Функциональные материалы для приборов и систем в энергетике, Москва, сентября 2010 г. Разработка многобарьерных кремниевых фотоэлектрических преобразователей 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 (КПД 20%, 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 случай больших 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.

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 МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА С ДИФФУЗИОННЫМИ БАРЬЕРАМИ 0 W p+ W d x n+ pp+ ECEC EFEF EIEI EVEV Si Wn+Wn+ p+-Si Al n+-Si Si 3 N 4 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 ( Ом/кв ) В ИТОГЕ – относительно низкие значения FF (0,72…0,76 на см 2 ) МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯСТРУКТУРА С ИНВЕРСИОННЫМИ (ПОЛЕВЫМИ) БАРЬЕРАМИ - А.П. Горбань, В.Г. Литовченко Позиционно-чувствительные планарные фотоэлементы на основе системы Si-SiO 2 // Полупроводниковая техника и микроэлектроника Вып.4. - С МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА С ИНВЕРСИОННЫМИ (ПОЛЕВЫМИ) БАРЬЕРАМИ - А.П. Горбань, В.Г. Литовченко Позиционно-чувствительные планарные фотоэлементы на основе системы Si-SiO 2 // Полупроводниковая техника и микроэлектроника Вып.4. - С Si inv n+ W 0 W p+ d x SiO 2 ECEC EFEF EIEI EVEV p p+ + N s Al p+-Si inversion n+-Si SiO 2 Al p-Si n+-Si

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 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 С.58. МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА 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 С Al p+-Si Индуцирован- ный n++-Si SiO 2 + Si 3 N 4 Al n+-Si p-Si p + p n+n+ n ++ EVEV EFEF EIEI ECEC SiO Ns0Ns0 0 x d WnWn W Wp+Wp+ Si

p + p n+n+ n ++ EVEV EFEF EIEI ECEC SiO Ns0Ns0 0 x d WnWn W Wp+Wp+ Si 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 нм; 3 - заряженный диэлектрический слой SiO 2 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 МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ

Cолнечные элементы космического и наземного назначения на основе кремниевых многослойных структур с диффузионно-полевыми барьерами 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 2 МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ТОКОВ В ПРЯМОСМЕЩЕННЫХ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ КРЕМНИЕВЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ 4 МЕХАНИЗМЫ РЕКОМБИНАЦИИ В КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ С ПРОСТРАНСТВЕННО- НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ 5 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФОТОЭФФЕКТОВ В СИСТЕМАХ SI-SIO2 С ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 6 ОСОБЕННОСТИ ПРОСВЕТЛЕНИЯ И ПАССИВАЦИИ ФП С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО- ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ Уравнение интегральной нейтральности:

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ Рис.1 Зависимости S eff от N 0, рассчитанные для Q 0 > 0 (1-4) и для Q 0 0 (1-3) и для Q 0 < 0 (1'-3'). Δn=10 6 cм -3, p p =10 14 (1,1'), (2-2') и cм -3 (3-3'). Значения других параметров такие же, как на рис.1 n n =10 0 cm Q0>0Q0>0 Q0

Рис.3 Температурные зависимости S eff для Q 0 > 0 (1-3) и Q 0 < 0 (1'-3'). p p = cм -3, Δn = 10 6 cм -3, N 0 = (1,1'), (2-2') и cм -2 (3-3'). Значения других параметров такие же, как на рис.1 Рис.4 Зависимости S eff от уровня инжекции Δn, при Q 0 > 0 (1-3) и Q 0

предлжен самосогласованный подход к рассмотрению поверхностных рекомбинационных потерь в высокоэффективных кремниевых СЭ, учитывающий влияние на S eff зарядовых 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 инверсии поверхностные рекомбинационные потери при малых уровнях инжекции существенно уменьшаются. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНУЮ СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ

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 ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРЕМНИЕВОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ j r front + j r rare + j r 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 x n =10 -5 (1), (2), (3), (4), (5) см. р0 = см -3, Р= см -3, x p =10 -4 см, r = с, d = 0,025 см, m 2 = 0,02, m 1 = 0, x n =

Параметры x n =10 -4 (1) (2) (3) cм. N=10 19 см -3, Р= см -3, x p =10 -4 cм, r = с Оптимальные парам N = см -3, x n =10 -4 см, p 0 = см -3, d = 2, см, m 2 = 0,02, l п = 30 мкм. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ x n =10 -4 x n = x n =

Солнечные элементы разной площади. ВНЕШНИЙ ВИД СЭ с ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ

СПЕКТРАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КРЕМНИЕВОГО ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Амперваттная спектральная зависимость СЭ диффузионно-полевого типа с n-базой, просветленного слоем Si 3 N 4 толщиной 47 нм.

