close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Солнечные элементы[1]

код для вставки
технология увеличения КПД солнечных элементов в процессе их изготовления
Возможности применения Молекулярного Наслаивания (
Atomic Layer Deposition)
для повышения эффективности солнечных
преобразователей
Научный руководитель проекта Сопредседатель научного совета Hood River Suomi Oy. Дрозд В.Е.
Санкт
-
Петербург
2010
2
Научные
основы
метода
MH
были
впервые
открыты
и
разработаны
в
отечественной
научной
школе,
в
60
-
х
годах
20
века
.
Метод
получил
название
Молекулярное
Наслаивание
(
MH
)
.
Затем
он
был
вторично
«открыт»
через
несколько
лет
за
рубежом,
в
Финляндии
под
именем
Atomic
Layer
Epitaxy
(
ALE
)
.
После
этого
ему
давали
разные
названия,
в
том
числе,
Atomic
Layer
Deposition
(
ALD
)
.
Метод
Молекулярного
Наслаивания
представляет
собой
химический
способ
выращивания
сверхтонких
пленок
путем
проведения
на
подложке
ряда
гетерогенных
химических
реакций
.
Кратко,
принцип
реакций
МН
состоит
в
проведении
последовательных
химических
взаимодействий
между
монослоем
функциональных
групп
на
поверхности
подложки
и
активно
реагирующими
с
ними
молекулами
реагента,
поступающими
к
поверхности
подложке
из
газовой
фазы
.
Результатом
такого
взаимодействия
является
монослой
прочно
химически
связанных
молекул,
содержащих
в
своем
составе
новые
функциональные
группы,
активные
в
следующей
реакции
с
молекулами
другого
реагента,
поступающего
из
газовой
фазы
.
После
проведения
реакции
с
новыми
поверхностными
функциональными
группами
на
подложке
образуется
монослой
твердого
вещества,
состав
которого
определяется
выбранными
реагентами
и
вновь
содержащий
активные
функциональные
группы
.
Такая
последовательная
пара
реакций
называется
циклом
Молекулярного
Наслаивания
(МН)
.
Учитывая
то,
что
один
из
участников
реакции
всегда
присутствует
в
виде
связанного
с
поверхностью
монослоя
функциональных
групп,
то
его
количество
лимитирует
на
каждом
этапе
взаимодействия
толщину
получаемого
слоя
.
3
Условия
проведения
двух
таких
последовательных
реакций(цикла)
выбираются
таким
образом,
чтобы
с
поверхностью
всегда
был
связан
один
монослой
функциональных
групп,
что
позволяет
строго
контролировать
толщину
и
состав
получаемого
твердого
продукта
реакции
в
виде
прочно
связанного
с
подложкой
одного
монослоя
вещества
.
Необходимые
условия
такого
синтеза
нами
хорошо
изучены
и
теоретически
обоснованы
.
Реакции
между
функциональными
группами
подложки
и
молекулами
реагента,
поступающими
из
газовой
фазы
должны
быть
необратимыми,
а
число
последовательных
реакций
должно
быть
не
менее
двух
.
Наличие
функциональных
групп
на
поверхности
подложки
на
каждой
стадии
синтеза
позволяет
многократно
повторять
циклы
реакций
МН
и
синтезировать
вещество
монослой
за
монослоем
до
любой
требуемой
толщины
.
Такой
процесс
является
ступенчатым
(
digital
)
и
результирующая
толщина
пленки
определяется
не
временем
проведения
процесса,
как
обычно
принято
в
других
методах
роста,
а
числом
циклов
МН
.
Как
правило,
температура
синтеза
тонких
пленок
методом
МН
существенно
ниже,
чем
в
других
методах
и
не
превышает
величины
300
-
400
°
С
.
Важной
особенностью
метода
МН
является
то,
что
можно
по
желанию
на
любом
цикле
МН
изменить
химический
состав
используемых
реагентов
и
получать
слои
другого
состава
.
Такое
чередование
реагентов
по
выбранной
программе
позволяет
синтезировать
многослойные
структуры
с
регулированием
химического
состава
и
толщины
с
предельной
точностью
в
один
монослой
вещества
.
Еще
одним
достоинством
метода
МН
является
то,
что
геометрия
подложки
на
микроуровне
не
играет
роли
в
химических
реакциях
и
вся
доступная
для
молекул
реагентов
поверхность
покрывается
равномерным
и
сплошным
слоем
вещества,
в
том
числе
поры,
трещины,
ступени,
фотолитографический
рельеф
и
другие
неоднородности
подложки
.
