Спосіб отримання сонячних елементів на монокристалічному кремнії з використанням нанорозмірного поруватого кремнію

Реферат: Спосіб отримання сонячних елементів включає використання поруватого кремнію як антивідбиттєвого покриття. При цьому порувату поверхню кремнію отримують шляхом електрохімічної обробки монокристалічних кремнієвих зразків у гальваностатичному режимі в електроліті з різними співвідношеннями HF:H2О:C2H5ОH=2:1:1. UA 116768 U (12) UA 116768 U UA 116768 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до способів досліджень з використання поруватого кремнію як + антивідбиттєвого покриття в сонячних елементах n -р типу з тонким (300 нм) емітером. Покращення антивідбиттєвих характеристик представлено в [В.Н. Голотюк. Мультикристаллический кремний в технологии фотоэлектрических преобразователей / В.Н. Голотюк, A.А. Мариненко, А.Н. Шмырева // Электроника и связь. - 2008. - 6 (47). - С. 15-23]. Розглянуті особливості виготовлення фотоелектричних перетворювачів на основі мультикристалічного кремнію, основні технологічні методи його отримання, способи оптимізації фізико-хімічних процесів (кислотне текстурування і плазмохімічне осадження нітриду кремнію) для досягнення високої ефективності перетворення сонячної енергії в електричну енергію на рівні 15,5 %. Відомий спосіб вивчення впливу хімічно модифікованої поверхні монокристалічного кремнію [Мельниченко М.М. Вплив хімічно модифікованої поверхні монокристалічного кремнію на антивідбиваючі характеристики / Мельниченко Μ.Μ. // Вісник Київського університету Серія: фізико-математичні науки. - 2009. - 2]. Встановлено, що використання тонких шарів наноструктурованого кремнію (3-60 нм), сформованих методом хімічного травлення на підкладках монокристалічного кремнію, для сонячних елементів приводить до покращення антивідбиваючих характеристик. Найближчим аналогом є застосовування замість традиційних антивідбиваючих покриттів шарів поруватого кремнію [Menna P. Porous silicon in solar cells: a review and a description of its application as an AR coating / Menna P., Francia G.Di, Ferrara V. // Solar Enegry Mater. & Solar Cells. - 1995. - 37 (1) - P. 13-24]. Автори огляду, присвяченого застосуванню поруватого кремнію як антивідбиваючого покриттєвого шару, зокрема переконливо продемонстрували, що шари поруватого кремнію, отримані ними хімічним травленням - приваблива альтернатива, що стосується відношення вартість-робочі параметри сонячних елементів (СЕ) на полікристалічному кремнії, у порівнянні з іншими підходами. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу досліджень по + використанню поруватого кремнію як антивідбиттєвого покриття в сонячних елементах n -р типу з тонким (300 нм) емітером. Для виготовлення сонячних елементів були використані пластини монокристалічного кремнію, вирощеного за методом Чохральского, леговані бором з питомим опором 0,2 Ом см, орієнтацією (100), товщиною 300 мкм, діаметром 75 мм. Хімічна обробка пластин виконувалась послідовно в перекисно-кислотній (НСl:Н2О2:Н2О=1:1:5) та перекисно-аміачній (ΝH4ΟH:H2O2:H2O=1:1:5) сумішах. Потім пластини промивались в деіонізованій воді та сушились + в центрифузі, n емітер створювався на фронтальній поверхні за допомогою одностадійної дифузії фосфору при температурі 850 С в однозонній дифузійній системі СД.ОМ-3/100-002. Як + дифузант використовували РОСl3. Товщина n шару становила 0,3 мкм, а поверхневий опір - 20 + Ом/кв. На тильній поверхні створювали p шар за допомогою одностадійної дифузії бору (дифузант ВВr3) при температурі 950 °C товщиною 1,0 мкм з поверхневим опором 55 Ом/кв. 2 Далі, дифузійні структури розрізались на зразки з площею 3×1,7 мм , оброблялись послідовно в сумішах H2SO4:H2O2=1:1 та HF:H2O=1:5, а потім промивались в деіонізованій воді та сушились в центрифузі. В експериментах використовувались 48 % фтористоводнева кислота та 96 % спирт. Як катод було використано платиновий дріт діаметром 0,3 мм. Електрохімічне травлення поверхні кремнієвих зразків здійснювалось в гальваностатичному режимі в електроліті з різними 2 співвідношеннями HF:H2Ο:C2Η5ΟH=2:1:1. Густина струму анодування становила 50 мА/см , а тривалість анодування - від 3 до 14 с. Товщина шарів поруватого кремнію в експериментах становила від 25 до 130 нм. Після анодування зразки обполіскували в деіонізованій воді, обдували в потоці гарячого азоту і зберігали в темряві. Частина зразків була використана для подальших досліджень структурних, фізичних та оптичних властивостей, а друга частина - для виготовлення сонячних елементів. Контактна сітка на фронтальній поверхні та суцільна плівка на тильній поверхні кремнієвого зразка створювались за методом магнетронного напилення алюмінієвої плівки -5 товщиною 1 мкм за тиском 710 Па на автоматизованому агрегаті безперервної дії Ораторія 2М з наступним відпалом при температурі 550 С протягом 15 хвилин. Після напилення алюмінію виконувалась фотолітографія з використанням лінії "Лада-125". Схематична структура кремнієвого сонячного елемента з шаром поруватого кремнію зображена на фіг. 1. За даними гравіметрії та електронно-мікроскопічних спостережень поруватість поруватого кремнію становила близько 50 %. Зразки були розподілені на дві групи: перша група складалась 1 UA 116768 U 5 10 15 20 25 30 35 з сонячних елементів, які містили поруватий кремній; друга група з сонячних елементів без поруватого кремнію. В кожній групі кількість сонячних елементів складала 16 шт. Результати вимірювання повного коефіцієнта відбиття (R), як функції довжини хвилі (λ), для сонячних елементів з різними товщинами шарів поруватого кремнію зображено на фіг. 2. Можна спостерігати явне збільшення поглинальної здатності поруватого кремнію із зростанням його товщини, що прямо свідчить про можливість використання цього матеріалу в сонячних елементах. Шар поруватого кремнію товщиною 130 нм має більшу розсіювальну здатність, ніж шари меншої товщини. Цей ефект можна пояснити тим, що в даному випадку розміри мікрокристалітів становлять не більше, ніж десята частка від довжини падаючої хвилі, а тому світло багато разів розсіюється на кристалітах всередині пор та майже повністю там захоплюється. При цьому збільшується відстань, яку долають промені світла в базі сонячного елемента. На фіг. 3 наведені експериментальні залежності струму короткого замикання (І кз) і напруги холостого ходу (Uxx) сонячних елементів з поруватим кремнієм товщиною 130 нм і поруватістю 50 % від температури. Температурний коефіцієнт напруги холостого ходу для сонячних елементів з поруватим кремнієм dUхх/dt дорівнює 2,5 мВ/град. Струм короткого замикання в сонячних елементах з поруватим кремнієм в температурних межах 20-100 С зростає приблизно на 6 %. Експериментальні вольт-амперні характеристики кремнієвих сонячних елементів з поруватим кремнієм товщиною 130 нм і поруватістю 50 % та без поруватого кремнію, виміряні 2 2 на зразках з площею 31,7мм при інтенсивності випромінювання 1000 Вт/м і температурі 18 °C наведені на фіг. 4. Значення струму короткого замикання у сонячних елементів з поруватим кремнієм збільшилось приблизно на 15 %, в той час як напруга холостого ходу залишилась незмінною. На наш погляд, певне поліпшення параметрів можна пояснити збільшенням активної площини поверхні поруватого кремнію, яка зменшує втрати світла на межі повітря кристал, та генерацією додаткових фотоносіїв в поруватому кремнії внаслідок більшої ширини забороненої зони ніж у монокристалічному кремнії. Перелік фігур креслення: Фіг. 1. Схематична структура кремнієвого сонячного елемента з шаром поруватого кремнію. Фіг. 2. Повний коефіцієнт відбиття, як функція довжин хвиль для полірованого кремнію (1) та шару поруватого кремнію з товщиною: 25 нм (2); 80 нм (3); 130 нм (4). Фіг. 3. Залежність струму короткого замикання (Ікз) і напруги холостого ходу (Uхх) сонячних елементів з поруватим кремнієм від температури. Фіг. 4. Вольт-амперні характеристики кремнієвих сонячних елементів з поруватим кремнієм та без поруватого кремнію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 1. Спосіб отримання сонячних елементів з використанням поруватого кремнію як антивідбиттєвого покриття, який відрізняється тим, що для отримання якісного покриття порувату поверхню кремнію отримують шляхом електрохімічної обробки монокристалічних кремнієвих зразків у гальваностатичному режимі в електроліті з різними співвідношеннями HF:H2О:C2H5ОH=2:1:1. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що товщину шарів поруватого кремнію в експериментах наближують до 130 нм. 2 UA 116768 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3