш рекомендацiï щодо подальшого пiдвищення ККД ФЕП з шаром ПК:
1. Для зменьшення резистивних втрат та фактору заповнення ФЕП з антивщбивним покриттям на основi шару пористого кремшю необхщно оптимiзувати глибину та профшь легування емiтерноï обласп даноТ структури. Необхiдно врахувати той факт, що тсля формування шару пористого кремшю як товщина емиера, так i поверх-нева концентращя домiшки легування зазнають суттевих змш. Збiльшення поверхневого опору емiтерного шару при формуванш пористого кремнiю можна компенсувати шляхом збшьшення глибини p-n емiтерного переходу на товщину пористого шару та збшьшенням поверхневоТ концентрацп домшки легування.
2. ККД ФЕП з антиввдбивним шаром пористого кремшю може бути збшьшений шляхом зменшення ре-комбiнацiйних втрат за рахунок покращення пасивую-чих властивостей пористого шару в процеа його елек-трохiмiчноï гiдрогенiзацiï.
Враховуючи нестiйкiсть водневоТ пасивацiï до впливу навколишнього середовища, стабiлiзацiю пасивуючих властивостей гiдрогенiзованого ПК найбшьш доцiльно здiйснювати шляхом його капсуляцп. При цьому необхiдно врахувати, що для забезпечення ефективного просвилення значення показника заломлення капсулюючого шару повинно знаходитися в дiапазонi ввд 1.4 до 1.6, а сам процес капсулювання не повинен призводити до окислення пористого шару кремшю (температура процесу не повинна перебшьшувати 150 oC).
^riepaTypa
1. Huang, Y. M. Porous silicon based solar cells [Text] / Y. M. Huang, Q.-L. Ma, M. Meng // Materials Science Forum. - 2011. -Vol. 663-665. - P. 836-839. doi: 10.4028/www.scientific.net/msf.663-665.836
2. Weber, K. J. Silicon liquid phase epitaxy for epilift solar cells [Text] / K. J. Weber; A. W. Blakers; M. J. Stocks, A. Thompson // Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference. - 2003. - Vol. 2. - P. 1265-1267.
3. Bilyalov, R. R. Multicrystalline silicon solar cells with porous silicon emitter [Text] / R. R. Bilyalov, R. Ludemann, W. Wettling, L. Stalmans, J. Poortmans, J. Nijs et. al. // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2000. - Vol. 60, Issue 4. - P. 391-420. doi: 10.1016/s0927-0248(99)00102-6
4. Fang, W. Analysis of sunlight loss for femtosecond laser microstructed silicon and its solar cell efficiency [Text] / W. Fang, C. Changshui, H. Huili // Applied Physics A. - 2011. - Vol. 103, Issue 4. - P. 977-982. doi: 10.1007/s00339-010-6095-0
5. Svavarsson, H. G. Thin film silicon for solar cell application grown from liquid phase on metallurgical grade silicon [Text] /
H. G. Svavarsson, D. M. Danielsson and J. T. Gudmundsson // 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference. - Valencia, Spain , 2008. - P. 2221.
6. Muller, M. Silicon LPE on substrates from metallurgical silicon feedstock for large scale production [Text] / M. Muller, R. Kopecek, P. Fath, C. Zahedi and K. Peter // Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference. - 2003. - Vol.2. -P. 1221-1224.
7. Jinsu, Y. Black surface structures for crystalline silicon solar cells [Text] / Y. Jinsu, Y. Gwonjong, Y. Junsin // Materials Science and Engineering, B. - 2009. - Vol. 159-160. - P. 333-337. doi: 10.1016/j.mseb.2008.10.019
8. Foil, H., Formation and application of porous silicon [Text] / H. Foil, M. Christophersen, J. Carstensen, G. Hasse // Materials Science and Engineering R. - 2002. - Vol. 39. - P. 93-141.
9. Salman, K. A. The effect of etching time of porous silicon on solar cell performance [Text] / K. A. Salman, K. Omar, Z. Hassan // Superlattices and Microstructures. - 2011 - Vol. 50, Issue 6. - P. 647-658. doi: 10.1016/j.spmi.2011.09.006
10. Yerokhov, V. Yu. Porous silicon hydrogenizing for solar cells [Text] : In Proc. of First World Conference [Text] / V. Yu. Yerokhov,
I. I. Melnyk, L. Z. Gasko, O. I. Iznin // In Proc. of First World Conference "Porous Semiconductors: Science and Technology". -Mallorca, Spain, 1998. - P. 169.