4
К вопросу об отечественном научном приоритете (Ранние публикации русских ученых)
Основные
принципы
метода
МН
были
сформулированы
в
докторской
диссертации
С
.
И
.
Кольцова
в
1970
г
.
«Синтез
твердых
веществ
методом
Молекулярного
Наслаивания»
ЛТИ
им
.
Ленсовета,
Л
.
и
состоят
в
следующем
:
1
.
Воспроизводимый
синтез
-
химическая
сборка
твердых
веществ
заданного
сложного
состава
и
регулярного
химического
строения
должен
быть
основан
на
использовании
необратимых
в
условиях
синтеза
реакций
функциональных
групп
на
поверхности
твердого
тела
с
молекулами
низкомолекулярного
вещества,
причем
последние
не
должны
реагировать
между
собой
.
Это
исключает
возможность
протекания
параллельных
трудно
контролируемых
реакций
в
газовой
или
жидкой
фазе
вне
поверхности
твердого
тела
.
2
.
Химическая
сборка
данного
вещества
осуществляется
путем
многократного
чередования
двух
или
нескольких
реакций,
которые
в
определенной
заданной
последовательности
проводятся
на
поверхности
твердого
тела
.
В
результате
каждой
из
этих
реакций
к
поверхности
должен
присоединиться
лишь
один
монослой
новых
функциональных
групп,
химический
состав
и
строение
которых
определяется
природой
молекул
используемых
на
данной
стадии
низкомолекулярного
вещества
.
Эти
структурные
единицы,
являющиеся
частью
молекулы
низкомолекулярного
вещества,
должны
содержать
активные
атомы
или
группы
атомов,
которые
были
бы
способны
химически
присоединять
в
ходе
следующей
необратимой
реакции
с
другим
низкомолекулярным
веществом
соответствующие
новые
функциональные
группы,
также
способные
реагировать
на
следующей
стадии
синтеза,
причем
каждая
последующая
реакция
осуществляется
лишь
после
полного
завершения
предыдущей
.
Пример
схемы
циклов
МН
при
синтезе
пленок
оксида
титана
на
поверхности
кремния
.
Пример последовательности взаимодействия молекул ТМА и воды в потоке сухого азота с подложкой при синтезе пленки Al2O3
. [1]
[3]
[5]
[2]
[4]
[6]
1 -
300K, 2 -
330K, 3 -
370K
4 -
400K, 5 -
420K, 6 -
550K Температурная
зависимость
толщины
слоя
TiO
2
,
полученного
методом
МН,
по
данным
эллипсометрии
.
Влияние туннельно
-
тонких прослоек оксида хрома, введенных методом МН в контакты металл
-
полупроводник (диод Шоттки).
1
-
4,2 нм
2
-
5,5 нм
3
-
6,3 нм
Вольт
-
амперные характеристики (ВАХ) после термоотжига структур при 770К в течение: 1.
-
3мин., 2.
-
8мин., 3.
-
15мин., 4.
-
25мин.
ВАХ структур Si
-
Al с прослойками оксида хрома разной толщины
Исследование с помощью Оже
-
спектроскопии с послойным ионным травлением и малоугловой дифракции структур типа сверхрешток, полученных методом МН.
Достоинством
метода
МН
является
то,
что
вся
поверхность
подложки,
доступная
для
молекул
прекурсора,
покрывается
сплошным
равномерным
слоем
синтезируемого
материала
.
Слой
Cr
2
O
3
толщиной
6
,
0
нм,
полученный
методом
МН
на
термическом
окисле
кремния
различной
толщины,
резко
снижал
его
пористость
Иллюстрация
преимущества
метода
МН
перед
методами
физического
нанесения
пленок
Влияние слоя оксида титана толщиной 1 нм, встроенного в матрицу пленки оксида алюминия толщиной 100 нм на разном расстоянии от подложки, на величину захваченного заряда в МДП структуре на кремнии.
Величина захваченного заряда для
разных структур
Три типа структур, синтезированных методом МН.
13
Электронная микроскопия пленок
Al2O3
и Ta2O5 на кремнии при различных режимах синтеза
14
Фотовольтаическая
индустрия
использует
все
более
тонкие
пластины
кремния
с
целью
уменьшения
доли
чистого
кремния
на
единицу
площади
солнечных
элементов
(СЭ)
.
