ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 10, с. 1247-1250
УДК 538.9,538.975,539.1.043
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В ТЕХНОЛОГИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ © 2012 г. Д. А. Зуев, А. А. Лотин, О. А. Новодворский, А. В. Шорохова, О. Д. Храмова
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, Шатура. E-mail: zuewda@yandex.ru
Продемонстрированы возможности применения лазеров (лазерное текстурирование поверхности кремния и импульсное лазерное осаждение тонких пленок оксида индия и олова (ITO)) при создании солнечных элементов.
ВВЕДЕНИЕ
Замена дорогих и неэкологичных технологий — современная тенденция в промышленности, и поэтому лазерные технологии получают все большее распространение. Например, использование лазера при текстурировании тонких пленок прозрачных токопроводящих оксидов вместо химического травления позволило существенно снизить издержки при производстве ЖК-дисплеев, одновременно улучшив качество обработки [1].
В последнее десятилетие лазерные технологии находят все большее применение на различных этапах производства солнечных элементов: формирование контактных структур [2—4], изоляция торцов [5, 6], лазерная кристаллизация поверхности [7, 8], лазерное легирование [9—11] и т.д.
Создание низкоотражающей текстуры на поверхности мультикристаллического кремния (ше-Ч1) — важная задача при производстве солнечных элементов на его основе, так как обычные химические методы текстурирования поверхности в этом случае малоэффективны из-за случайной ориентации граней мультикристаллического кремния. В настоящее время развиваются иные методы текстурирования поверхности ше-ЧИ (двухэтапное химическое травление, ионное травление и др.), однако они довольно сложны и не обеспечивают требуемого снижения отражения [12—15]. Применение лазеров для создания микро- и наноструктур является альтернативой существующим методам текстурирования поверхности ше-Ч1 [16, 17].
В производстве тонкопленочных и органических солнечных элементов особое внимание уделяется низкотемпературным (до 400°С) процессам осаждения слоев, в частности прозрачных проводящих электродов. Использование низкотемпературных процессов позволяет использовать недорогие гибкие термочувствительные подложки [18]. Применение метода импульсного лазерного осаждения позволяет понизить температуру эпи-таксиального роста за счет наличия большой доли
возбужденных атомов и ионов, а высокая скорость зарождения зародышей позволяет получить чрезвычайно тонкие сплошные пленки (менее 10 нм) [19]. Метод выгодно отличается широкими возможностями управления процессом роста и упрощенной технологией контролируемого внесения легирующих примесей [20].
В данной работе представлены результаты исследований по созданию низкоотражающей поверхности mc-Si импульсным лазерным излучением, а также по получению пленок оксида индия и олова (ITO) методом импульсного лазерного осаждения.
1. ДЕТАЛИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты по текстурированию поверхности mc-Si проводили в вакуумной камере, которую откачивали до давления 10-7 Торр, излучением второй гармоники Мё:УАО-лазера (к = 532 нм, т = 10 нс) при частоте повторения импульсов 10 Гц. Образцы mc-Si размером 20 х 20 мм помещали на компьютерноуправляемый координатный стол, что позволяло облучать разные участки образца. Исследование морфологии поверхности проводилось сканирующим электронным микроскопом Carl Zeiss LEO 1430VP, спектры отражения получены при помощи спектрофотометра ЛОМО-спектр СФ-56, оснащенного интегрирующей сферой.
Осаждение пленок ITO методом импульсного лазерного осаждения проводили на подложки кварцевого стекла эксимерным KrF-лазером (к = = 248 нм, т = 15 нс) при частоте повторения импульсов 10 Гц. Схема экспериментальной установки описана нами ранее [21, 22]. Для абляции использовали керамические мишени с концентрацией Sn 5 ат. %, изготовленные из порошков In2O3 и SnO2 чистотой 99.9% и 99.99% соответственно. Осаждение проводили в атмосфере молекулярного кислорода в диапазоне давлений 0—20 мТорр, температуру подложки Ts меняли в
1247
5*
1248
ЗУЕВ и др.
лись при комнатной температуре методом Холла с помощью автоматизированной установки Н8М 3000. Структурные характеристики пленок 1ТО изучали на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М (к = 1.5406 А) с угловым разрешением 0.2 градуса.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ
2.1. Создание низкоотражающей текстуры на поверхности mc-Si лазерным излучением
Первоначально были проведены эксперименты по облучению неподвижных пластин полированного монокристаллического кремния (с-81) марки КЭФ-4.5. Было установлено, что плотность энергии лазерного излучения, необходимая для формирования периодических микроструктур, составляет от 1 до 4 Дж • см-2 в зависимости от числа накопленных лазерных импульсов [23]. Исследованные условия формирования структур позволили выбрать предпочтительные режимы сканирования поверхности образцов mc-Si лазерным лучом (скорость смещения образца по оси X и сдвиг по оси У). Все полученные образцы обладают однородной сплошной столбчатой микротекстурой с высотой столбов более 45 мкм и расстоянием между ними 15 мкм (рис. 1а), причем текстура нечувствительна к кристаллографической ориентации зерен тс-81.
Анализ спектров отражения образцов показывает, что лазерное текстурирование эффективно снижает коэффициент отражения поверхности ~2%, что превосходит существующие стандартные химические методы (рис. 2). В отличие от других химических методов текстурирования кристаллографическая ориентация граней тс-81 не оказывает влияния на формируемую текстуру.
При формировании лазерным методом микротекстуры на поверхности тс-81 происходят многократные фазовые переходы, которые приводят к генерации дефектов в приповерхностной области, существенно снижающих диффузионную длину носителей зарядов [24, 25]. Устранить дефектный кристаллический слой и аморфизиро-ванные участки поверхности можно химическим травлением, что неизбежно приведет к увеличению полного отражения текстурированной поверхности за счет уменьшения высоты полученной столбчатой структуры и увеличению расстояния между столбами. Однако даже после длительного химического травления в кислоте (55 мин) или щелочи (45 мин) столбчатая структура сохраняется, а поверхность характеризуется полным отражением ниже 5.5% после кислотного травления и 13.4% после щелочного травления [26, 27]. Это сопоставимо с полным отражением поверхности с-81 после стандартного промыш-
шш&шшшш
44ШМ
, 10 мкм
1-.
шй"
тшт
тшЩфршф
/Ь- «с ¿МжШ
100 мкм I_IГ
ян м
У
5 мкм
Рис. 1. Микрофотография поверхности образцов тс-81 после лазерного текстур ирования (а), вставка показывает столбчатую структуру с более высоким разрешением. Для сравнения приведена микрофотография поверхности с-81 после стандартного промышленного химического текстурирования (б).
350
500
650
800
950
1100 X, нм
Рис. 2. Спектры полного отражения К(Х) поверхности образцов: 1 — нетекстурированный тс-81; 2 — с-81 промышленное химическое текстурирование; 3 — тс-81 после лазерного текстурирования.
интервале 25—400°С. Спектры пропускания пленок Т(к) измеряли спектрофотометром Сагу-50 (Уайап), электрофизические свойства исследова-
б
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ ЛАЗЕРОВ В ТЕХНОЛОГИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
1249
ленного химического текстурирования (~12%). На основе образцов, текстурированных лазерным методом, были созданы солнечные элементы по технологии ЬОСеП [28]. Использование метода лазерного текстурирования позволило увеличить плотность тока короткого замыкания на 18% по сравнению с планарными солнечными элементами [27].
2.2. Синтез пленок 1ТО методом
импульсного лазерного осаждения
Первоначально была получена серия пленок 1ТО в интервале температур подложки Т 25— 400°С, осаждение проводили при давлении буферного газа 10 мТорр. Рост температуры подложки приводит к снижению удельного сопротивления пленок с 5.5 • 10-4 до 2.28 • 10-4 Ом • см (рис. 3). При этом наблюдается рост концентрации носителей заряда, которая выходит на насыщение при Т = 300°С, что можно объяснить улучшением кристаллической структуры пленок.
Зависимость электрических свойств пленок 1ТО от давления буферного газа представлена на рис. 4. Осаждение проводилось при Т. = 300°С. Рост давления буферного газа в вакуумной камере приводит к монотонному снижению концентрации носителей заряда от 2.6 • 1021 см-3 до 6.2 • 1020 см-3. Удельное сопротивление пленок 1ТО выходит на постоянное значение при давлении кислорода р > 10 мТорр, что говорит о достижении стехиометрии состава в пленках 1ТО.
При давлении 5 мТорр было достигнуто минимальное значение удельного сопротивления 1.79 • 10-4 Ом • см. Следует отметить, что удельное сопротивление пленок 1ТО самого высокого качества, получаемых методом магнетронного распыления или электронно-лучевым методом осаждения из паровой фазы при более высоких Т, составляет 1.5-2.0 • 10-4 Ом • см [29]. Этот факт, наряду с высоким оптическим пропусканием полученных пленок 1ТО (рис. 5), демонстрирует потенциальную возможность применения импульсного лазерного осаждения при производстве солнечных элементов.
Из рис. 5 видно, что оптическое пропускание Т(Х) тонких пленок 1ТО превышает 80% в видимой области спектра при Т < 100°С и 85% при температурах Т. > 200°С. В видимой области спектра (400-700 нм) оптическое пропускание зависит от давления кислорода для пленок, полученных при температуре подложки 300°С. Увеличение температуры подложки или снижение давления кислорода при осаждении пленок приводит к смещению края полосы поглощения в коротковолновую область спектра, что можно объяснить эффектом Мосса-Бурштейна [30].
р, 10 4 Ом • см 7 !
О------<<•''
100
200 300
Т„ °с
400
47
39 31 23 15
с
«
2м с
л
Рис. 3. Зависимости удельного сопротивления р, подвижности це и концентрации пе носителей заряда от температуры подложки Т5, р = 10 мТорр
р, 10 4 Ом • см
6
пе, 1020 см
20 -3
""О" Пе
-О- Це
О-.......-о
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
0 100 200 300 400 р, мТорр
30 -20 -
25 20 15
10 10Н 5
1 0J
с
«
2м с
,е
Рис. 4. Зависимости удельного сопротивления (р), подвижности (це) и концентрации (пе) носителей зар
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.