CC BY
42
Terentyev Vyacheslav Viktorovich, Cand. Techn. Sci., associate Professor (e-mail: [email protected])
Ryazan state agrotechnological University, Ryazan, Russia Andreev Konstantin Petrovich, a senior named teacher Ryazan state agrotechnological University, Ryazan, Russia Shemyakin Alexander Vladimirovich, Doc. Techn. Sci., associate Professor Ryazan state agrotechnological University, Ryazan, Russia IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE SYSTEM "ERA-GLONASS" Abstract. The article discusses the possibility of increasing the efficiency of the system "ERA-GLONASS" by installing additional sensors that detect various changes in the technical condition of the car.
Keywords: car, crash, gauge, ERA-GLONASS.
РАЗРАБОТКА ФОТОЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ С НАНОКЛАСТЕРАМИ АТОМОВ МАРГАНЦА
УсмановЖ., ассистент, Насриддинов Ш., студент, Хамидов Б., студент Бухарский филиал Ташкентского института инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства, г.Бухара, Республика Узбекистан
(E-mail: [email protected])
Разработаны и изготовлены фотоэлементы на основе монокристаллического кремния путем формирования в его кристаллической решетке наноразмерных кластеров атомов марганца, позволяющих максимально полно использовать инфракрасный спектр Солнца для генерации субзонных фотоносителей.
Существующие в настоящее время технологические методы изготовления и полупроводниковые материалы, используемые при разработке эффективных солнечных элементов с максимальным коэффициентом полезного действия и стабильными параметрами, практически достигли своего предела. Для дальнейшего повышения основных параметров фотоэлементов необходимо использовать нетрадиционные полупроводниковые материалы или новые физические явления [1-5].
Как известно, существенная доля энергии солнечного излучения, более 44%, приходится на инфракрасный спектр с Х=0,75^3 мкм. При этом основная часть этой энергии в существующих солнечных элементах на основе кристаллического кремния не используется при преобразовании фотоэнергии в электрическую энергию. Поэтому, представляет очень большой научный и практический интерес создание в запрещенной зоне кремния примесной зоны, позволяющей осуществить двойной оптический переход электронов из валентной зоны в зону проводимости при поглощении фотонов с энергией hv<Eg/2 при многофотонном поглощении.
Однако многолетние попытки ученых решить проблему разработки более эффективных кристаллических кремниевых солнечных элементов с ис-
пользованием инфракрасного спектра излучения Солнца на основе примесного фотоэлектрического эффекта до настоящего времени не увенчались успехом. Основная причина - это весьма жесткие требования предъявляемые к примесным атомам, которые могут создавать примесные энергетические зоны с необходимыми параметрами в запрещенной зоне полупроводника. Такие примеси одновременно должны обладать высокой рас-
18 3
творимостью N>5 10 см и создавать энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника с энергией ионизации Е<Еg/2. Как известно примеси создающие глубокие энергетические уровни в полупроводниках не обладают большой растворимостью N-(2^5)^10 16 см-3, что и является глав -ным ограничением использования полупроводниковых примесей с глубо -кими уровнями для решения данной проблемы.
В связи с этим в данной работе предлагается принципиально новый подход к созданию примесной энергетической зоны с необходимыми параметрами, позволяющей эффективно использовать инфракрасный (ИК) спектр Солнца при генерации фото носителей. Сущность предлагаемого подхода -это управление в широком интервале состоянием наноразмерных кластеров атомов марганца (Мп)4 в решетке кремния.
Методом ЭПР было обнаружено и однозначно доказано образование на-но размерных кластеров марганца, состоящих из четырех атомов, находящихся в ближайших соседних междоузлиях в решетке кремния. Свидетельством многозарядного состояния полученных нанокластеров, могут служить результаты исследования поверхности кремниевых образцов с помощью атомного силового микроскопа (рис. 1). Как видно из рисунка формируются пики одинакового размера и различной высоты, которые подтверждают многозарядное состояние нанокластеров. Однако в этих работах не были установлены условия образования таких кластеров. Нами использован новый способ легирования, позволяющий установить термодинамические и технологические условия формирования наноразмерных кластеров (Мп)4 в решетке кремния.
