420 likes | 581 Views
Функциональные материалы для приборов и систем в энергетике, Москва, 28-30 сентября 2010 г. Разработка многобарьерных кремниевых фотоэлектрических преобразователей. В.П.Кост ы лёв , В.Г.Литовченко, В.Ф.Мачулин, А.В.Саченко
E N D
Функциональные материалы для приборов и систем в энергетике, Москва, 28-30 сентября 2010 г.Разработка многобарьерныхкремниевых фотоэлектрическихпреобразователей В.П.Костылёв, В.Г.Литовченко, В.Ф.Мачулин, А.В.Саченко Институт физики полупроводников им.В.Е.Лашкарёва Национальной Академии Наук Украины 03028, Киев-28, пр. Науки, 41
Доклад посвящён обзору результатов работ по разработке физических и физико-технологических основ создания высокоэффективных (КПД20%, АМ1,5) солнечных элементов (СЭ) на основе кремниевых многослойных структур с комбинированными диффузионно-полевыми барьерами космического и наземного назначения, выполненных в отделе физических основ полупроводниковой фотоэнергетики Института физики полупроводников им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины.
Особенность подхода:Высокоэффективные ФП случайбольших значений объёмного времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда, (длина диффузии неосновных носителей заряда порядка, или больше толщины ФП), когда необходимо рассматривать и учитывать дополнительные механизмы генерационно-рекомбинационных процессов (поверхностный, Оже, экситонный, туннельный, излучательный), которыми до недавнего времени пренебрегали вследствие их малости по сравнению с объёмным механизмом Шокли-Рида-Холла.
МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯСТРУКТУРА С ДИФФУЗИОННЫМИ БАРЬЕРАМИ p p+ Al n+ EC Si3N4 Si EI n+-Si EF p-Si EV p+-Si Al x d Wp+ Wn+ 0 W • Конструкция кремниевого СЭ дифузионного типа с базой р-типа и его зонная диаграмма • Недостатки: Большие рекомбинационные потери в эмиттерной области – рекомбинация Шокли-Рида, рекомбинация Оже • В ИТОГЕ- низкая коротковолновая чувствительность
+ + + + + + + + + + + + + + + + + invn+ p+ p EC SiO2 EI Si + + Ns0+ + + EF EV x d Wp+ 0 W МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯСТРУКТУРА С ИНВЕРСИОННЫМИ (ПОЛЕВЫМИ) БАРЬЕРАМИ - А.П. Горбань, В.Г. Литовченко Позиционно-чувствительные планарные фотоэлементы на основе системы Si-SiO2 // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. - 1970. - Вып.4. - С.77-83. Al SiO2 inversionn+-Si p-Si n+-Si p+-Si Al Конструкция кремниевого СЭ инверсионного (полевого) типа и его зонная диаграма Преимущества:Сильное приповерхностное поле, минимально возможная глубина залегания разделяющего барьера, минимизированная скорость поверхностной рекомбинации, отсутствие рекомбинации Оже и Шокли-Рида в эмиттере высокая коротковолновая чувствительность Недостатки: большое сопротивление эмиттерной области ( 1 000 Ом/кв ) В ИТОГЕ – относительно низкие значения FF (0,72…0,76 на см2)
p+ p SiO2 n++ n+ EC Si EI + + + + + + + + + + + + + + ++ ++ EF + + + + + + EV Ns0 0 x d Wp+ Wn W МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯСТРУКТУРА С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ - А.П. Горбань, В.П. Костылёв, В.Г. Литовченко [и др.] Высокоэффективные диффузионно-полевые кремниевые солнечные элементы с термически окисленной поверхностью // : конф. “Физические проблемы МДП-интегральной электроники”. - Севастополь. - 1990. - С.58. Al SiO2+ Si3N4 Индуцирован-ный n++-Si n+-Si p-Si p+-Si Al Конструкция кремниевого СЭ дифузионно-полевого типа и его зонная диаграмма Объединены преимущества СЭ диффузионного и инверсионного (полевого) типов: Уменьшенный уровень легирования эмиттера избавляет от рекомбинационных потерь по механизмам Оже и Шокли-Рида, наличие слоя обогащения минимизирует скорость поверхностной рекомбинации высокая коротковолновая чувствительность, высокие значения FF
p+ p SiO2 n++ n+ EC Si EI EF + + + + + + EV Ns0 0 x d Wp+ Wn W МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯСТРУКТУРА С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Конструкция кремниевого СЭ диффузионно-полевого типа с базой р-типа и его зонная диаграмма: 1 - фронтальный металлический гребёнчатый электрод (Al); 2 - просветляющий слой нитрида кремния товщиной 4050 нм; 3 - заряженный диэлектрический слой SiO2 толщиной до 30 нм; 4 - индуцированный n++-слой; 5 - диффузионный n+-слой; 6 - квазинейтральная базовая область (р-Si); 7 - диффузионный р+-слой - антирекомбинационный изотипный переход на тыльной поверхности; 8 - тыльная металлизация (Al); Wn и Wp+ - толщины индуцированного n++- и диффузионного тыльного р+-слоёв; Wp+-W и d- толщины квазинейтральной базы и СЭ
Cолнечные элементы космического и наземного назначения на основе кремниевых многослойных структур с диффузионно-полевыми барьерами 2 МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ТОКОВ В ПРЯМОСМЕЩЕННЫХ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ КРЕМНИЕВЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ 1 ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ 3 ЭКСИТОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В КРИСТАЛЛИЧЧЕСКОМ КРЕМНИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ ФОТОЕЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 4 МЕХАНИЗМЫРЕКОМБИНАЦИИВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ С ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ 6 ОСОБЕННОСТИ ПРОСВЕТЛЕНИЯ И ПАССИВАЦИИ ФП С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ 5 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФОТОЭФФЕКТОВ В СИСТЕМАХ SI-SIO2 С ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ Уравнение интегральной нейтральности:
S , см/с eff 7 10 15 10 14 p =10 16 10 p 5 10 Q >0 0 3 10 1 10 Q <0 -1 10 0 10 11 12 10 10 10 -2 N , см 0 ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ nn=100 cm-3 Q0>0 1010 1014 1017 Q0<0 Рис. 2 Зависимости Seff(N0) для Q0 > 0 (1-3) и для Q0 < 0 (1'-3'). Δn=106 cм-3, pp =1014 (1,1'), 1015 (2-2') и 1016cм-3 (3-3'). Значения других параметров такие же, как на рис.1 Рис.1 Зависимости Seff от N0, рассчитанные для Q0 > 0 (1-4) и для Q0 <0 (1'-4'). pp= 1015cм-3, T=300K, Nt=1011cм-2, Et=0, Cn=Cp=10-9cм3/с, Δn= 100 (1,1'), 1010 (2-2'), 1014 (3-3') и 1017cм-3 (4-4').
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ pp=1016 N0=31010 61010 1015 11011 1014 Рис.3 Температурные зависимости Seff для Q0 > 0 (1-3) и Q0 < 0 (1'-3'). pp= 1015cм-3, Δn= 106cм-3, N0=3 1010(1,1'), 61010 (2-2') и 11011 cм-2 (3-3'). Значения других параметров такие же, как на рис.1 Рис.4 Зависимости Seff от уровня инжекции Δn, при Q0 > 0 (1-3) и Q0 <0 (1'-3'). N0=61010 cм-2, pp= 1016 (1,1'), 1015 (2-2') и 1014cм-3 (3-3'). Значения других параметров такие же, как на рис.1
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ • предлжен самосогласованный подход к рассмотрению поверхностных рекомбинационных потерь в высокоэффективных кремниевых СЭ, учитывающий влияние на Seffзарядовых и рекомбинационных характеристик ГР ДП, концентрации легирующих примесей в эмиттере и в базовой области, а также уровня инжекции неосновных носителей заряда. • пассивация поверхности базовой области кремниевой фоточувствительной структуры или сравнительно слабо легированного эмиттера диэлектрическим слоем, содержащим встроенный заряд того же знака, что и знак основных носителей заряда в прилежащем полупроводниковом слое, может привести к катастрофически сильному увеличению поверхностных рекомбинационных потерь вследствие образования приповерхностной ОПЗ, обедненной на основные носители заряда. • при образовании приповерхностных слоев обогащения или инверсииповерхностные рекомбинационные потери при малых уровнях инжекции существенно уменьшаются.
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРЕМНИЕВОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИ: 1. Линейный уровень возбуждения: 2. Корректно учтена СПР. 3. В n+ - и p+ - рекомбинация Оже. 4. Механизмы рекомбинации в базе: Шокли – Рида межзонная Оже, излучательная межзонная, экситонная - излучательная, безызлучательная с участием примеси по механизму Оже 5. Отражение света внутрь ФП 6. Поглощение света на свободных носителях в n+ - и p+ - в борновском приближении ( квантовая модель ) 7. Вырождение носителей в сильнолегированных n+ - и p+ - областях 8. Эффект сужения зон в сильнолегированных n+ - и p+ - областях jr front+ jr rare+ jr v = j g
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРЕМНИЕВОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИ: 1. Линейный уровень возбуждения: 2. Корректно учтена СПР. 3. В n+ - и p+ - рекомбинация Оже. 4. Механизмы рекомбинации в базе: Шокли – Рида межзонная Оже, излучательная межзонная, экситонная - излучательная, безызлучательная с участием примеси по механизму Оже 5. Отражение света внутрь ФП 6. Поглощение света на свободных носителях в n+ - и p+ - в борновском приближении ( квантовая модель ) 7. Вырождение носителей в сильнолегированных n+ - и p+ - областях 8. Эффект сужения зон в сильнолегированных n+ - и p+ - областях
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ • Параметры • xn=10-5(1), • 310-5(2), • 510-5(3), • 710-5(4), • 10-4(5) см. • р0 = 1017 см-3, Р=31020 см-3 , xp=10-4 см, • r = 10-4 с, • d = 0,025 см, • m2 = 0,02, • m1 = 0,05. xn=10-5 3 10-5 5 10-5 7 10-5 10-4
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ • Параметры • xn=10-4(1) • 210-5 (2) • 310-5 (3) cм. N=1019 см-3, Р=31020 см-3, xp=10-4 cм, • r = 10-4 с xn=10-4 xn=2 10-5 xn= 3 10-5 Оптимальные парам N = 1019 см-3, xn =10-4 см, p0 = 1017см-3, d = 2,5 10-2 см, m2 = 0,02, lп = 30 мкм .
ВНЕШНИЙ ВИД СЭ с ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Солнечные элементы разной площади.
СПЕКТРАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КРЕМНИЕВОГО ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Амперваттная спектральная зависимость СЭ диффузионно-полевого типа с n-базой, просветленного слоем Si3N4 толщиной 47 нм.
МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯСТРУКТУРА С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Типовая спектральная зависимость внешнего (1) и внутреннего (2) квантового выхода СЭ диффузионно-полевого типа с n-базой, просветленного слоем Si3N4 толщиной 47 нм. 3 – спектр внешнего квантового выхода диффузионного СЭ космического назначения
СВЕТОВЫЕ ВАХ СЭ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ • АМ1,5: • = 17,3% • АМ0: • = 14,8% Iкз = 294 0,93 мА; Jкз = 42 0,13 мА/см2; Vрк = 0,615 0,001 В; Кф = 0,778 0,01; = 14,8 1,85 %; Iм = 281 0,93 мА; Jм = 40,1 0,13 мА/см2; Vм = 0,501 0,001 В; Рпад = 136 мВт/см2; SСЭ = 7 см2; T = 25,3 0,2 0С. Типичная СВАХ (в условиях АМ0) и фотоэнергетические параметры опытных образцов солнечных элементов, изготовленных на пластинах кремния р-типа проводимости.
СВЕТОВЫЕ ВАХ СЭ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ • АМ1,5: • = 18,3% • АМ0: • = 15,6% Iкз = 95,4 0,93 мА; Jкз = 41 0,40 мА/см2; Vрк = 0,645 0,001 В; Кф = 0,802 0,01; = 15,6 1,95 %; Iм = 90,5 0,93 мА; Jм = 38,8 0,40 мА/см2; Vм = 0,546 0,001 В; Рпад = 136 мВт/см2; SСЭ = 2,33 см2; T = 25,1 0,2 0С. Типичная СВАХ (в условиях АМ0) и фотоэнергетические параметры опытных образцов солнечных элементов, изготовленных на пластинах кремния n-типа проводимости.
СВЕТОВЫЕ ВАХ СЭ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ I , мА 90 80 • АМ1,5: • = 18,4% • АМ0: • = 15,7% Iкз = 87,0 0,93 мА; Jкз = 43,5 0,46 мА/см2; Vрк = 0,615 0,001 В; Кф = 0,799 0,01; = 15,7 0,55 %; Iм = 82,2 0,93 мА; Jм = 41,1 0,46 мА/см2; Vм = 0,52 0,001 В; Рпад = 136 мВт/см2; SСЭ = 2,0 см2; T = 25,3 0,2 0С. 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 V , В Типичная СВАХ (условия АМ0) и фотоэнергетические параметры опытных образцов солнечных элементов с базой n-типа проводимости и с текстурированной фронтальной поверхностью
I , A 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 10 20 30 40 50 V , B СВЕТОВЫЕ ВАХ СЕКЦИЙ БФ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ Sсекции= 0,12 м2 Sбатареи= 0,24 м2 Типичные СВАХ двух секций одной из изготовленных СБ космического назначения (условия АМ0, Р=1360Вт/см2, Т=250С).Pmax 200 Вт/м2 > 14,7% (АМ0)
Внешний вид БФ КА КС5МФ2 “Микрон” Разработаны в рамках Национальной космической программы Украины для комплектации космических аппаратовкласса “микроспутник”
Лётный комплект БФ КА КС5МФ2 “Микрон”
ВНЕШНИЙ ВИД СБ с ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Разработаны по заказу МЧС Украины. Предназначены для комплектации профессиональной дозиметрической аппаратуры нового поколения, которая эксплуатируется в полевых условиях Солнечные батареи БФК-0.1-9
ВНЕШНИЙ ВИД СБ с ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Разработаны по заказу МЧС Украины. Предназначены для комплектации профессиональной радиометрической аппаратуры нового поколения, которая эксплуатируется в полевых условиях Солнечная батарея БФК-2.0-3(6,9).
НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ Кремниевые фотопреобразователи с тыльным размещением разделяющих барьеров и токособирающих контактов
Конструкция экспериментального образца кремниевого фотопреобразователя нового типас тыльным размещением токособирающих контактов Фотоприёмная поверхность Антирекомбинацонный изотипный n+-n переход Собирающий p+-n переход Пассивирующий SiO2 Антирекомбинационный изотипный n+-n переход Контактная металлизация
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ КРЕМНИЕВОГО ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ТЫЛЬНЫМ РАЗМЕЩЕНИЕМ ТОКОСОБИРАЮЩЕЙ КОНТАКТНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ Назначение:для использования в концентраторных гелиоэнергетических установках со степенью концентраци солнечного излучения до 100
Спектральная зависимость фоточувствительности и квантового выхода кремниевого фотопреобразователя с тыльным размещением токособирающих контактов Просветление слоем SiO2толщиной 110 нм
Мобильная солнечная электростанция Технические параметры БФ: Напряжение холостого хода, В 40,0 Ток короткого замыкания , A 5,5 Рабочее напряжение, В 36,0 Рабочий ток, A 5,0 Пиковая мощность, Вт 180 Вес (с системой ориентации), кг 20 КПД модуля, % 12-14
Измерения и испытания ФП и БФ выполнены в Центре испытаний фотопреобразователей и батарей фотоэлектрических • ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины • Центр испытаний фотопреобразователей и батарей фотоэлектрических • ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украиныединственный в Украине аттестован согласно Закону Украины • “О метрологии и метрологической деятельности” органами Госпотребстандарта Украины на проведение измерений электрических и фототехнических параметров фотопреобразователей и фотоэлектрических батарей
Стендовая база Центра испытаний фотопреобразователей и батарей фотоэлектрических ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины для проведения электрических и фототехнических испытаний БФ КА КС5МФ2
Аппаратура импульсного тестирования фотоэлектрических батарей Технические параметры: - диапазон измерения величины напряжения на БФ - 0... 40 В; - диапазоны измерения величины тока через БФ - 0... 4 А, 0... 8 А; - длительность светового импульса – до 4 мс; - величина энергетической освещенности на поверхности БФ – до 1000 Вт/м2.
Портативный измеритель фототехнических параметров солнечных элементов и фотоэлектрических батарей „Фотон-3” Технические параметры: диапазоны измерения величины напряжения на БФ - 0... 1В, 0... 10В, 0... 20В, 0... 50В; - диапазоны измерения величины тока через БФ - 0... 0.25А, 0... 1А, 0... 4А; - продолжительность процесса измерений – до 4 секунд. - габаритные размеры – 250х160х90 мм3.
ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСВЕЩЁННОСТИ «ВЭО-01» Функциональные возможности и параметры:- диапазоны измерений энергетической освещенности – 0…2000 Вт/м2 , – 0…10000 Вт/м2;- приведенная относительная погрешность измерения энергетической освещенности не больше: в диапазоне 50…2000 Вт/м2 - 5в диапазоне 50…10000 Вт/м2 - 10%; - диапазон измерения температуры – 10-50С.
В Украине принята государственная целевая научно-техническая программа “Создание химико-металлургической отрасли производства чистого кремния на протяжении 2009-2012 годов с привлечением частного (93%) и государственного (7%) финансирования общим объёмом 2,2 млрд. грн. (400 млн. USD) Программа предусматривает выпуск солнечного поликремниевого материала объёмом 2-3 тыс. т. к моменту её завершения. Основные производственные мощности располагаются в Запорожье (ЗТМК), а научное сопровождение осуществляет НАН Украины (Институт электросварки, Институт физики полупроводников и др.)