11. Honda, S. Effect of hydrogen passivation on polycrystalline silicon thin films [Text] / S. Honda, T. Mates, M. Ledinsky // Thin solid films. - 2005. - Vol. 487, Issue 1-2. - P. 152-156. doi: 10.1016/j.tsf.2005.01.056
12. Yerokhov, V. Yu. Hydrogenated porous silicon in solar cells structure [Text]: In Proc. of 2nd World Conference / V. Yu. Yerokhov, I. I. Melnyk, N. Bogdanovsky, O. I. Iznin // Photovoltaic Solar Energy Conversion. - Vienna, Austria, 1998 - P. 1256-1259.
13. Bertoni, M. I. Impact of defect type on hydrogen passivation effectiveness in multicrystalline silicon solar cells [Text]: In Proc. of the 35th IEEE / M. I. Bertoni, S. Udelson, B. K. Newman, S. Bernardis et. al. // In Proc. of the 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). - 2010. - P. 345. doi: 10.1109/pvsc.2010.5616904.
14. Lavine, J. M. Role of Si-H and Si-H2 in photoluminescence of porous Si [Text] / J. M. Lavine, P. S. Sawan, T. Y. Shieh, A. J. Bellezza // Applied Physics Letters. - 1993 - Vol. 62, Issue 10. - P. 1099-1101. doi: 10.1063/1.108754
15. Banerjee, S. Role of Hydrogen- and oxygen-terminated surfaces in the luminescence of porous silicon [Text] / S. Banerjee, K. L. Narasimhan, A. Sardesai // Physical Review B. - 1994 - Vol. 49, Issue 4. - P. 2915-2918. doi: 10.1103/physrevb.49.2915
16. Дружишн, А. О. Дослщження поверхонь мультикристашчних тдкладок кремшю насичених воднем методами мас-спектроско-пй [Текст] / А. О. Дружишн, В. Ю. брохов, Н. Н. Берченко // Схщно-бвропейський журнал передових технологш. - 2014. -Т. 1, № 5(67). - C. 34-37. doi: 10.15587/1729-4061.2014.21053
-□ □-
Подано експериментальш дат про залеж-тсть ерози поверхневих шарiв легованих сталей в1д часу ди мшроударного навантажен-ня, обумовленого кавтащею. Встановлено аналтичне стввидношення мiж стштстю поверхневих шарiв сталей до ди кавтаци i гх мтротвердютю. Дослиджено сталi, поверх-невi шари яких модифжовано для тдвищен-ня гх стiйкостi рiзними способами. Показана можлив^ть збшьшення стiйкостi шляхом нанесення iонно-плазмового покриття на загартований шар
Ключевi слова: сталь, поверхневий шар, модифтащя, ерозiя, аналтичне стввгдшшен-
ня, стштсть, мшротверд^ть, покриття
□-□
Представлены экспериментальные данные о зависимости эрозии поверхностных слоев легированных сталей от времени микроударного нагружения, создаваемого кавитацией. Получено аналитическое соотношение между стойкостью поверхностных слоев стали к воздействию кавитации и их микротвердостью. Исследованы стали, поверхностные слои которых модифицированы различными способами с целью увеличения их стойкости. Показана возможность увеличения стойкости путем нанесения ионно-плазменного покрытия на закаленный слой
Ключевые слова: сталь, поверхностный слой, модификация, эрозия, аналитическое соотношение, стойкость, микротвердость, покрытие
-□ □-
1. Введение
Повышение надежности и долговечности деталей машин и механизмов связано в первую очередь с полным или частичным устранением износа, обусловленного различными видами воздействий, в частности, на их поверхностные слои. Одним из специфических видов воздействия являются микроудары, создаваемые кавитирующими полостями при работе оборудования в условиях развитой кавитации, а также быстролетя-щими каплями жидкости или твердыми частицами. Особенностью такого воздействия является высокая скорость нагружения, малая его продолжительность,
УДК 621.793
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.40196
ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ К ЭРОЗИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КАВИТАЦИИ
В. И. Ковален ко
Научный сотрудник отдела* E-mail: [email protected] Л. И. Мартыненко
Заместитель начальника отдела* E-mail: [email protected] В. Г. Маринин
Кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник* E-mail: [email protected] *Отдел интенсивных вакуумно-плазменных технологий Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» ул. Академическая, 1, г. Харьков, Украина, 61108
локальность и многократность. При этом в поверхностных слоях возникают напряжения, которые могут быть сравнимы с пределом прочности материала, сосредоточены в объемах, близких к размерам его структурных составляющих. В связи с отсутствием методов прогнозирования прочности (стойкости) материалов в условиях такого нагружения возникает необходимость в получении данных для всех применяемых в промышленности материалов, в том числе, с модифицированными различными способами поверхностными слоями для повышения их износостойкости. На практике это означает - определение наиболее эффективного метода упрочнения из числа известных: де-
к В. И. Коваленко. Л. И. МартыненКо. В. Г. МаРчИчн. 20X5
