CC BY
107
Б.А. Абдурахманов, Х.М. Илиев, С.А. Тачилин, А.Р. Тошев, Б.Э. Эгамбердиев
ВЛИЯНИЕ МИКРОГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЙ НА ПАРАМЕТРЫ КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ташкентский государственный технический университет, ул. Университетская-2, г. Ташкент, 100095, Республика Узбекистан, mavlonov [email protected]
Технологические методы изготовления и используемые полупроводниковые материалы для разработки эффективных солнечных элементов (СЭ) со стабильными параметрами и максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) в настоящее время практически достигли своего предела. Для дальнейшего повышения основных параметров СЭ необходимо использовать принципиально новые полупроводниковые материалы или новые физические явления. В этом плане реальным способом повышения параметров СЭ является использование монокристаллических фотопреобразователей на основе внутренних гетеропереходов германий-кремний [1-8], которые открывают широкие возможности в конструировании наногетеросистем для приборов фотовольтаики нового поколения.
Для системы Ge/Si в Институте физики полупроводников СО РАН разработаны методы [6, 7] получения массивов квантовых точек Ge, распределенных на атомарно-чистой поверхности Si. Объединение плотного массива нанокластеров в объеме полупроводниковой матрицы квантовым транспортом носителей заряда в единую электронно-дырочную подсистему позволяет говорить о появлении нового класса полупроводников с промежуточной или отщепленной разрешенной зоной [8]. Теоретические оценки показывают, что при низкой себестоимости производства эффективность преобразования излучения в электричество для таких материалов может достигать 60%. Поэтому становится весьма актуальным исследование возможности синтеза материала с кластерами Ge в кремниевой матрице и изготовления СЭ на его основе.
Для исследований использовался монокристаллический кремний марки КЭФ, выращенный по методу Чохральского, с удельным сопротивлением от 0,5 до 1 Омсм и концентрацией кислорода 1018 см-3. Диффузия германия проводилась по специально разработанной технологии низкотемпературной диффузии [9]. Содержание атомов германия и их распределение по глубине исследовались с помощью рентгеновского микрозондового анализа Jeol Super Probe JXA-8800 R/RL.
На рис. 1 представлено распределение атомов германия в приповерхностной области полученных образцов. Как видно из рисунка, до глубины 1 мкм на поверхности содержание атомов германия больше, чем атомов кремния, то есть получается варизонная структура на основе непрерывного твердого раствора Si1_xGex с х>0,5, дальше содержание атомов германия резко снижается и при d>3 мкм уменьшается настолько, что из-за ограниченности чувствительности прибора их содержание трудно определить. Управляя скоростью нагрева между этапами диффузии и выбирая параметры этапов в процессе диффузии, удается получить твердый раствор Si1-xGex с необходимой толщиной и составом. Таким образом, в кремнии можно получить варизонную структуру на основе непрерывного твердого раствора Sii_xGex со значением х от 0 до 1.
I, от.ед.
Рис. 1. Распределение атомов германия в приповерхностной области
© Абдурахманов Б.А., Илиев Х.М., Тачилин С.А., Тошев А.Р., Эгамбердиев Б.Э., Электронная обработка материалов, 2010, № 5, С. 124-126.
Рис. 2. Фотография приповерхностной области кремния, легированного Ge, после отжига при Т=850 °С в течение трех часов
Установлено, что дополнительный отжиг полученных образцов при температурах 700-1050 °С позволяет образовывать микрогетеропереходы 81/8Юе/81 в решетке кремния. При этом существенную роль играют конкретная температура и время дополнительного термоотжига. Экспериментально установлено, что для образования микрогетеропереходов 81/8Юе/81 оптимальным является термоотжиг при температуре 850°С в течение трех часов. На рис. 2 представлено перераспределение атомов германия в приповерхностной области кремния, а также образование кластеров германия после дополнительного отжига при температуре 850°С. Результаты экспериментов показывают, что структурой, концентрацией и размерами кластеров атомов германия можно управлять как по поверхности, так и по толщине.
На основе полученного материала с микрогетеропереходами 81/8Юе/81 изготавливались СЭ, p-n переход которых формировался диффузией бора с использованием пластин нитрида бора. Глубина р-п перехода составляла 0,5 мкм. Токосъемные контакты создавались термическим напылением никеля через маску в вакууме, которые залуживались окунанием в припой ПОСК-50/18. В качестве просветляющего покрытия применялся слой 8Ю2 толщиной 1000 А. Фотоэлементы изготавливались в виде параллелепипедов, имеющих размеры (1,5 х 2) см при толщине 380 мкм.
Параметры изготовленных солнечных элементов
№ п/п КПД солнечных элементов (%)
Контрольные солнечные элементы без Ое на основе 81 <Р> Солнечные элементы на основе 81 <Р;Ое>
без 81/8Юе/81 микрогетеропереходов с 81/8Юе/81 микрогетеропереходами (3х105 см-2 поверхностная плотность кластеров)
1. 16,1 16,9 18,6
2. 16,3 16,7 18,8
3. 15,9 16,8 18,7
4. 16,2 16,5 18,5
5. 16,2 16,9 18,9
6. 16,1 16,8 18,5
Для проведения измерений в одинаковых условиях использовался имитатор солнечного излучения, изготовленный на основе лампы накаливания с корректирующим фильтром. В таблице приведены параметры СЭ без атомов германия, параметры СЭ с атомами германия без образования кластеров и параметры СЭ с кластерами германия после дополнительного отжига в течение трех часов
при температуре 850°С, приводящего к образованию микрогетеропереходов Si/SiGe/Si в кристаллической решетке кремния. Измерение параметров СЭ проводилось при плотности мощности излучения 800 Вт/м2 и температуре СЭ 200С. Как видно из таблицы, эффективность работы СЭ с микрогетеропереходами SiGe на 2,5% выше параметров СЭ без германия, а также выше параметров солнечных элементов, содержащих германий, но не подвергнутых кластерообразующему отжигу в оптимальном режиме.
Увеличение эффективности работы СЭ обусловлено, с одной стороны, стабилизацией исходных параметров Si легированного Ge, а с другой стороны, поглощением микрогетеропереходами Si/SiGe/Si ИК спектра солнечного излучения. Также мы предполагаем, что вклад в фототок дают суб-зонные кванты, генерируемые отдельными связями Si-Ge вне кластеров. Данное утверждение подтверждается спектральной характеристикой изготовленных СЭ, на которой фоточувствительность СЭ с кластерами атомов германия смещается в сторону ИК области с энергией квантов 0,67 эВ.
В результате анализа полученных результатов исследования можно сделать вывод, что в материале Si<P,Ge>, содержащем кластеры германия, образуется структура с микрогетеропереходами Si/SiGe/Si, которая способна поглощать излучение солнечного спектра, начиная с энергии квантов 0,67 эВ. Полученные экспериментальные результаты показывают, что оптимальной является концентрация легирования кремния Ge 1,5-1020 см-3 с последующим термоотжигом образцов при температуре 850°С в течение трех часов. В образцах с аналогичной концентрацией атомов германия, но не подвергнутых дополнительному термоотжигу такого эффекта не наблюдается. При концентрации легирования кремния Ge более 1,5-1020 см-3 параметры солнечных элементов вне зависимости от температуры и времени дополнительного термоотжига резко ухудшаются и становятся невоспроизводимыми.
ЛИТЕРАТУРА
1. ЧаплыгинЮ.А. Нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 444 с. 2005.
2. Hermann G. Grimmeiss “Silicon-germanium - a promise into the fUture?” // ФТП, 33, 9, 1032-1034. (1999).
3. Помозов Ю.В., Соснин М.Г., Хируненко Л.И., Яшник В.И., Абросимов Н.В., В.Шрёдер, Хёне М. Кислородсодержащие радиационные дефекты в Sii_xGex // ФТП, 34, 9, 1030-1034. 2000.
4. Саидов А.С., Кутлимуратов А., Сапаев Б., Давлатов У.Т. Спектральные и вольт-амперные характеристики Si-Si1-xGex гетероструктур, полученных методом жидкофазной эпитаксии // Письма в ЖТФ, 27, 8, 26-35. 2001.
5. Антонова И.В., Соотс Р.А., Принц В.Я. Спектр электронных уровней и заселенность квантовых ям и квантовых точек в пассивированных гетероструктурах на основе Si и Ge // Сборник трудов VI международной конференции «Кремний - 2009», 7-10 июля 2009, Россия, Новосибирск.
6. Марков В.А., Пчеляков О.П., Соколов Л.В., Стенин С.И., Стоянов С. МЛЭ с синхронизацией зарождения. Поверхность, 4, 70-76 (1991).
7. Markov V.A., Pchelyakov O.P., Sokolov L.V., Stenin S.I., Stoyanov S.S. Molecular beam epitaxy with synchronization ofoucleation. Surface Science, 250, 1-3, 229-234, (1991).
8. Пчеляков О.П., Никифоров А.И., Паханов Н.А., Чикичев С.И., Якимов А.И. Перспективные наногетероструктуры на кремнии для фотовольтаики // Сборник трудов VI международной конференции «Кремний - 2009», 10 июля 2009, Россия, Новосибирск.
9. Абдурахманов Б.А., Бахадырханов М.К., Илиев Х.М., Насриддинов С.C. О диффузии атомов германия в кремний // ДАН РУз. № 1. 2008. С. 18-20.
Поступила 04.05.10
Summary
It is established, that annealing at 850 °C the monocrystal silicon doped with germanium, reduce to the formation internal microheterojunctions Si/SiGe/Si, which enhancement of efficiency to 2,5 % of solar cells made on its basis.