1 О ОО X МО ОО [игп] 2 О ОО - 5Э.37 [пт]
Рисунок 1 - Изображение электростатических потенциалов многозарядных нанокластеров атомов марганца в решетке кремния
Разработанная технология основывается на проведении диффузии при поэтапном повышении температуры, начиная с низких температур и плавным увеличением температуры до необходимого значения и выдержкой образцов определенное время при этой температуре. Такая технология не только полностью исключает эрозию поверхности кристалла, которая всегда имеет место при обычной диффузии, но и обеспечивает максимальное участие атомов марганца в кластерообразовании (Mn)4 [2].
Установлены закономерности управления концентрацией и зарядовым состоянием наноразмерных кластеров (Mn)4 в зависимости от концентрации бора в исходном материале и условий легирования. При определенных соотношениях концентрации бора в исходном материале и концентрации марганца наноразмерные кластеры могут находится в зарядовых состояниях от (Mn)40 до (Mn)4+n , где n принимает значения от 1 до 8, то есть такие кластеры действуют как многозарядные центры, где каждому зарядовому состоянию соответствует определенный энергетический уровень с соответствующей энергией ионизации. Постепенная поочередная ионизация данных кластеров позволяет получить целый спектр энергетических уровней лежащих в определенном интервале энергии, то есть получить примесную энергетическую зону, которую практически невозможно создать по обычной технологии.
Состояние примесных кластеров и их влияние на свойства кремния в образцах исследовалась методом ЭПР на установке «Broker», фотопроводимость на установке ИКС-21. В отличие от других работ, в наших образцах спектры ЭПР связанные с состояниями Mn+(3d54s1) и Mn++ (3d54s0) практически не были обнаружены. Это можно связать с максимальным участием атомов марганца в образовании наноразмерных кластеров.
Исследование спектральной зависимости фотопроводимости образцов p-
Si<B,Mn> с (Mn показали аномально высокую фотопроводимость в области спектра примесного поглощения. Установлено, что фотоответ в таких материалах начинается при hv~0,4 эВ (Х=3 мкм) и с ростом энергии фотона фототок резко увеличивается и достигает своего максимального значения при hv~0,8 эВ (А=1,5 мкм). Это значение фототока практически не меняется до собственной области поглощения hv=1,2 эВ. Таким образом, в образцах с наноразмерными кластерами с максимальным зарядовым состоянием в области спектра Х=0,75^3 мкм наблюдается стабильная и аномально высокая фотопроводимость за счет генерации носителей заряда через примесные зоны создаваемые наноразмерными кластерами (Mn)4. Экспериментально установлено, что образцы с такими фотоэлектрическими свойствами полученные по новой технологии должны иметь р - тип проводимости и в них положение уровня Ферми должно быть в интервале Fp=[(Ev+0,4KEv+0,425) эВ].
Следует отметить, что примесные энергетические зоны многозарядных наноразмерных кластеров (Mn)4 в кремнии в отличие от примесных зон
изолированных атомов, имеют следующие особенности. Для образования примесных энергетических зон на основе наноразмерных кластеров
(Mn )4" не требуются большие концентрации примесных атомов (N>540^
см-3), наличие которых существенно изменяет свойства и дефектную структуру самого материала. Ширина полосы примесной энергетической
зоны на основе
(Mn )4" достаточно большая ДЕ-0,32 эВ, такие полосы в
запрещенной зоне не возможно образовать на основе изолированных атомов даже при их очень большой концентрации. В отличие от обычной полосы энергетической зоны, в случае (Mn )4", с изменением энергетических
уровней внутри полосы существенно меняется сечение захвата носителей заряда и сечение фотоионизации, так как в этом случае зарядовое состояние кластера меняется, такие кластеры действуют как многозарядные центры (Mn)41- (Mn)48. Это приводит с одной стороны к существенному увеличению времени жизни неосновных носителей заряда, а с другой стороны к максимальному поглощению ИК света, что и является основой увеличения эффективности работы солнечных элементов. Образование такой широкой энергетической полосы с дискретными энергетическими уровнями позволяет эффективно поглотить практически весь спектр инфракрасного излучения Солнца (Х=0,75^3 мкм) [4].
