Структурные особенности и электрические свойства термомиграционных каналов Si(Al) для высоковольтных фотоэлектрических преобразователей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследования структурных особенностей и электрических свойств сквозных термомиграционных р-каналов Si(Al) в пластине кремния. Структурные исследования выполнены рентгеновскими методами проекционной топографии, кривых дифракционного отражения и растровой электронной микроскопии. Показано, что интерфейс канал — матрица является когерентным без образования дислокаций несоответствия. Показана возможность применения массива термомиграционных р-каналов из 15 элементов для формирования монолитного фотоэлектрического солнечного модуля в кремниевой пластине Si(111) на основе р-каналов шириной 100 мкм со стенками в плоскости . Монолитный солнечный модуль обладает эффективностью преобразования 13.1%, напряжением холостого хода 8.5 В и плотностью тока короткого замыкания 33 мА/см².

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Ломов

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: lomov@ftian.ru
Россия, Москва

Б. М. Середин

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: lomov@ftian.ru
Россия, Новочеркасск

С. Ю. Мартюшов

Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов

Email: lomov@ftian.ru
Россия, Троицк

А. А. Татаринцев

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук

Email: lomov@ftian.ru
Россия, Москва

В. П. Попов

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: lomov@ftian.ru
Россия, Новочеркасск

А. В. Малибашев

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: lomov@ftian.ru
Россия, Новочеркасск