Типовая спектральная зависимость внешнего (1) и внутреннего (2) квантового выхода СЭ диффузионно-полевого типа с n-базой, просветленного слоем Si 3 N 4 толщиной 47 нм. 3 – спектр внешнего квантового выхода диффузионного СЭ космического назначения МНОГОСЛОЙНАЯ КРЕМНИЕВАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА С КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ

I кз = 294 0,93 мА; J кз = 42 0,13 мА/см 2 ; V рк = 0,615 0,001 В; К ф = 0,778 0,01; = 14,8 1,85 %; I м = 281 0,93 мА; J м = 40,1 0,13 мА/см 2 ; V м = 0,501 0,001 В; Р пад = 136 мВт/см 2 ; S СЭ = 7 см 2 ; T = 25,3 0,2 0 С. СВЕТОВЫЕ ВАХ СЭ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ АМ1,5: = 17,3% АМ0: = 14,8% Типичная СВАХ (в условиях АМ0) и фотоэнергетические параметры опытных образцов солнечных элементов, изготовленных на пластинах кремния р-типа проводимости.

I кз = 95,4 0,93 мА; J кз = 41 0,40 мА/см 2 ; V рк = 0,645 0,001 В; К ф = 0,802 0,01; = 15,6 1,95 %; I м = 90,5 0,93 мА; J м = 38,8 0,40 мА/см 2 ; V м = 0,546 0,001 В; Р пад = 136 мВт/см 2 ; S СЭ = 2,33 см 2 ; T = 25,1 0,2 0 С. СВЕТОВЫЕ ВАХ СЭ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ АМ1,5: = 18,3% АМ0: = 15,6% Типичная СВАХ (в условиях АМ0) и фотоэнергетические параметры опытных образцов солнечных элементов, изготовленных на пластинах кремния n-типа проводимости.

0,00,10,20,30,40,50,60, I, мА V, В I кз = 87,0 0,93 мА; J кз = 43,5 0,46 мА/см 2 ; V рк = 0,615 0,001 В; К ф = 0,799 0,01; = 15,7 0,55 %; I м = 82,2 0,93 мА; J м = 41,1 0,46 мА/см 2 ; V м = 0,52 0,001 В; Р пад = 136 мВт/см 2 ; S СЭ = 2,0 см 2 ; T = 25,3 0,2 0 С. СВЕТОВЫЕ ВАХ СЭ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ АМ1,5: = 18,4% АМ0: = 15,7% Типичная СВАХ (условия АМ0) и фотоэнергетические параметры опытных образцов солнечных элементов с базой n-типа проводимости и с текстурированной фронтальной поверхностью

Типичные СВАХ двух секций одной из изготовленных СБ космического назначения (условия АМ0, Р=1360Вт/см2, Т=25 0 С). P max 200 Вт/м2 > 14,7% ( АМ0 ) СВЕТОВЫЕ ВАХ СЕКЦИЙ БФ С ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕННЯ ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 V, B I, A S секции = 0,12 м 2 S батареи = 0,24 м 2

класса микроспутник Разработаны в рамках Национальной космической программы Украины для комплектации космических аппаратов класса микроспутник Внешний вид БФ КА КС5МФ2 Микрон

Лётный комплект БФ КА КС5МФ2 Микрон

Солнечные батареи БФК 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

ВНЕШНИЙ ВИД СБ с ДИФФУЗИОННО-ПОЛЕВЫМИ БАРЬЕРАМИ Солнечная батарея БФК-2.0-3(6,9). Солнечная батарея БФК-2.0-3(6,9). Разработаны по заказу МЧС Украины. Предназначены для комплектации профессиональной радиометрической аппаратуры нового поколения, которая эксплуатируется в полевых условиях

НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ Кремниевые фотопреобразователи с тыльным размещением разделяющих барьеров и токособирающих контактов

Конструкция экспериментального образца кремниевого фотопреобразователя нового типа с тыльным размещением токособирающих контактов Собирающий p+-n переход Пассивирующий SiO 2 Антирекомбинационный изотипный n+-n переход Антирекомбинацонный изотипный n+-n переход Фотоприёмная поверхность 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 SiO 2 толщиной 110 нм

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), кг20 КПД модуля, % Мобильная солнечная электростанция

Центр испытаний фотопреобразователей и батарей фотоэлектрических ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины единственный в Украине аттестован согласно Закону Украины ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины единственный 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 Измерения и испытания ФП и БФ выполнены в Центре испытаний фотопреобразователей и батарей фотоэлектрических ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины

Стендовая база Центра испытаний фотопреобразователей и батарей фотоэлектрических ІФП им. В.Е.Лашкарёва НАН Украины для проведения электрических и фототехнических испытаний БФ 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 В; - диапазоны измерения величины тока через БФ А, А; - длительность светового импульса – до 4 мс; - величина энергетической освещенности на поверхности БФ – до 1000 Вт/м 2.

Портативный измеритель фототехнических параметров солнечных элементов и фотоэлектрических батарей Фотон-3 Технические параметры: диапазоны измерения величины напряжения на БФ В, В, В, В; - диапазоны измерения величины тока через БФ А, А, А; - 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 - 5 в диапазоне 50…10000 Вт/м2 - 10%; - диапазон измерения температуры – С.

В Украине принята государственная целевая научно- техническая программа Создание химико- металлургической отрасли производства чистого кремния на протяжении 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.)

Спасибо за внимание!

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !