![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
В процессе выполнения НИР были исследованы следующие вопросы: • исследованы методы создания СЭ с использованием столбчатых структур (вискеров), сформированных методами магнетронного распыления, лазер-ным и фотоэлектрохимического травления; • пассивация кремниевого СЭ плазмохимическим методом; • текстурирования поверхности СЭ плазмохимическим методом; • легирование поверхности кремниевого СЭ плазмохимическим методом • текстурирования поверхности СЭ лазерным методом; • формирования проникающего эмиттера СЭ лазерным методом; 1. Основные результаты проекта. 1.1. Все разработки данного проекта были доведены до эксперименталь-ных образцов СЭ конструкции Laminated Grid Cell LGCell с электродами из на-ноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов и проволочны-ми контактами. В ходе работы было выявлено и изучено множество эффектов и закономерностей, но мы ограничимся изложением только наиболее важных ре-зультатов, относящимся к "конечным" параметрам структур и СЭ. Поскольку целью всех разработок данного проекта (текстурирование, пассивация, прони-кающий эмиттер) было увеличение КПД СЭ, причем, в первую очередь за счет увеличения фототока, то мы сразу определим мировой уровень фототока, кото-рый получен для самых высокоэффективных в мире, выпускаемых промыш-ленностью кремниевых СЭ (таблица1). Таблица 1 - Мировой уровень фототока для кремниевых СЭ. фирма СЭ фототок, мА/см2 Sanyo HIT, кремний Чохральского (Cz-Si) 38.84 SunPower Rear Contact Solar Cell, кремний Float zone 39.5 (active area) Эти СЭ изготовлены из моно- Si, текстурированного стандартными пирамида-ми, причем, СЭ от SunPower изготовлен из очень дорогого и самого высокока-чественного кремния Float zone, также и его активная поверхность не содержит контактов (т.е. это ток "active area"). 1.2. Впервые проведено моделирование оптических характеристик для кремниевых пластин, текстурированных глубокими V-образными проникаю-щими канавками. Обнаружено важное нетривиальное поведение зависимости поглощения от аспектного отношения канавки при глубине канавки более по-ловины толщины пластины. 1.3. Для уменьшения эффективного отражения Reff, взвешенного по сол-нечному спектру в диапазоне длин волн 300-1100 нм разработано текстуриро-вание Si-пластин методами фотоэлектрохимического травления, лазерным, а также плазменным, с помощью которых получены разнообразные структуры (рисунок 1) и результаты выше мирового уровня (таблица 2). a b c d e Рисунок 1 - SEM изображения структур, полученных в про-екте: (а) столбчатые структуры высотой ~10 мкм (фотоэлектро-химическое травление), (b) V-образные канавки глубиной >100 мкм (лазерный ме-тод), (с) структуры высотой ~40 мкм (лазерный метод), (d) матрица столбчатых структур высотой >100 мкм (лазер-ный метод), (e) гребневидные структуры высотой ~100 нм (плазменный метод). Таблица 2 - Результаты уменьшения эффективного отражения различными ме-тодами. метод, структура Reff, % щелочное травление, стандартные пирамиды (точка отсчета) 10.2 данный проект фотоэлектрохимическое травление, столбчатые структуры (вискеры) ~10 мкм 3.0 лазерный метод, V-образные канавки глубиной >100 мкм 4.5 лазерный метод, структуры высотой ~40 мкм 5.5 лазерный метод, матрица столбчатых структур (вискеров) высотой >100 мкм 7.9 плазмохимический метод, гребневидные структуры высотой ~100 нм 13.8 мировой уровень Laboratoire LP3 CNRS 2008, лазерная абляция (без травления) 6-9 University of New South Wales 2006, лазерная абляция, пирамиды <15 Fraunhofer ISE 2005, лазерная абляция сотовидных ячеек <20 IMEC 2000, кислотное текстурирование 22 ANU, Sandia, BP Solar 2004 , безмасочное реактивное ионное трав-ление 11 Fraunhofer ISE 2010 [ ] безмасочное реактивное ионное травление 16.5 1.4. СЭ конструкции LGCell, текстурированные столбчатыми структура-ми (вискерами, рисунок 1а), сформированными фотоэлектрохимическим трав-лением (таблица 3), показали более высокий КПД по сравнению с СЭ, тексту-рированными стандартными пирамидами, причем, именно за счет на 9% более высокого тока, который выше мирового уровня (таблица 1). Таблица 3 - Параметры СЭ, текстурированных столбчатыми структурами (вис-керами), сформированными фотоэлектрохимическим травлением. Isc - ток ко-роткого замыкания, Voc - напряжение холостого хода, FF - фактор заполнения. LGCell, гетеропереход IFO/(pp+)Cz-Si/ITO Jsc, мA/см2 Voc, мВ FF, % КПД, % #1180-1 38.88 574 63.9 14.3 #1180-4 лицо #1180-4 тыл 38.94 29.46 561 553 61.1 63.9 13.3 10.4 #1180-8 стандартные пирамиды 35.69 550 62.9 12.3 1.5. СЭ из mc-Si с поверхностью, текстурированной лазерным методом (рисунок 1с), также показали фототок выше мирового уровня (таблица 4). Таблица 4 - Параметры СЭ из mc-Si, текстурированного лазерным методом а также нетекстурированного образца сравнения, полученных в данном проекте в сравнении с мировым уровнем для СЭ из mc-Si, текстурированных лазерным методом. Voc, мВ Jsc, мA/см2 FF, % Eff, % СЭ с лазерным текстурированием 576 33.7 70.4 13.7 нетекстурированный СЭ (сравнение) 606 28.5 77.4 13.4 мировой уровень: Silesian University of Technology 576 28.8 72.0 11.9 Fraunhofer ISE 595 31.0 75.9 13.9 1.6. СЭ с поверхностью, текстурированной плазменным методом нано-размерными гребневидными структурами (рисунок 1е) менее эффективно уменьшают отражение, чем, например, лазерные методики и, соответственно, параметры нанотекстурированных СЭ ненамного выше нетекстурированных СЭ сравнения. Однако, отметим, что этот результат не имеет аналогов и даль-нейшее развитие работ позволит его улучить. Таблица 5 - Параметры СЭ IFO/(n+pp+)Si с поверхностью, нанотекстурирован-ной плазменным методом, в сравнении с СЭ, сделанными из той же пластины без текстурирования*. Параметр 1093-2а режим 1 1093-2b сравне-ние 1093-3a режим 2 1093-3b срав-нение Jsc, мА/см2 36.3 35.6 36.2 35.6 Voc, мВ 621 621 621 620 FF,% 78.5 78.3 77.7 78.4 КПД, % 17.70 17.3 17.42 17.3 1.7. СЭ с глубоким (>100 мкм) проникающим эмиттером в виде V-образных канавок (рисунок 1b), сформированных лазерным методом в различ-ных режимах показали рекордные значения фототока, превышающие мировой уровень, причем, как на активную площадь (SunPower), так и на полную пло-щадь (фирма Sanyo). Таблица 6 - СЭ с проникающим эмиттером без учета последовательного со-противлении. СЭ Jsc, мА/см2 Jsc **, мА/см2 Voc, мВ псевдо-FF***, % псевдо-КПД, % # 11-0 38.0 635.4 80.2 19.4** # 11-1 40.7* 39.5 616.0 77.9 19.5* # 11-2 40.1* 38.9 616.6 77.0 19.0* # 11-4 40.3* 39.1 610.5 76.2 18.7* # 11-5 39.8* 38.6 617.3 75.7 18.6* * на активную площадь, ** на полную площадь, *** из кривых Suns-Voc. 1.8. СЭ конструкции LGCell из mc-Si с применением плазмохимического метода пассивации (гидрогенизации) в водородной СВЧ плазме и в установке "горячая нить" (hot wire) показали параметры мирового уровня. Установлено, что гидрогенизация увеличивает параметры СЭ, в том числе длинноволновую чувствительность на 10-20%, т.е. эффективно пассивирует дефекты mc-Si. Таблица 7 - Параметры СЭ LGCell из mc-Si, полученных в проекте и в IMEC. Организация Jsc, мA/см2 Voc, мВ FF, % КПД, % НИИЯФ МГУ, 2009 г. 33.4 615 77.4 15.9 мировой уровень: IMEC, 2008 г. 33.6 610 78.5 16.1 1.9 СЭ конструкции LGCell на базе гетероперехода IFO/(pp+)Cz-Si, полу-ченные с применением плазмохимического легирования в водородной плазме емкостного двухчастотного вч разряда (DFCCP), продемонстрировали улучше-ние всех параметров преобразования: так кпд СЭ выросло на 0.6%. Таблица 8 - Параметры преобразования СЭ IFO/(pp+)Si/ITO до и после обра-ботки в водородной плазме DFCCP разряда. Параметр Исходный СЭ 1012 СЭ после обработки в плазме 1012-H Jsc, мА/см2 35.8 36.6 Voc, мВ 609 618 FF,% 71.9 72.2 КПД, % 15.7 16.3 1.10 Проведено экспериментальное и теоретическое исследование меха-низмов образования дефектов при взаимодействии плазмы с новыми пористы-ми материалами с низкой диэлектрической константой. Для определения перспективности применения материалов с пониженным значением диэлектрической постоянной в конструкциях солнечных элементов необходимо провести дополнительные исследования материалов различной пористости и состава. Отметим, что практически по всем направлениям работ проекта был по-лучен результат на мировом уровне и выше, причем результаты относятся к действующим образцам солнечных элементов. Таким образом, можно ожидать, что полученные результаты представляют большой практический интерес и создает существенный технологический задел для разработки перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлек-трических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из наноструктурированных пленок про-зрачных проводящих оксидов. Полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ и КП. 2. Создание объектов интеллектуальной собственности на отчетном этапе не планировалось и не проводилось. 3. К выполнению работ привлечены студенты физического факультета МГУ, аспиранты физического факультета МГУ и РАН, а также молодые специалисты – сотрудники НИИЯФ МГУ. Результаты НИР внедряются в образовательный процесс, в том числе они будут включены в программу 4-х спецкурсов, читае-мых в рамках НОЦ "Плазма в микро и нанотехнологии" и ведущей научной школы НШ-3322.2010.2, использоваться при выполнении преддипломных и дипломных работ и, в дальнейшем, подготовки диссертаций на соискание на-учной степени кандидата физико-математических наук. 4. В ходе выполнения проекта были защищены 1 докторская диссертация (Са-лихов Р.Б.) и 5 кандидатских диссертаций (Хайдуков Е.В., Кривченко В.А., Зы-рянов С.М., Волошин Д.А., Малыхин Е.М.). 5. По результатам проведенных исследований исполнители проекта, в том числе молодые ученые, аспиранты и студенты сделали 17 докладов на 13 конференциях, в том числе международных. Кроме того, опубликовано 7 статей
ФЦП: Федеральная целевая программа, Научные и научно-педагогические кадры инновационной России |
# | Сроки | Название |
1 | 1 июня 2009 г.-31 декабря 2009 г. | Разработка и исследование перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из нано-структурированных пленок прозрачных проводящих оксидов |
Результаты этапа: На 1 этапе выполнены следующие работы: - Проведен анализ научно-технической и патентной литературы в области солнечных элементов (СЭ). - Разработан лабораторный метод получения столбчатых структур (вискеров) кремния методом магнетронного распыления. - Проведен анализ лазерного метода для формирования проникающего эмиттера и текстурирования СЭ из кристаллического кремния. - Разработаны, изготовлены и исследованы экспериментальные образцы СЭ конструкции LGCell, полученные с применением плазмохимического метода пассивации. - Разработаны электроды из прозрачных проводящих оксидов для высокоэффективных двусторонних кремниевых солнечных элементов (внебюджет – грант РФФИ № 07-08-00378-а). - Исследованы нано-, микроструктурирование поверхности кремния лазерным методом и его применение к солнечным элементам (внебюджет – грант РФФИ № 09-08-01053-а). Анализ научно-технической литературы показал, что проводимые в проекте работы находятся в русле основных направлений исследований, проводимых в мире. Проведенный анализ патентной информации позволил выявить существующие аналоги, прототип и возможность создания новых объектов интеллектуальной собственности, а так же обосновать патентную чистоту создаваемого в процессе разработки объекта техники. Впервые получены и исследованы экспериментальные образцы СЭ из мультикристаллического кремния конструкции LGCell, а также изготовленные с применением плазмохимического метода пассивации в водородной плазме. Обнаружено, что обработка исходной (n+pp+)mc-Si структуры из мультикристаллического в водородной плазме приводит, как и ожидалось, к увеличению длинноволновой (> 700 нм) чувствительности СЭ. Однако, при этом обнаружен эффект появления "провала" на кривой спектральной чувствительность в области коротких длин волн (350-700 нм). В результате фототок СЭ уменьшается на 0.8-1.4 мА/см2 (3-4%). В ходе работ удалось разработать способ удаления "провала" на основе тонкого травления поверхности кремниевой структуры. В результате такого травления коротковолновая чувствительность восстанавливается, и фототок увеличивается на ~ 11%. В итоге, комбинация плазмохимической пассивации в водороде с тонким стравливанием приводит к увеличению фототока на ~7%. Эффект "провала" требует дальнейшего исследования. В ходе проведенных работ получены образцы СЭ из мультикристаллического кремния конструкции LGCell с КПД 15.9%, что находится на уровне лучших мировых результатов в сопоставимом классе СЭ из нетекстурированного мультикристаллического кремния, изготовленных методом Screen-Printing (~16%). В процессе выполнения 1 этапа НИР собран экспериментальный стенд для выращивания столбчатых структур (вискеров) кремния методом магнетронного распыления и разработан лабораторный метод получения столбчатых структур (вискеров) кремния методом магнетронного распыления. Исследовалась возможность формирования на поверхности кристаллического кремния методом магнетронного распыления столбчатых структур кремния; влияние основных параметров и типа плазмохимического реактора на основные функциональные характеристики пассивации экспериментальных образцов СЭ конструкции LGCell. Получены электроды из тонких пленок In2O3:F (IFO – Indium Fluorine Oxide) на кремниевых тестовых структурах методом pyrosol. Исследованы электрические, оптические и барьерные свойства IFO на структурах IFO/(nn+)Si и IFO/(pp+)Si. Исследованы пассивирующие свойства IFO на структурах IFO/(p+nn+)Si и IFO/(n+pp+)Si. Изучено влияние концентрации фтора, температуры осаждения, состава газа-носителя и последующих отжигов на электрические, барьерные и пассивирующие свойства. Получены и исследованы солнечные элементы (СЭ) с оптимизированными пленками In2O3:F. Проведено исследование морфологии, электрических и оптических свойств ITO(Indium-Tin-Oxide), осажденных на кремниевые и стеклянные подложки при различных температурах. Изучено влияние соотношения метанол/вода в пленкообразующем растворе на свойства ITO. Создание объектов интеллектуальной собственности на отчетном этапе не планировалось и не проводилось. К выполнению работ привлечены студенты физического факультета МГУ, аспиранты физического факультета МГУ и РАН, а также молодые специалисты – сотрудники НИИЯФ МГУ. Результаты НИР внедряются в образовательный процесс, в том числе они будут включены в программу спецкурсов, читаемых в рамках НОЦ "Плазма в микро и нанотехнологии" и ведущей научной школы НШ-133.2008.2, использоваться при выполнении преддипломных и дипломных работ и, в дальнейшем, подготовки диссертаций на соискание научной степени кандидата физико-математических наук. Таким образом, можно ожидать, что полученные результаты представляют большой практический интерес и создает существенный технологический задел для разработки перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из наноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов. Полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ и КП. По результатам проведенных исследований в 2009 году сделано 3 доклада на 24-й Европейской Конференции по фотовольтаическому преобразованию солнечной энергии (Гамбург, сентябрь 2009г.) и опубликована 1 статья в журнале Thin Solid Films. | ||
2 | 1 января 2010 г.-31 декабря 2010 г. | Разработка и исследование перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из нано-структурированных пленок прозрачных проводящих оксидов |
Результаты этапа: На этапе НИР "Разработка и исследование перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из нано-структурированных пленок прозрачных проводящих оксидов" выполнены следующие работы: - Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы СЭ на основе вискеров кремния; - Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы СЭ с поверхностью, текстурированной лазерным методом - Отработаны оптимальные режимы и параметры травления кремния в DF CCP и DF ICP реакторах с целью минимизации коэффициента отражения. Созданы и исследованы экспериментальные образцы СЭ с поверхностью, текстурированной плазменным методом; - Исследовано нано-, микроструктурирование поверхности кремния лазер-ным методом и его применение к солнечным элементам. Анализ научно-технической литературы показал, что проводимые в проекте работы находятся в русле основных направлений исследований, проводимых в мире. Предложен и разработан лазерный метод формирования матрицы столбчатых структур (вискеров) для создания солнечного элемента (СЭ), основанный на лазерном скрайбировании двух перпендикулярных массивов параллельных канавок сначала вдоль оси Х, а затем вдоль оси Y, в результате чего формируется матрица столбчатых структур, которые имеют пирамидальную форму. Для скрайбирования использовали промышленный импульсный иттербиевый волоконный лазер с длиной волны излучения 1.06 мкм фирмы "ЭСТО" (г. Зелено-град). Исследованы важные закономерности изменения формы, геометрических параметров и спектров отражения получаемых структур в зависимости от: - скорости и шага сканирования, а также от количества проходов лазерного луча; - типа травителя (кислотный и щелочной), использованного для удаления индуцированного нарушенного слоя, а также от длительности травления; - от нанесения пленки легированного фтором оксида индия (IFO), которая в конструкции солнечного элемента служит прозрачным электродом и одновременно просветляющим покрытием. В результате получены структуры в виде V-образных канавок и матрицы пирамидальных столбчатых структур (вискеров), которые после оптимального кислотного травления и нанесения пленки IFO показали эффективное отражение света 3.4% (вискеры) и 2.5% (канавки), что даже меньше, чем отражение от обычной пирамидальной текстуры (3.6%). Результат, который не имеет аналогов, состоит в том, что впервые получены и исследованы солнечные элементы (СЭ) из кристаллического кремния, структурированного матрицей столбчатых структур методом лазерного скрайбирования, конструкции Laminated Grid Cell (LGCell) на основе гетероперехода IFO/р-Si. Установлено, что в длинноволновой области чувствительность полученных СЭ оказалась выше, чем у СЭ из кремния 0.4 Ом∙см, текстурированного стандартными пирамидами. Фототок полученных СЭ составил 30.1 мА/см2. Сделан вывод, что введение диффузии фосфора для формирования сплошного p-n перехода, а также адаптация процесса нанесения пленки IFO с целью обеспечения равномерного роста пленки IFO по всей поверхности столбчатой структуры должно привести к деактивации участков поверхности, на которых не прошел синтез пленки IFO и, соответственно, увеличению параметров преобразования СЭ. Разработан лазерный метод текстурирования пластин мультикристаллического кремния, на основе которых получены СЭ с параметрами мирового уровня. Показано, что импульсное лазерное излучение длиной волны 532 нм с плотностью энергии 3.5 J/cm2 позволяет сформировать матрицу типичных структур типа "пингвинов" ("penguin-like") с аспектным отношением ≥3 (глубина к ширине). Взвешенное отражение достигает значений менее 3 % непосредственно после текстурирования и увеличивается до 5.5 % после кислотного травления, но за-тем опять уменьшается до ~3% в результате нанесения пленки IFO. В результате фототок вырос 33.7 mA/cm2 (+18%). Это наименьшее отражение и наибольший фототок, которые были достигнуты до настоящего времени с помощью лазерных методов текстурирования другими группами, включая Fraunhofer ISE и University of New South Wales.