ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 51-54
УДК 539:538.95
ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ СТРУКТУР, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ КОМПРЕССИОННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
© 2015 г. В. В. Углов1, *, В. М. Асташинский2, Н. Т. Квасов1, Р. С. Кудактин2, А. М. Кузьмицкий2
белорусский государственный университет, 220030 Минск, Республика Беларусь 2Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси, 220072 Минск, Республика Беларусь *E-mail: uglov@bsu.by Поступила в редакцию 22.12.2014 г.
Проведено исследование термической стойкости фотовольтаических структур, полученных путем воздействия компрессионных плазменных потоков на легированный кремний. Отжиг проводился в атмосфере азота, на воздухе, или в вакууме в диапазоне температур 100—900°C. Установлено, что фотовольтаический эффект сохраняется после отжига вплоть до температур 600—700°C, а при температуре 800°C напряжение холостого хода уменьшается в 1.3—1.7 раза. Методами рентгеновской дифракции и растровой электронной микроскопии изучены структурно-фазовые изменения в кремнии, обработанном компрессионными плазменными потоками. Установлено, что в кремнии образуется рекристаллизованный приповерхностный слой толщиной 10—20 мкм, а также модифицированный, но непроплавленный слой толщиной до 50—60 мкм, локализованный под рекристал-лизованным слоем.
Ключевые слова: компрессионные плазменные потоки, фотовольтаический эффект, солнечный элемент, кремний, термическая стойкость.
DOI: 10.7868/S0207352815060220
ВВЕДЕНИЕ
Солнечная энергетика считается одним из основных направлений создания возобновляемых источников энергии, в частности перспективны концентраторные солнечные элементы [1—2] с применением сфокусированного света. При этом за счет увеличения интенсивности падающего света мощность на выходе элемента также увеличивается, но фотовольтаические структуры при этом существенно нагреваются. Поэтому важно, чтобы такие структуры обладали высокой термической стойкостью.
Компрессионные плазменные потоки (КПП) [3] являются уникальным видом внешнего энергетического воздействия, модифицирующего свойства материалов. Они отличаются от других видов (лазерное излучение, термический отжиг, ионная имплантация, электронные пучки [4—6]) специфическим сочетанием технологических параметров (при времени воздействия ~100 мкс плотность мощности составляет 0.5—3.5 ГВт/м2), разнообразием физических механизмов воздействия на материал (термическое воздействие в совокупности с гидродинамическим и диффузионным перемешиванием поверхностного расплава
и вещества плазмы). Кроме того, очевидна низкая стоимость самой методики (не требуются высокий вакуум и предварительная обработка материалов, используются распространенные газы, такие как водород, воздух и азот).
Ранее нами было показано, что воздействие компрессионными плазменными потоками на монокристаллический кремний приводит к появлению в последнем фотовольтаического эффекта с напряжением холостого хода до 450 мВ [7]. В данной работе исследуется термическая стойкость кремниевых фотовольтаических структур, полученных при обработке монокристаллического кремния компрессионными плазменными потоками, а также высказываются предположения о причине возникновения фотовольтаического эффекта в кремнии и его термической стойкости.
МЕТОДИКА
В качестве объекта исследования использовались фотовольтаические структуры, полученные при обработке монокристаллического кремния (КДБ-4.5) ориентации (111). Размер образцов составлял 1 х 1 см. Фазовый состав ис-
51
4*
1
атмосфере азота, на воздухе или в вакууме. После термического отжига образцы охлаждались до комнатной температуры, после чего измерялось напряжение холостого хода.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
(в)
20 мкм
I_I
Рис. 1. РЭМ-изображения сколов кремниевых фото-вольтаических структур, синтезированных компрессионными плазменными потоками (а), (б), и исходного кремния (в): 1 — рекристаллизованный слой, 2 — модифицированный слой, 3 — немодифицированный кремний.
следовался методом рентгеновской дифрактомет-рии на приборе Ultima IV (излучение меди CuXa1 c длиной волны 0.154056 нм). Сколы фотовольта-ических структур исследовались с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе LEO 1455 VP. Для определения величины фотовольтаического эффекта измерялось напряжение холостого хода при освещении (спектр АМ1.5). Для исследования термической стойкости обработанных образцов они отжигались при различных режимах в различных средах. Температура отжига варьировалась от 100 до 900°C, а время отжига составило 30 мин и 3 ч. Отжиг проводился в
После отжига при температуре до 500°С на воздухе, в азоте и в вакууме величина фотовольтаического эффекта не изменяется. После отжига при температуре 500—700°С эффект увеличивается: напряжение холостого хода возрастает в среднем на 20% независимо от среды, в которой проводился отжиг. В дальнейшем фотовольтаический эффект остается стабильным и не изменяется при повторном отжиге при данных температурах. Отжиг при температуре 800°С приводит к уменьшению фотовольтаического эффекта: напряжение холостого хода падает в среднем в 1.3—1.7 раза. Данные результаты свидетельствуют о высокой термической стойкости кремниевых фотовольта-ических структур, полученных при помощи обработки компрессионными плазменными потоками.
Для понимания природы возникновения фо-товольтаического эффекта, а также для объяснения термической стойкости этих структур были проведены РЭМ-исследования поперечных сколов образцов кремния. Скол исходного кремния, как правило, однороден и имеет одинаковую структуру по всей толщине, тогда как на сколах обработанного КПП кремния можно выделить три слоя (рис. 1). Рекристаллизованный слой со стороны обработанной поверхности имеет толщину 10—20 мкм, а на сколе он имеет форму выступа. Данный слой возник в результате плавления кремния и его рекристаллизации. Второй слой находится под проплавленным слоем, может достигать глубины 50—60 мкм и имеет четкую нижнюю границу. Предполагается, что данный слой является модифицированным, но непро-плавленным и содержит большое количество дислокаций, образовавшихся вследствие воздействия компрессионных плазменных потоков на кремний. Третий слой занимает оставшуюся часть образца и не отличается от скола необработанного кремния.
Авторами [7] было показано, что при обработке компрессионными плазменными потоками в кремнии ориентации (111) не образуется аморфный слой, а на поверхности обработанного кремния изменяется тип проводимости с дырочной на электронную. Так как проплавленный слой имеет довольно большую толщину (десятки микрометров), то можно заключить, что, действительно, аморфная фаза в данных образцах не образуется.
Рентгеновские дифрактограммы обработанного и исходного образцов даны на рис. 2. Видно, что количество линий после воздействия ком-
ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ СТРУКТУР
53
. 200000
Д 150000 н о о
§ 100000
о
Я
£
50000
И
3500 г
• 3000 -
с %
« 2500 -£
§ 2000
я т Я о Я и н я 8
1500 -
1000 500 Ь
(111)
(а)
(333)
Обработанный кремний
20
40
60 80 29, град
(в)
Исходный кремний
100
58.2 58.4 58.6
58.8 59.0 29, град
59.2 59.4 59.6
Е 1000000
13
о о я
в
я
о Я
В
Я
И
800000
600000
400000
200000
0
(б)
(111)
Исходный кремний
Обработанный кремний
28.0 28.2
300000 г
Я 250000
й 200000 н о о я
в
Я о Я
В
Я
И
28.4 28.6 28.8 29, град
(г)
(333)
29.0
150000
100000
50000 -
94.6
94.8 95.0 29, град
95.2 95.4
Рис. 2. Дифрактограммы кремниевых фотовольтаических структур и исходного кремния кристаллографической ориентации (111): (а) общий вид, (б) линия 111, (в) линия 222, (г) линия 333.
0
0
прессионных плазменных потоков не изменилось, однако относительная интенсивность линий более высоких порядков 222 и 333 по сравнению с линией 111 существенно уменьшилась. Это объясняется образованием дефектов в рекристал-лизованном и модифицированном слоях. Можно предположить, что модифицированный слой либо остался монокристаллическим, но в нем образовалось большое количество дефектов, либо он стал поликристаллическим, но с очень малой ра-зориентацией зерен. Ответ на этот вопрос требует применения специальных методик исследования искаженных монокристаллов.
Измерения вольт-амперных характеристик показали, что поведение зависимости I = 1(Ц) не может быть интерпретировано в рамках известных механизмов формирования фотоэдс в полупроводниках. Качественные отличия различных слоев кремния на сколе, высокая термическая стойкость, уширение пиков и отсутствие аморфной фазы могут свидетельствовать о том, что причиной возникновения фотовольтаического эффекта в кремнии, а также причиной его высокой
термической стойкости являются дислокации, сформированные в структуре при кристаллизации расплава. Дислокации в легированных полупроводниках могут быть причиной ряда электрических эффектов. Так, например, известно, что даль-нодействующие поля упругих напряжений дислокаций приводят к изгибу энергетических зон, что может быть причиной формирования инверсного слоя у поверхности. Фотовольтаический эффект может быть также результатом действия диодных свойств дислокаций. Действительно, в полупроводнике дырочного типа дислокация, отдавая свои неспаренные электроны близлежащим акцепторам, сама заряжается положительно. Последующее притяжение к ней акцепторов приводит к формированию отрицательно заряженной "трубки". Эти встроенные электрические поля заряженных дислокаций, в свою очередь, могут являться фактором, обеспечивающим разделение неравновесных фотоэлектронов и фотодырок, приводящим в итоге к формированию фотоэдс [8]. И действительно, методом селективного химического травления в модифицированном слое экс-
периментально были обнаружены краевые дислокации высокой плотности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате воздействия компрессионных плазменных потоков на монокристаллический кремний дырочного типа проводимости в последнем возникает фотовольтаический эффект (напряжение холостого хода может достигать 450 мВ).
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.