Изготовление кремниевого СЭ на основе кремния p-типа

4.1. Изготовление кремниевого СЭ на основе кремния p-типа

В качестве исходных пластин кремния были взяты пластины p-типа (100) с удельным сопротивлением 10 Ом∙см. Особенностью создания солнечного элемента на таких пластинах является возможность проведения процесса диффузии на пластинах с текстурированной поверхностью. Были созданы как n⁺-p, так и n⁺-p-p⁺ СЭ. В качестве поверхностного источника для диффузии фосфора использовался спиртовый раствор ортофосфорной кислоты, в качестве поверхностного источника для диффузии бора – спиртовый раствор борной кислоты. Технология диффузии из этих источников описана в 3 разделе.

При создании СЭ с тыльным подлегированием диффузия проводилась в один процесс. Необходимо заметить, что при таком способе создания диффузионной структуры на фронтальной поверхности пластины образуются затеки после нанесения диффузанта для тыльной стороны пластины кремния.

Режимы проведения процесса диффузии были выбраны таким образом, что глубина эмиттерного перехода в n⁺-p СЭ составила 1 мкм, а в n⁺-p-p⁺ - 0,5 мкм.

4.2. Создание омических контактов на структурах солнечных элементов электрохимическим осаждением никеля

Для создания токосъемных контактов к структуре кремниевого солнечного элемента использовался метод электрохимического осаждения никеля. Фронтальный контакт выполнялся в виде сетки, а тыльный контакт – сплошным слоем.

Для создания маски для последующего осаждения никеля использовался химически стойкий лак ХСЛ. До нанесения ХСЛ пластины кремния обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте в течение 10 – 25 сек с последующей сушкой в парах изопропилового спирта.

Осаждение контактного слоя никеля на свободные от ХСЛ участки структуры осуществляли электрохимическим способом с использованием электролита следующего состава (в пересчете на 1 л дистилированной воды):

NiSO₄×7H₂O – 45,4 г/л;

Na₂SO₄×10H₂O – 60 г/л;

Н₃ВО₄ – 30 г/л.

Схема установки для электрохимического осаждения никеля приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема установки для электрохимического осаждения никеля: 1 – ванна; 2 – электролит; 3 – пластина кремния; 4 – пластинка никеля; 5 – амперметр; 6 – электронагреватель; 7 – блок питания.

В качестве анода электролитической ванны использовалась никелевая фольга толщиной порядка 200 мкм. Катодом служила сама кремниевая структура. В качестве источника постоянного тока использовался блок питания Б5-47/1, работающий в режиме стабилизации тока. Осаждение производилось при плотности тока 2 - 5 мА/см² и температуре электролита 35°С в течение 2 – 3 мин.

После нанесения слоя никеля структуры промывались в дистиллированной воде и производилось механическое удаление защитного слоя лака ХСЛ. Для удаления остатков лака применялось кипячение пластин в толуоле.

4.3. Измерение основных параметров на структурах солнечных элементов

Наиболее важными характеристиками солнечных элементов являются световая и прямая темновая вольт-амперные характеристики (ВАХ) и спектральная чувствительность.

Основной параметр СЭ – световая нагрузочная ВАХ – позволяет определить генерируемую электрическую мощность по произведению I_m∙U_m (максимальные рабочие ток и напряжение), оценить полноту использования потенциала запрещенной зоны по напряжению холостого хода, получить представление об уровне оптических и фотоэлектрических потерь по току короткого замыкания и коэффициенту заполнения ВАХ; рассчитать коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии в электрическую по отношению мощности, генерируемой СЭ, к мощности падающего солнечного излучения, которую можно измерить с помощью отградуированного эталонного солнечного элемента.

ВАХ идеальных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) может быть описана выражением:

(4.1)

где I и V – ток во внешней цепи и напряжение на сопротивлении нагрузки; I_ф – фототок, генерируемый в полупроводнике солнечным излучением; I_o – ток насыщения ФЭП, определяющийся механизмами генерационно-рекомбинационных явлений; А ≥ 1 – фактор качества выпрямляющего перехода; е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

В выражении (4.1) не учитываются некоторые важные характеристики реальных ФЭП, которые могут в значительной степени влиять на эффективность фотоэлектрического преобразования. К числу таких характеристик можно отнести последовательное сопротивление ФЭП R_п, определяющееся сопротивлением объема полупроводниковой базы, контактными сопротивлениями верхнего и нижнего токосъемных электродов и распределенным сопротивлением верхней (освещаемой) области перехода, а также шунтирующее коллекторный переход сопротивление R_ш, на величину которого существенно влияют как технологические факторы, так и параметры используемого полупроводникового материала. Эквивалентная схема реального полупроводникового ФЭП с учетом названных паразитных сопротивлений и сопротивления нагрузки показана на рис. 4.2. Нетрудно показать, что в последнем случае ВАХ может быть описана соотношением [18]:

Рис. 4.2. Эквивалентная схема фотопреобразователя.

Рассмотрим более подробно физические процессы, определяющие эффективность преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. На рис. 4.3 показана типичная ВАХ полупроводникового ФЭП, описываемая выражением 4.2.

Рис.4.3. Вольт-амперная характеристика солнечного фотопреобразователя.

Можно видеть, что по мере увеличения сопротивления нагрузки напряжение V фотопреобразователя монотонно увеличивается и при R_н → ∞ достигает определенного значения V_хх, величина которого зависит как от интенсивности солнечного излучения, так и от характеристик самого ФЭП. С другой стороны, ток I во внешней цепи при увеличении R_н  вначале изменяется слабо, оставаясь примерно равным току короткого замыкания I_кз, а затем достаточно резко уменьшается при дальнейшем увеличении R_н . На ВАХ существует единственная точка M, в которой мощность P_m, отдаваемая ФЭП во внешнюю цепь, оказывается максимальной и равной площади следующего прямоугольника:

 . (4.3)

 Для характеристики внутренних потерь ФЭП обычно используют так называемый коэффициент заполнения ВАХ F, равный отношению P_m к произведению тока короткого замыкания ФЭП на напряжение холостого хода:

(4.4)

С учетом (4.4) КПД η полупроводникового фотопреобразователя может быть определен как отношение максимальной мощности, отдаваемой ФЭП во внешнюю нагрузку, к суммарной мощности солнечного излучения P_и, падающей на фотоприемную поверхность:

 (4.5)

Определим коэффициент полезного действия n⁺-p СЭ с текстурированной поверхностью (см. 4.1). Для измерения мощности падающего на СЭ солнечного излучения использовался измеритель мощность ИМО 3. В момент измерений мощность падающего излучения составляла P₀ ~ 70 мВт/см².

При измерении световой нагрузочной ВАХ солнечного элемента были получены следующие значения напряжения и тока (табл. 4.1):

Таблица 4.1.

По этим данным строится ВАХ фотопреобразователя (рис. 4.4):

Рис. 4.4. ВАХ n⁺-p СЭ с текстурированной поверхностью.

Из графика на рис. 4.2 определяем, что V_m=0,028 B, I_m=0,3 mA. Площадь поверхности СЭ составила S=16 мм², соответственно P_ист=P₀·S= 70 мВт/см²· 0,16 см² = 11,2 мВт.

Фактор заполнения F считаем по формуле (4.4):

Коэффициент полезного действия солнечного элемента определяем по формуле (4.5):

Такой низкий КПД полученного солнечного элемента в большой степени определяется тем, что не удалось создать хорошего омического контакта. Кроме того, при диффузии с применением поверхностного источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты при нанесении раствора на пластину на тыльной стороне пластины образуются затеки. При проведении процесса диффузии на тыльной стороне пластины образуется p – n переход. Для снятия с тыльной стороны подложек слоя кремния с находящимся в нем в результате диффузии фосфором, приводящим к увеличению последовательного сопротивления СЭ на тыльном контакте необходимо применять, например, плазмохимическую обработку. Так как такой операции не было проведено, то можно сделать заключение, что образование на тыльной стороне p – n перехода существенно ухудшает электрофизические параметры СЭ.

ВЫВОДЫ

Одним из наиболее перспективных методов диффузионного легирования кремния для производства кремниевых солнечных элементов является диффузия из поверхностного источника. Особенностью этого метода является то, что создание слоя примесносиликатного стекла, из которого будет идти диффузия примеси в кремний, осуществляется до проведения процесса диффузии. Метод прост, не требует сложного оборудования, возможно проведение диффузионного отжига в атмосфере воздуха. Всвязи с этим, применение метода диффузии из поверхностного источника может удешевить технологию производства кремниевых СЭ.

 В данном дипломном проекте рассматривалось несколько поверхностных источников диффузии, также был рассмотрен твердый планарный источник. Из поверхностных источников для диффузии бора и фосфора были достаточно полно изучены источники на основе спиртовых растворов борной и ортофосфорной кислот. Предложена технология проведения диффузии с использованием таких источников, которая позволяет надежно получать p – n переход в полупроводниковой пластине кремния.

Также были проведены опыты по наиболее перспективному из поверхностных источников – легированному окислу. Именно метод диффузии из легированного окисла представляет повышенный интерес в связи с промышленным применением в технологии производства кремниевых солнечных элементов. Большое внимание необходимо уделять технологии приготовления пленкообразующего раствора, соотношение компонентов смеси.

При использовании разработанного источника на основе ортофосфорной кислоты создан СЭ на кремнии с текстурированной поверхностью, измерены его электрофизические характеристики.

Похожие работы

Использование альтернативных источников энергии

Скачать

65457

19

17

... к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление – фотовольтаику. Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени ...

Солнечная энергетика

Скачать

178236

13

9

... голоса, слушают пение птиц, плеск волн и шум ветра, дышат свежим воздухом. Воспользоваться таким транспортом захочет каждый, кто любит совершать водные путешествия. 6.  РОССИЯ, УКРАИНА И СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА  В России в настоящее время имеется восемь предприятий, имеющих технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год. В 1992 году на ...

Свойства сплавов кремний-германий и перспективы Si1-xGex производства

Скачать

22436

8

22

... подавляет в кремнии генерацию термодоноров, вводимых в кремний в температурном интервале 400-500 оС.   Выводы Сплавы Si1-xGex в настоящее время являются тем материалом, который желательно возможно быстрее освоить в производстве. Их достаточно предсказуемые свойства позволяют получать монокристаллы с заданными параметрами путём аппроксимации зависимости свойств от состава (зависимости ...

Моделирование процессов ионной имплантации

Скачать

23337

1

9

... . ПРИМЕНЕНИЕ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ СБИС Создание мелких переходов Требование формирования n+ слоев, залегающих на небольшой глубине, для СБИС можно легко удовлетворить с помощью процесса ионной имплантации Аs. Мышьяк имеет очень малую длину проецированного пробега (30 нм) при проведении обычной имплантации с энергией ионов 50 кэВ. Одной из прогрессивных тенденций развитии ...