Дальнейшие работы по адаптации процесса диффузии должны привести к значительному увеличению эффективности СЭ. Впервые получены СЭ из кристаллического кремния, нанотекстурированные плазмохимическим методом с применением наномаски из нитрида кремния, которую получали скользящей бомбардировкой кремниевой пластины ионами азота. Параметрами процесса можно управлять периодом и высотой получаемых наноструктур. Для изготовления СЭ использовали структуры высотой ~150 нм с аспектным отношением (высота к ширине) ~2. В сочетании с конструкцией LGCell это позволило получить СЭ с эффективностью ~17.5%. Однако, полученные результаты обнаружили, что нанотекстурирование поверхности кремния, которое в данной работе получено плазменным методом с применением наномаски, не приводит к ожидаемому значительному увеличению эффективности СЭ, которое выросло всего на ~0.1% за счет увеличения фототока. Возможно, эффект будет более значимым, если увеличить геометрические размеры формируемых структур. Тем не менее, основной результат – СЭ с нанотекстурированной поверхностью – не имеет аналогов. Создание объектов интеллектуальной собственности на отчетном этапе не планировалось и не проводилось. К выполнению работ привлечены студенты физического факультета МГУ, аспиранты физического факультета МГУ и РАН, а также молодые специалисты – сотрудники НИИЯФ МГУ. Результаты НИР внедряются в образовательный процесс, в том числе они будут включены в программу спецкурсов, читаемых в рамках НОЦ "Плазма в микро и нанотехнологии" и ведущей научной школы НШ-3322.2010.2, использоваться при выполнении преддипломных и дипломных работ и, в дальнейшем, подготовки диссертаций на соискание научной степени кандидата физико-математических наук. Таким образом, можно ожидать, что полученные результаты представляют большой практический интерес и создает существенный технологический задел для разработки перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из наноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов. Полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ и КП. По результатам проведенных исследований исполнители проекта, в том числе молодые ученые, аспиранты и студенты сделали 17 докладов на 10 конференциях, в том числе: - 4 доклада на 25-й Европейской Конференции по фотовольтаическому преобразованию солнечной энергии (Валенсия, сентябрь 2010 г.); - 3 доклада на 3-м Международном симпозиуме по прозрачным проводящим материалам ISTCM 2010 (Греция, Крит, октябрь 2010 г.); - 3 доклада на VIII-й Курчатовской молодежной научной школе (22-25 ноября 2010); - 1 доклад на 16-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-16 (Волгоград, 2010); - 1 доклад на международной конференции “Fundamentals of Laser Assisted Mi-cro- and Nanotechnologies” (FLAMN-10), (Санкт-Петербург, Пушкин, 2010); - 1 доклад на International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) and The Lasers, Applications, and Technologies (LAT) conference (ICONO/LAT 2010), (Казань, 2010); - 1 докдад на международной конференции Advanced Laser Technologies (ALT’10) (Egmond aan Zee, the Netherlands, 2010); - 1 доклад на 25й Международной Конференции студентов физиков (ICPS) (Австрия, июль 2010 г.) - 1 доклад на III Международном форуме по нанотехнологиям RUSNANOTECH (Москва, 2010); - 1 доклад на XIII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и IV Всероссийской Школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований»" (Пансионат «Звенигородский», 14−18 ноября, ФИАН, Москва, 18-19 ноября 2010 года) Кроме того, посланы и приняты к печати 5 статей, в том числе: - 1 статья в журнале Thin Solid Films, - 1 статья в журнале Appl. Phys. B, - 2 статья в журнале SPIE Proceedings, - 1 статья в журнале Известия вузов. Приборостроение | ||
3 | 1 января 2011 г.-1 сентября 2011 г. | Разработка и исследование перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из нано-структурированных пленок прозрачных проводящих оксидов |
Результаты этапа: На этапе НИР "Разработка и исследование перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из нано-структурированных пленок прозрачных проводящих оксидов" выполнены следующие работы: - Оптимизация структуры СЭ на основе вискеров с использованием результаов, полученных на предыдущих этапах. - Изготовление и исследование экспериментальных образцов СЭ с проникающим эмиттером, сформированным лазерным методом. - Разработка плазмохимического метода легирования поверхности кремния, изготовление и исследование экспериментальных образцов СЭ, полученных с применением плазменного легирования. - Составление отчета о НИР. - Проведение технико-экономической оценки полученных результатов. - Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс. - Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов образования дефектов при взаимодействии плазмы с новыми пористыми материалами с низ-кой диэлектрической константой. Анализ научно-технической литературы показывает, что проводимые в проекте работы находятся в русле основных направлений исследований, проводимых в мире. Для формирования матрицы столбчатых структур (вискеров) исследовано применение метода на основе фотоэлектрохимического травления пластин кристаллического кремния с целью создания солнечного элемента (СЭ). Исследовано влияние основных параметров режима фотоэлектрохимического травления кремниевых пластин (температура, величина тока, длительность процесса) на морфологию получаемой поверхности и спектры отражения света в рабочем диапазоне длин волн кремниевого солнечного элемента 300-1100 нм. Установлено, что повышение температуры раствора приводит к увеличению отражения света. Возможно, это связано с тем, что увеличение температуры приводит к увеличению скорости травления и формируемые на начальных эта-пах структуры (рисунок 1.6а) затем деградируют в результате перетравливания. Оптимальное время травления с точки зрения минимизации отражения света для токов 50, 20 и 10 мА (на площадь диаметром 2 см) составляет, соответственно, ~ 10 мин, 10-20 мин и 30-40 мин, а эффективное отражение оптимальных образцов составило 5.1%, 3.1-4.6% и 3.6-4.3%. Однако, при фотоэлектрохимическом структурировании пластин кристаллического кремния могут получаться механически хрупкие структуры. Хрупкость структур возрастает при увеличении тока и продолжительности травления. Наиболее прочными оказались структуры, полученные при токе 20 мА и дли-тельности травления 5 минут. Результат, который не имеет аналогов, состоит в том, что впервые получены и исследованы солнечные элементы конструкции LGCell на основе гетероперехода IFO/р-Si из кристаллического кремния, структурированного матрицей столбчатых структур методом фотоэлектрохимического травления при токе 20 мА длительностью 5 минут. Полученные для спектра АМ 1.5 G величины фото-тока СЭ составили 38.88 и 38.94 мА/см2, что на 9% больше, чем у СЭ сравнения, текстурированного стандартными пирамидами (35.7 мА/см2). Увеличение тока получен исключительно за счет прироста длинноволновой чувствительно-сти, который в области длин волн 1000-1060 нм превысил 20%. Такое поведение кривых спектрального отклика свидетельствует, что столбчатые структуры, которые получены фотоэлектрохимическим травлением, более эффективно преломляют падающий свет, чем стандартные пирамиды, поскольку обладают более высоким аспектным отношением, что приводит к усилению эффекта пленения света, к которому максимально чувствителен именно длинноволновой отклик. Разработаны режимы процесса изготовления и исследованы солнечные элементы конструкции LGCell из кристаллического кремния с глубоким (> 100 мкм) проникающим эмиттером в виде V-образных канавок, сформированных методом лазерного скрайбирования параллельных канавок с последующим химическим травлением. Установлено, что структуры, сформированные лазерным скрайбированием кристаллического кремния с последующим кислотным травлением, имеют явно выраженную форму V-образной канавки. Глубина канавок растет с увеличением количества проходов по логарифмическому закону. Глубина порядка 100 мкм формируется уже за 15-20 проходов при тех параметрах процесса лазерного скрайбирования, которые были использованы в эксперименте: длина волны 1.06 мкм, мощность 20 Вт, частота 80 кГц, скорость сканирования 1500 мм/с. Исследовано влияние времени травления структур с V-образными канавками, скрайбированными лазерным методом, на спектры отражения света. Получено, что структура из кристаллического кремния с V-образными канавками после оптимального кислотного траления имеет эффективное отражение на уровне 7% (взвешенное по солнечному спектру в диапазоне длин волн 300-1100 нм). Оптимальное травление соответствует точке исчезновения плато между канавками с образованием остроконечных "лезвийных" стенок и V-образных канавок с аспектным отношением 1.2-1.6. Дальнейшее травление уменьшает аспектное отношение до 0.7-1.0 и, соответственно, отражение увеличивается. Изучение влияния количества проходов лазерного луча при формировании канавок в пластинах кристаллического кремния лазерным скрайбированием на параметры канавок и на спектры отражения кремниевых пластин показало, что по мере увеличения количества проходов от 5 до 20 происходит изменение формы канавок от цилиндрообразных с округлым дном (5 проходов) до V-образных (15, 20 проходов). Одновременно аспектное отношение канавок рас-тет с ~1 до 1.3-1.8, а плато между канавками, которое для пяти проходов составляет ~15 мкм исчезает при 15 проходах с образованием остроконечных "лезвийных" стенок. Эффективное отражение уменьшается с ~20% (5 проходов) до ~7% уже при 15 проходах и остается на этом уровне при 20 проходах. Таким образом, при лазерном формировании V-образных канавок для достижения минимального отражения света достаточно 15-20 проходов при тех параметра процесса, которые были использованы в данном эксперименте. Исследовано влияние энергии импульса лазерного излучения на аспектное отношение формируемых канавок и на спектр отражения света как до, так и после нанесения пленки просветляющего покрытия (IFO). Установлено, что увеличение энергии импульса лазерного излучения на 25% с 250 мкДж (частота 64 кГц, скорость сканирования 1200 мм/с) до 312 мкДж (частота 51.2 кГц, скорость сканирования 900 мм/с) приводит к увеличению аспектного отношения канавок в среднем на 20% с 1.3-1.7 до 1.4-2.2. Непосредственно после скрайбирования и травления пластина, которая была структурирована канавками с более высоким аспектным отношением, т.е. большей энергией импульса (#10-2, 312 мкДж), показала отражение меньше на ~1.5%, чем пластина, структурированная меньшей энергией импульса (#10 1, 250 мкДж). Однако, после нанесения пленки IFO эффективное отражение этих образцов становится практически одинаковым (2.09 и 2.14%). Отметим, что отражение от образца сравнения, текстурированного стандартными пирамидами и также с пленкой IFO, выше и составило 3.34%. Причем, особенно сильно стандартные пирамиды уступают V-образным канавкам по величине отражения в коротковолновой области (350-600 нм). Изготовлены и исследованы СЭ из кремниевых пластин, структурированных глубоким (> 100 мкм) проникающим эмиттером в виде V-образных канавок, сформированных лазерным методом. Использовали энергию импульса 312 и 400 мкДж, канавки скрайбировали с шагом 60 и 70 мкм, в результате плотность вложенной при лазерном скрайбировании энергии составила 357, 417, 457 и 533 Дж/см2. Установлено, что уменьшение плотности вложенной энергии приводит к улучшению всех параметров СЭ (таблица): Таблица: параметры СЭ с проникающим V-образным эмиттером и СЭ сравнения, текстурированного стандартными пирамидами. параметр V-канавки пирамиды # СЭ #11-1 #11-2 #11-4 #11-5 #11-0 шаг, мкм 70 70 60 60 - энергия импульса, мкДж 312 400 312 400 - вложенная энергия, Дж/см2 357 457 417 533 - глубина V-канавки, мкм 110 120 110 120 аспектное отношение 1.56 1.7 1.85 2.0 0.71 эффективное отражение,.% 2.7 3.3 2.9 3.8 3 фактор неидеальности n* 1.9 2.1 2.2 2.3 1.7 фототок EQE, мА/см2 40.7 40.1 40.3 39.8 38.0 фототок IQE, мА/см2 41.7 41.5 41.4 41.3 40.9 Uoc, мВ 616.0 616.6 610.5 617.3 635.4 псевдо-FF, % 77.9 77.0 76.2 75.7 80.2 псевдо-КПД, % 19.5 19.0 18.7 18.6 19.4 Сравнение показывает, что полученный в данной работе СЭ LGCell, изготовленный из пластин кремния Чохральского, структурированных лазерным методом V-образным проникающим эмиттером, показал фототок 40.7 мА/см2 на активную площадь и 39.5 мА/см2 на полную площадь, что выше, чем СЭ фирмы Sanyo, и не уступает параметрам СЭ фирмы Sun Power. Однако, отметим, что СЭ SunPower изготовлен из кремния Float zone (дорогого и самого высококачественного), а наш СЭ – из обычного кремния Чохральского. Это наиболее важный, результат данной работы. Кроме того, показано, что из пластин кристаллического кремния, структурированных глубоким проникающим эмиттером в виде V-образных канавок лазерным методом можно получить СЭ с КПД до 19.5%, что является чрезвычайно высоким уровнем для данного класса СЭ. Причем этот результат является предварительным и очевидно, что дальнейшая оптимизация режима лазерного скрайбирования позволит значительно повысить этот результат за счет увеличения как напряжения холостого хода, так и фактора заполнения. Разработан плазмохимический метод легирования поверхности кремния водородом в водородной плазме для получения СЭ из кристаллического кремния. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы СЭ, полученные с применением плазменного легирования. Изучено влияние обработки водородной плазмой DFCCP разряда структур (pp+)Cz-Si. Получены p-n переходы на поверхности p-Si c Uoc~400мВ и FF ~80%. Сделан вывод о нецелесообразности напыления пленки IFO на обрабо-танные структуры с целью создания СЭ из-за эффекта уменьшения итоговых Uoc и FF структуры. Впервые исследовано влияние обработки в водородной плазме на свойства гетероперехода IFO/(pp+)Cz-Si. Подобран режим обработки в водородной плазме DFCCP разряда, обеспечивающий существенное увеличение фотонапряжения и FF структуры. В ходе плазмохимической обработки улучшены параметры пре-образования СЭ со структурой IFO/(pp+)Si/ITO: так кпд СЭ выросло на 0.6% . Исследовано влияние обработки в водородной плазме DFCCP разряда на свойства солнечного элемента на базе (n+pp+)Cz-Si структуры. Обнаружен эффект резкого увеличения слоевого сопротивления эмиттера во всех режимах обработки. Определен оптимальный режим обработки для улучшения пассивации поверхности n+ эмиттера. Созданы экспериментальные образцы СЭ со структурой IFO/(n+pp+)Si/ITO, проведено сравнение их параметров преобразования с СЭ из необработанных в плазме структур. В ходе плазмохимической обработки улучшена спектральная чувствительность СЭ со структурой IFO/(pp+)Si/ITO на 0.22 мА/см2. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование механизмов образования дефектов при взаимодействии плазмы с новыми пористыми материалами с низкой диэлектрической константой. Показано, что кислородная плазма приводит к удалению углерода и таким образом индуцирует модификацию O-Si-O матрицы пленки, образуя свободные связи, на которых происходит адсорбция радикалов (в обычной атмосфере это О-Н группы). Избежать образования и накопления дефектов, т.е. изменения структуры за счет удаления атомов и образования свободных связей, возможно благодаря эффекту "запечатывания» пор в верхнем слоя SiOCH пленок в Не плазме высокой частоты. "Запечатывание» пор происходит за счет уплотнения верхнего слоя и образования новых прочных С-С и Si-С связей на границах и внутри пор вследствие ионной бомбардировки, что препятствуют проникновению радикалов внутрь пленки. Для определения перспективности применения материалов с пониженным значением диэлектрической постоянной в конструкциях солнечных элементов необходимо провести дополнительные исследования материалов различной пористости и состава. Создание объектов интеллектуальной собственности на отчетном этапе не планировалось и не проводилось. К выполнению работ привлечены студенты физического факультета МГУ, аспиранты физического факультета МГУ и РАН, а также молодые специалисты – сотрудники НИИЯФ МГУ. Результаты НИР внедряются в образовательный процесс, в том числе они будут включены в программу спецкурсов, читаемых в рамках НОЦ "Плазма в микро и нанотехнологии" и ведущей научной школы НШ-3322.2010.2, использоваться при выполнении преддипломных и дипломных работ и, в дальнейшем, подготовки диссертаций на соискание научной степени кандидата физико-математических наук. Таким образом, можно ожидать, что полученные результаты представляют большой практический интерес и создает существенный технологический задел для разработки перспективных конструкций кремниевых солнечных фотоэлектрических преобразователей с использованием плазмохимических и лазерных технологических методов и электродов из наноструктурированных пленок прозрачных проводящих оксидов. Полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ и КП. По результатам проведенных исследований исполнители проекта подготовили 5 докладов на 26-й Европейской Конференции по фотовольтаическому преобразованию солнечной энергии (Гамбург, сентябрь 2011 г.); Кроме того, в 2011 г. опубликованы 5 статей в журналах: - Физика и техника полупроводников, 45 (10) (2011) 1410-1416. Г.Г. Унтила, А.П. Палов, А.Ю. Поройков, Т.В. Рахимова, Ю.А. Манкелевич, Т.Н. Кост, А.Б. Чеботарева, В.В. Дворкин. Моделирование оптических свойств кремние-вых солнечных элементов, текстурированных V-образными проникающими канавками. - Физика и техника полупроводников, 45 (3) (2011) 379-386. Г.Г. Унтила, Т.Н. Кост, А.Б. Чеботарева, М.Э. Белоусов, В.А. Самородов, А.Ю. Поройков, М.А. Тимофеев, М.Б. Закс, А.М. Ситников, О.И. Солодуха. Солнечные элементы конструкции LGCell из мультикристаллического кремния. Применение обработки атомарным водородом. - Теплоэнергетика, 11 (2011) 47-60. Г.Г. Унтила, М.Б. Закс. Кремниевая фото-энергетика: состояние и основные направления развития. - Известия вузов. Приборостроение. 2011, т. 54, №2. с. 26-32. Хайдуков, Е.В., Храмова, О.Д., Рочева, В.В., Зуев, Д.А., Новодворский, О.А., Лотин, А.А., Паршина, Л.С., Поройков, А.Ю., Тимофеев, М.А., Унтила Г.Г. Лазерное текстурирование кремния для создания солнечных элементов. - Proc. of SPIE. 2011. Vol. 7994 79940V. doi: 10.1117/12.881756. D.A. Zuev, O.A. Novodvorsky, E.V. Khaydukov, O.D. Khramova, A.A. Lotin, L.S. Parshina, V.V. Rocheva, V.Ya. Panchenko, A.Yu. Poroykov, G.G. Untila, A.B. Chebotareva, T.N. Kost, M.A. Timofeev. Formation of low-reflection multicrystalline silicon surface by laser– induced structuring for application on silicon solar cells. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".