Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов

Продолжение таблицы 3.3.

№ образца	Температура,°С	Время диффузии, мин	Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
8	950	80	335	1,058	1,06
			335	1,058
			335	1,058
			340	1,09
			335	1,058
9	980	20	260	0,638	0,62
			250	0,590
			260	0,638
			255	0,613
			255	0,613
10		40	305	0,878	0,90
			310	0,907
			310	0,907
			315	0,936
			310	0,907
11		60	350	1,156	1,16
			355	1,189
			350	1,156
			350	1,156
			350	1,156
12		80	390	1,435	1,45
			390	1,435
			395	1,472
			395	1,472
			390	1,435

Результаты, приведенные в таблице 3.3 можно представить на графике (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии: 1 - Т = 920°С; 2 - Т = 950°С; 3 - Т = 980°С.

Следует заметить, что дифузию с использованием твердого планарного источника на основе нитрида бора необходимо проводить в окислительной среде, для чего необходима газовая система. Это объясняется тем, что в процессе испытаний данного источника (при диффузии в атмосфере воздуха) после диффузии на поверхности полупроводниковых пластин кремния можно было наблюдать темные пленки, которые не удаляются химической обработкой. Эти пленки аналогичны приведенным в пункте 3.1 для диффузии с использованием поверхностного источника на основе спиртового раствора борной кислоты.

3.4. Разработка и испытание источника на основе легированного окисла

Для устранения недостатков диффузии с применением простых неорганических соединений их смешивают с SiO2, используя метод совместного осаждения из тетраэтоксисилана (ТЭС) - Si(OC2H5)4.

Здесь будет рассмотрен метод диффузии из легированного окисла при использовании в качестве исходного легирующего соединения ортофосфорной кислоты.

Исследование этого метода диффузии показало, что исключительно важное значение имеет технология приготовления пленкообразующего раствора. В исходный раствор на основе смеси этилового спирта, ортофосфорной кислоты, воды и нескольких капель сильно разбавленной соляной кислоты добавляется ТЭС. Количества взятых C2H5OH, H3PO4, H2O и Si(OC2H5)4 были взяты в соотношении соответственно 4 : 10 : 5 : 1.

Данный раствор обладает пленкообразующей способностью и применение его следует после некоторого времени, которое называется временем созревания раствора. В нашем случае раствор наносился на полупроводниковую пластину кремния после 1 - 2 минут отстаивания. Опыт показал, что после приготовления раствора в нем происходят изменения, которые приводят к существенному увеличению вязкости раствора.

В качестве исходной пластины кремния была взята пластина p-типа (100) с удельным сопротивлением 10 Ом•см. Раствор наносился на пластину методом центрифугирования при скорости вращения центрифуги 2750 об/мин.

Далее проводился процесс термодеструкции, в результате которого на пластине кремния должен образоваться слой фосфоросиликатного стекла. Для этого пластины кремния помещались в диффузионную печь при температуре 600 - 700°С и выдерживались в ней 1 - 2 мин.

Затем проводился диффузионный отжиг в атмосфере воздуха при температуре 950°С в течение 30 минут. После извлечения пластины кремния из печи ее необходимо обработать в водном растворе плавиковой кислоты. В результате химической обработки удаляется пленка фосфоросиликатного стекла, из которой шла диффузия фосфора в кремний.

Контроль параметров осуществлялся путем измерения глубины залегания p - n перехода методом сферического шлифа. В таблице 3.4 приведены результаты измерений.

Таблица 3.4.

Значение глубины залегания p - n перехода при диффузии из легированного окисла (Т = 950°С, t = 30 мин)

Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
305	0,877	0,84
295	0,821
290	0,793
300	0,849
305	0,877

Если сравнить значение глубины залегания от времени при использовании поверхностного источника на основе легированного окисла с источником на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты, то можно заметить, что при одинаковых температурах и временах проведения диффузии, глубина залегания p - n перехода при использовании легированного окисла значительно выше. Это может быть объяснено зависимостью коэффициента диффузии от поверхностной концентрации легирующей примеси. В результате применения легированного окисла возможно получать более высокие поверхностные концентрации примеси, чем при использовании источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты.

Применение этого источника даст возможность получать диффузионные слои с заданными глубинами переходов при сравнительно низких температурах и меньшем времени проведения процесса диффузии, что очень важно в технологии изготовления кремниевых солнечных элементов.

4.ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ДИФФУЗАНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУР КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Источники для диффузии бора и фосфора, разработанные в результате выполнения дипломного проекта могут быть применены в технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Так как были созданы источники как для диффузии бора, так и для диффузии фосфора, то это позволяет создавать кремниевые СЭ на основе исходных пластин кремния n- и p-типов. Кроме того данные источники можно применять для создания кремниевых солнечных элементов на основе кремния p-типа с текстурированной поверхностью.

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):

NiSO47H2O - 45,4 г/л;

Na2SO410H2O - 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 Im•Um (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; Iф - фототок, генерируемый в полупроводнике солнечным излучением; Io - 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 Rп, 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 Rш, 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]:

(4.2)

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 Rн > ? достигает определенного значения Vхх, величина которого зависит как от интенсивности солнечного излучения, так и от характеристик самого ФЭП. С другой стороны, ток I во внешней цепи при увеличении Rн вначале изменяется слабо, оставаясь примерно равным току короткого замыкания Iкз, а затем достаточно резко уменьшается при дальнейшем увеличении Rн . На ВАХ существует единственная точка M, в которой мощность Pm, 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 Pm к произведению тока короткого замыкания ФЭП на напряжение холостого хода:

(4.4)

С учетом (4.4) КПД з полупроводникового фотопреобразователя может быть определен как отношение максимальной мощности, отдаваемой ФЭП во внешнюю нагрузку, к суммарной мощности солнечного излучения Pи, 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.

Результаты измерения световой нагрузочной ВАХ

V,B	0	0,008	0,017	0,025	0,031	0,034	0,035	0,036	0,038
I,mA	0,39	0,38	0,35	0,32	0,26	0,17	0,13	0,09	0

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 Vm=0,028 B, Im=0,3 mA. Площадь поверхности СЭ составила S=16 мм2, соответственно Pист=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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8