Отношение
поверхности
к
объему,
соответственно,
увеличивается
и
защита
поверхности
подложки
становится
все
более
актуальной
.
Одной
из
важных
задач
повышения
эффективности
СЭ
является
снижение
плотности
поверхностных
состояний
и
связанной
с
ними
скорости
поверхностной
рекомбинации
.
В
1993
-
98
г
.
нами
были
исследованы
слои
Al
2
O
3
,
полученные
методом
МН
на
кремнии
.
Исследование
C
-
V
характеристик
однослойных
и
многослойных
структур
показало
возможность
управления
величиной
встроенного
заряда
в
диэлектрике
как
в
процессе
синтеза
слоев,
так
и
последующих
обработок
.
Особенно
важным
является
правильный
выбор
прекурсоров
для
проведения
синтеза
оксидных
слоев
.
Нами
были
найдены
условия
проведения
процесса,
включая
выбор
прекурсоров,
которые
приводили
к
получению
максимального
отрицательного
заряда
на
поверхности
кремния,
содержащего
слои
Al
2
O
3
,
полученные
методом
МН
.
Кроме
того,
был
разработан
процесс
создания
многослойных
структур
методом
МН,
при
котором
в
процессе
роста
слоев
в
объеме
пленки
встраивалась
потенциальная
яма,
захватывающая
электроны
и
хранящая
их
длительное
время
.
Это
свойство
в
дальнейшей
работе
было
использовано
нами
для
создания
структур
энергонезависимой
памяти
и
защищено
патентом,
вошедшим
в
число
100
лучших
патентов
РФ
.
В
2006
г
.
итальянские
исследователи
также
установили
возможность
создания
оксидных
слоев
методом
МН
-
ALD
на
поверхности
кремния
в
солнечных
элементах
и
использовали
его
для
снижения
скорости
поверхностной
рекомбинации
носителей
заряда
и,
как
результат,
повышение
эффективности
преобразования
световой
энергии
в
электрическую
.
15
Еще
одним
полезным
применением
метода
МН
является
возможность
создания
переходных,
буферных
слоев
в
контакте
двух
различных
материалов
и
снижения
несоответствия
их
структуры,
температурных
коэффициентов
расширения,
работы
выхода
и
др
.
Например,
методом
МН
создаются
буферные
слои
для
создания
СЭ
на
основе
CuInGaSe
пленок
с
высоким
КПД
на
подложках
большой
площади
.
Особенно
перспективен
метод
МН
для
создания
прозрачных,
защитных
слоев
на
поверхности
солнечных
элементов
большой
площади
.
Защитные
слои
могут
иметь
характер
сплошного
совершенного
покрытия,
обладающего
низкой
проницаемостью
для
молекул
воды
и
кислорода,
приводящих
к
постепенной
деградации
структур
.
Положительное
свойство
покрытий,
полученных
методом
МН
достаточно
хорошо
изучено
.
Многолетний
опыт
исследований
слоистых
структур
показал
высокую
степень
сплошности
полученных
слоев
.
Отсутствие
пор
в
покрытиях
большой
площади
является
отличительной
чертой
метода
МН
.
Это
является
следствием
того,
что
реакции
наслаивания
протекают
во
всех
точках
поверхности,
где
имеются
необходимые
для
этого
функциональные
группы
.
Даже
наличие
частиц
пыли
не
является
проблемой,
так
как
молекулы
прекурсоров
проникают
во
все
поры,
трещины
и
дефекты
подложки
и
образуют
твердотельный
продукт
реакции
.
Хорошо
известно
упрочняющее
свойство
покрытий,
полученных
методом
МН,
обусловленное
заращиванием
микротрещин
стекол,
ответственных
за
низкую
прочность
ряда
стекол
.
Еще
одним
достоинством
метода
МН
является
возможность
создания
каталитических
покрытий
из
оксидов,
приводящих
к
повышению
скорости
окисления
органических
загрязнений
под
действием
света
на
каталитическом
покрытии
и,
следовательно,
к
его
самоочищению
.
Метод
МН
позволяет
одновременно
обрабатывать
большое
количество
подложек
групповым
методом
в
реакторах
требуемого
размера
.
Эта
технология
легко
масштабируема
.
16
Фотография
разработанной
нами
установки
для
синтеза
оксидных
слоев,
в
том
числе
для
структур
на
основе
кремния,
предназначенных
для
солнечной
энергетики
Автор
hoodriver
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
100
Размер файла
9 808 Кб
Теги
элементы, солнечные
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа