Спосіб отримання сонячних елементів на пористому кремнію

Реферат: Спосіб отримання сонячних елементів на пористому кремнію методом фотолітографії. Технологічний процес включає формування на підкладці кремнію n-типу провідності суцільного шару n-типу провідності, легованого сурмою, нарощування епітаксійного шару n-типу товщиною 0,2-0,5 мкм, формування маскуючого шару нітриду кремнію, створення в маскуючому шарі методом фотолітографії рисунка монокристалічних областей, плазмохімічне травлення + епітаксійного шару до прихованого n-шару, перетворення n - прихованого шару в пористий кремній шляхом його селективного анодування на основі фтористоводневої кислоти HF. UA 85399 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА ПОРИСТОМУ КРЕМНІЮ UA 85399 U UA 85399 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до способів виготовлення сонячних елементів на пористому кремнії, а саме формування на монокристалічному кремнії рельєфної поверхні з одного боку та поруватого шару з іншого з наступною фотолітографією обох сторін досліджуваної пластини. Такі структури можуть вважатися сонячними елементами завдяки набутій властивості поглинання світла. Наведений спосіб дозволяє отримувати сонячні елементи з ефективністю понад 17 % і може знайти застосування при створенні сонячних елементів з антивідбиттєвим оксидним покриттям. В роботі [Мустафаев А.Г., Мустафаев А.Г. Разработка структур кремний на изоляторе на основе пористого кремния // Электронный научный журнал "ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ".-2008. - том 11. - С. 1027-1037] розглянуто технологічний процес отримання КНІ-структур, на основі окисленого пористого кремнію. Він включає формування, на підкладці кремнію n-типу + провідності, суцільного шару n -типу провідності, легованого сурмою, нарощування епітаксійного шару n-типу товщиною 0,2-0,5 мкм, формування маскуючого шару нітриду кремнію, створення в маскуючому шарі методом фотолітографії малюнка монокристалічних + областей, плазмохімічне травлення епітаксійного шару до прихованого n -шару, перетворення + n - прихованого шару в пористий кремній шляхом його селективного анодування на основі фтористоводневої кислоти HF. Далі проводиться термічне окислення пористого кремнію і в КНІструктурах виготовляються n- і р-канальні транзистори. Пористий кремній був утворений підкладками моно- і полікристалічного кремнію у водному розчині HF/HNO 3. Оптичні властивості отриманих плівок були досліджені з відображень спектроскопії та пов'язані з основними параметрами травлення. Ефективне антиблікове покриття було розроблено та 2 використовується в полікристалічного кремнію сонячних елементів площею до 12,8×12,8 см . Фотоелектричні перетворення з ефективністю до 12 % було отримано в стандартних AM1.5G штучного сонячного випромінювання. В роботі [Krotkus A., Grigoras К., Pacebutas V. et al. Efficiency improvement by porous silicon coating of multicrystalline solar sells // Solar Energy Materials and Solar Sells.-1997. - V. 45. - P. 267273] розглядаються дрібні з'єднання полікристалічного кремнію сонячних елементів, які були оброблені методом анодного травлення. Було продемонстровано збільшення на 25 % поліпшення струму короткого замикання та ефективність фотоелектричного перетворення енергії. Було показано, що підвищення продуктивності обумовлено просвітлюючою дією пористого шару кремнію. Автор роботи [Panek P. Effect of macroporous silicon layer on optoelectronics parameters of multicrystalline silicon solar cell//Appl. Phys. Lett.-2004. - V.I2. - №1. - P. 45-48] вважає, що процес формування макропористого кремнію може бути застосований в галузі технології, яка дозволяє домогтися перевищення межі ефективності MC-Si сонячних елементів з ТіОх, на рівні 13 %. Можливість поліпшення полікристалічного кремнію (MC-Si) сонячних батарей вважається застосування пористого кремнію (PSI) шарів, отриманих і модифікованих хімічно подвійнокроковим методом. PSi шари мають різний діаметр пори, які визначають електричні і оптичні характеристики сонячних батарей. Структурні властивості цих верств були досліджені за допомогою електронної мікроскопіії сканування. В результаті, був отриманий MC-Si сонячних батарей з ефективністю 12,74 %. Поставлена задача вирішується тим, що проводять обробку монокристала кремнію шляхом анізотропного хімічного травлення та фотолітографії. Для виготовлення сонячних елементів були використані пластини монокристалічного кремнію діаметром 100 мм, вирощеного за методом Чохральского n-типу електропровідності, леговані бором з питомим опором 4 Oм'см, завтовшки 280 мкм і кристалографічною орієнтацією поверхні (100). Хімічна обробка пластин здійснювалась у перекісно-кислотний (НСl:Н2О2:Н2О=1:1:5) та перекісно-аміачний (NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5) сумішах. Потім пластини промивались в деіонізованій воді та сушились в центрифузі (фіг. 2). Викриття вікон під анізотропне травлення кремнію здійснювалось методом контактної фотолітографії з використанням фоторезисту ФП-383 (фіг. 3 і фіг. 4). Спонтанний мікрорельєф на поверхні кремнію (100) був отриманий під час її анізотропного розчинення у 9 %-му водному розчині КОН при температурі 70 °C (фіг. 5). Пірамідальний рельєф утворюється за перші 10-20 с травлення. Протягом цього часу виявляється більш-менш однорідний рельєф, який складається з пірамід 1 . Однорідність рельєфу 2l зберігається при температурі травлення кремнію 70 °C-76 °C, але при більш високих температурах поруч з фоновими пірамідами спостерігаються такі, що мають вишину понад 1 мкм. їх кількість - від 5 % до 15 %. Збільшення часу травлення сприяє інтенсивному зростанню пірамід. Так, при збільшенні часу травлення від 2 хв до 12 хв при температурах 70 °C-72 °C їх заввишки 20-40 нм. Вишину пірамід обчислювали за формулою   1 UA 85399 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 висота зростає майже у 7 разів (фіг. 11). Вплив температури від 82 °C до 92 °C виявляється не тільки у зростанні вишини пірамід, але й у появі значної кількості (25 % - 30 %) нових фігур травлення заввишки 2 мкм - 5 мкм. Співвідношення геометричних розмірів рельєфу та довжини хвилі променів розподіляє рельєфи на поглинальні й відбивальні відносно до спектрального інтервалу. Так, якщо геометричний розмір рельєфу перевищує довжину хвилі випромінювання, то діють закони геометричної оптики, тобто мають місце ефекти багаторазового відбиття. Якщо вишина рельєфу менша за довжину хвилі випромінювання або дорівнює їй, то така поверхня є відбивальною (фіг. 1). На фіг. 12 зображені експериментальні залежності швидкості зростання пірамід від температури травника, яка носить експоненціальний характер, що збігається з головними положеннями теорії розчинення твердих тіл. Значення швидкості травлення знаходяться у межах 0,7 мкм/хв - 2,1 мкм/хв. Встановлено, що при температурах вищих за 92 °C травлення стає поліруючим. + р шар завтовшки 2 мкм на зворотному боці пластин утворювали дифузією бору з джерела + ВВг3 при температурі 1000 °C (фіг. 6). n емітер був сформований дифузією фосфору з джерела РОСІ3 при температурі 850 °C. Товщина емітеру становила 0,3 мкм, а поверхневий опір - 60 2 Ом/см (фіг. 7). Плівки поруватого кремнію на зворотному боці пластин утворювались за допомогою розробленого методу електролітичного анодування у розчині HF:H 2O:HCl:C2H5OH=1,2:3:0,8:5 (фіг. 8). Наявність поруватого кремнію обумовлена двома причинами. Перша пов'язана з ефектом багаторазового відбивання від фронтальної поверхні і багаторазового повного внутрішнього відбивання від меж поділу. Таким чином, збільшується ефективна довжина оптичного шляху всередині сонячного елементу, що дозволяє більш ефективно використовувати падаюче випромінювання та керувати відбивальною і поглинальною властивостями матеріалу. Друга причина пов'язана з гетеруючими здатностями поруватого кремнію. На наступному етапі методом спрей-піролізу осаджувалась тонка плівка SnO2:F завтовшки 600 нм при температурі 460 °C (фіг. 9). Далі, фотолітографією створювались вікна для формування фронтальної металевої сітки (фіг. 10). На останньому етапі за допомогою магнетронного напилення на установці "Ораторія-2М" послідовно, спочатку на зворотному, а потім на фронтальному боках осаджували плівки алюмінію та виконували їх відпал. За допомогою фотолітографії остаточно формували фронтальну сітку (фіг. 13). Далі пластини 2 розрізали за допомогою скрайберу на зразки площею 1см . Вимірювання ВАХ сонячних елементів здійснювалось за умовою потужності освітлення 100 2 мВт/см . На фіг. 5, наведені ВАХ сонячних елементів з ефективністю 16,5 % (фіг. 14) та 17,6 % (фіг. 14). В таблиці наведені дані про параметри деяких сонячних елементів, виготовлених під час виконання досліджень. Перелік фігур креслення Фіг. 1. Залежності вишини пірамід травлення від температури 9 % КОН та часу травлення: 2 хв (1), 4 хв (2), 6 хв (3), 8 хв (4), 10 хв (5), 12 хв (6). Фіг. 2 - фіг. 11. Технологічна схема виготовлення сонячних елементів Фіг. 12. Температурна залежність швидкості зростання пірамід у 9 % КОН Фіг. 13. Фото 12-ти сонячних елементів, послідовно з'єднаних у сонячну батарею. Фіг. 14. ВАХ сонячних елементів з ефективністю 16,5 % (1) та 17,4 % (2). Параметри сонячних елементів Таблиця Номер С-1 С-2 С-3 C-3 С-4 С-5 С-6 С-7 С-8 2 Jsc, мА/см 36,0 36,1 35,3 36,6 34,2 35,7 36,7 36,8 36,1 Uос. MB 597 599 587 621 605 613 622 622 601 2 FF 78,0 77,5 76,6 79,3 78,4 79,0 79,5 79,1 79,4 η, % 16,8 16,5 16,2 17,4 15,5 16,9 17,1 17,3 17,0 UA 85399 U Продовження таблиці Номер С-9 С-10 С-11 С-12 2 Jsc, мА/см 36,3 36,3 36,2 36,4 Uос. MB 608 615 611 617 FF 79,4 79,3 78,8 79,1 η, % 17,2 17,4 17,2 17,3 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб отримання сонячних елементів на пористому кремнію методом фотолітографії, який відрізняється тим, що технологічний процес включає формування на підкладці кремнію n-типу провідності суцільного шару n-типу провідності, легованого сурмою, нарощування епітаксійного шару n-типу товщиною 0,2-0,5 мкм, формування маскуючого шару нітриду кремнію, створення в маскуючому шарі методом фотолітографії рисунка монокристалічних областей, плазмохімічне + травлення епітаксійного шару до прихованого n-шару, перетворення n - прихованого шару в пористий кремній шляхом його селективного анодування на основі фтористоводневої кислоти HF. 3 UA 85399 U 4 UA 85399 U 5 UA 85399 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6