Для исследования спектральной зависимости изготавливались фотоэлементы в виде параллелепипедов имеющих размеры 0,5 см х 1 см при толщине 380 мкм. р-п переход фотоэлементов формировался диффузией фосфора из поверхностного источника. Поверхностная концентрация атомов
19 3
фосфора N8=10 см . Глубина р-п перехода составляла величину около 1 мкм. Токосъемные контакты создавались термическим напылением никеля через маску в вакууме, которые залуживались окунанием в припой ПОСК-50-18. Просветляющее покрытие не применялось.
|КЗ, А и, мВ
° /---\
: / \
10«, / \ / \
ю' ; /
■
""------
01 ОН ОЙ 1 17 14
1_,мкм
Рисунок 1 - Спектральная зависи-
мость тока короткого замыкания из-
готовленных фотоэлементов.
0.1 -I-1-1-1-1-,
0 4 0.6 0.8 1 1 2 1.4
Цмкм
Рисунок 2 - Спектральная зависимость напряжения холостого хода изготовленных фотоэлементов.
Спектральная чувствительность фотоэлементов изготовленных на основе материала КДБ 3 после формирования нанокластеров атомов марганца приведена на рисунках 1 и 2. На рисунке 1 представлена спектральная зависимость тока короткого замыкания фотоэлементов изготовленных на основе материала КДБ 3 после формирования нанокластеров атомов марганца, на рисунке 2 представлена спектральная зависимость напряжения холо -стого тех же фотоэлементов. Как видно из графиков спектральная чувствительность фотоэлементов после формирования кластеров примесных атомов увеличивается до 1,5 мкм смещаясь в ИК область спектра.
Подводя итог можно отметить, что разработка технологии получения солнечных элементов на основе кремния с наноразмерными кластерами позволит создать сверхвысокоэффективные солнечные элементы. Как показывают расчеты, при изготовлении солнечных элементов на основе кремния с наноразмерными кластерами и структурами, они будут иметь в условиях солнечного освещения КПД более 40%. При условии оптимизации технологии и выборе оптимальных режимов максимальный предел КПД составляет 60%.
Список литературы
1. Bakhadyrkhanov M.K., Isamov S.B., Iliev Kh.M., and Kamalov Kh.U. Anomalously Long Lifetime of Holes in Silicon with Nanoclusters of Manganese Atoms// Semiconductors, 2015, Vol. 49, No. 10, pp. 1332-1334.
2. Бахадырханов М.К., Исамов С.Б., Илиев Х.М., Камалов Х.У Аномально большое время жизни дырок в кремнии c нанокластерами атомов марганца // ФТП, 2015, том 49, № 10, С. 1376-1378.
3. Бахадырханов М.К., Сапарниязова З.М., Илиев Х.М., Исмайлов К.А. Взаимодействие многозарядных нанокластеров атомов марганца с атомами селена и теллура в кремнии // Неорганические материалы, 2015, том 51, № 8, С. 838-842.
4. Бахадирханов М.К., Илиев Х.М., Содиков УХ., Мавлянов А.Ш., Хаккулов М.К. Возможность формирования квантовых точек Si2Mn—(AIV) в решетке кремния // Шестая международная конференция «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов». Москва, 26-28 май 2015, С. 50.
J. Usmanov, assistant,
Sh.Nasriddinov, student,
B. Khamidov, student
Bukhara branch of the Tashkent Institute of Agricultural Irrigation and Mechanization, Republic of Uzbekistan, Bukhara
(E-mail: [email protected]) DEVELOPMENT OF PHOTO ELEMENTS BASED ON SILICON WITH NANOCLASTERS OF ATOMS OF MANGANESE
Abstract. Photocells based on monocrystalline silicon have been developed and fabricated by the formation in the crystal lattice of nanoscale clusters of manganese atoms, which make it possible to make full use of the infrared spectrum of the sun for the generation of sub-band photocarriers.