Список литературы

  1. Markvart T., Castafier L. Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications. Oxford — New York — Tokyo: Elsevier Science Ltd., 2003.
  2. Philipps S.P. et al. Present Status in the Development of III — V Multi-Junction Solar Cells. In: Cristóbal López A., Martí Vega A., Luque López A. (eds). Next Generation of Photovoltaics. Springer Series in Optical Sciences. 2012. V. 165. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23369-2_1
  3. Da X., Chen C., Deng Y., Wood A., Yang G., Fei C., Huang J. Pathways to High Efficiency Perovskite Monolithic Solar Modules // PRX ENERGY1, 013004 (2022). doi: 10.1103/PRXEnergy.1.013004.
  4. Ryan C. Chiechi, Remco W.A. Havenith, Jan C. Hummelen, L. Jan Anton Koster, Maria A. Loi. Modern Plastic Solar Cells: materials, mechanisms and modeling // Materials Today. 2013. V. 16. P. 281.
  5. Ryan M. France, John F. Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young, Alan Kibbler, Myles A. Steiner. Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices // Joule 6 (5), 1121–1135, May 18, 2022. 1123. doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.024
  6. Anthony T.R., Cline H.E. Lamellar devices processed by thermomigration, J. Appl. Phys. 1977. V. 48. P. 3943–3949.
  7. Pfann W.G. Zone Melting. 2nd Ed. New York: Wiley, 1963.
  8. Lozovskii V.N., Lunin L.S., and Popov V.P. Temperature-Gradient Zone Recrystallization of Semiconductor Materials. M.: Metallurgiya, 1987.
  9. Lozovskii V.N., Udaynskaya A.I. Investigation of the Mechanism of Silicon Crystallization from an Aluminum-Silicon Melt by Temperature Gradient Zone Melting // Sov. Phys. Crystallography. 1968. V. 13. № 3. P. 565–566.
  10. Lozovskii V.N., Popov V.P. On the stability of the growth front during crystallization by the moving solvent method // Sov. Phys. Crystallography. 1970. V. 15. № 1. P. 149–154.
  11. Cline H.E., Anthony T.R. Thermomigration of aluminum-rich liquid wires through silicon // J. Appl. Phys. 1976. V. 47. № 6. P. 2332–2336.
  12. Buchin E.Y., Denisenko Y.I., Simakin S.G. The structure of thermomigration channels in silicon // Technical Physics Letters. 2004. V. 30. № 3. P. 205–207.
  13. Norskog A.C., Warner Jr.R.M. A horizontal monolithic series-array solar battery employing thermomigration // J. Appl. Phys. 1981. V. 52. № 3. P. 1552–1554.
  14. Lozovskii V.N., Lomov A.A., Lunin L.S., Seredin B.M., Chesnokov Yu.M. Crystal Defects in Solar Cells Produced by the Method of Thermomigration // Semiconductors. 2017. V. 51. № 3. P. 285–289.
  15. Eslamian M., Saghir M.Z. Thermodiffusion Applications in MEMS, NEMS and Solar Cell Fabrication by Thermal Metal Doping of Semiconductors // FDMP. 2012. V. 8. № 4. P. 353–380.
  16. Реньян В.Р. Технология полупроводникового кремния. М.: Металлургия, 1969.
  17. Jasurbek G., Rayimjon A., Bobur R. Effect of the Local Mechanical Stress on Properties of Silicon Solar Cell // Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. 2021. V. 44. № 9. P. 125–133.
  18. Lomov A.A., Punegov V.I., and Seredin B.M. Laue X-ray diffraction studies of the structural perfection of Al-doped thermomigration channels in silicon // J. Appl. Cryst. 2021. V. 54. Р. 588–596.
  19. Lomov A.A., Punegov V.I., Belov A.Yu., Seredin B.M. High resolution X-ray Bragg diffraction in Al-doped thermomigration channels in silicon // J. Appl. Cryst. 2022. V. 55(3). Р. 558–568. doi.org/10.1107/S1600576722004319
  20. Morillon B. Etude de la thermomigration de l’aluminium dans le silicium pour la réalisation industrielle de murs d’isolation dans les composants de puissance bidirectionnels. Micro and nanotechnologies // Microelectronics. 2002. Р. 222.
  21. Середин Б.М., Ломов А.А., Заиченко А.Н., Гаврус И.В., Пащенко А.С., Малибашев А.В., Рубан Л.В. Электрические свойства кремниевых высоковольтных фотопреобразователей на основе сквозных термомиграционных каналов // Физика. СПб.: Политех-Пресс, 2021. С. 456–458.
  22. Середин Б.М., Попов В.П., Гаврус И.В., Заиченко А.Н. Применение локальной перекристаллизации кремния алюминием в фотовольтаике // Мокеровские чтения. М.: НИЯУ МИФИ, 2023. С. 146–147.
  23. Лозовский В.Н., Попов В.П., Даровский Н.И. Стартовая нестабильность линейных и точечных зон при зонной плавке с градиентом температуры. Кристаллизация и свойства кристаллов: сборник трудов. Новочеркасск, 1970. Т. 208. С. 39–43.
  24. Полухин А.С. Термомиграция неориентированных линейных зон в кремниевых пластинах (100) для производства чипов силовых полупроводниковых приборов // Компоненты и технологии. 2008. № 11. С. 97–100.
  25. Takeshi Yoshikawaz and Kazuki Morita. Solid Solubilities and Thermodynamic Properties of Aluminum in Solid Silicon // Journal of The Electrochemical Society. 150 ~8! G465-G468 ~2003! 0013-4651/2003/150~8!/G465/4/
  26. Seredin B.M., Kuznetsov V.V., Lomov A.A., Zaichenko A.N., Martyushov S.Yu. Precision silicon doping with acceptors by temperature gradient zone melting // J. Phys: Conf. Series. 2019. P. 39–46.
  27. Bowen D.K. & Tanner B.K. High Resolution X-ray Diffractometry and Topography. London, Bristol: Taylor & Francis, 1998.
  28. Sah C.T., Noyce R.N., Shockley W. Carrier Generation and Recombination in p—n Junction and p—n Junction Characteristics // Proceedings of the IRE. 1957. V. 45. № 9. P. 1228–1243.
  29. Sze S.M., Kwok K.Nc. Physics of semiconductor devices // A. John Wiley & Sons. Inc. Publ., 2007.
  30. Ломов А.А., Середин Б.М., Мартюшов C.Ю., Заиченко А.Н., Шульпина И.Л. Формирование и структура термомиграционных кремниевых каналов, легированных Ga // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 3. С. 467–474.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фрагмент схемы образца-пластины Si(111) с р-каналами Si(Al) (а) и места контактов для измерения электрических U—I—R-параметров p—n-перехода (б), где h — толщина пластины; L — расстояние между каналами; l — ширина канала; x = 0 — положение центра канала на поверхности пластины.

Скачать (142KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема монолитного солнечного модуля из нескольких элементов: 1 — исходная кремниевая пластина; 2 — p-канал Si(Al) (ThM процесс); 3 — рабочий p—n-переход; 4 — разделительная канавка; 5 — шунт Ag; 6 — p-слой Si(B) (твердотельная глубокая диффузия).

Скачать (101KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фрагменты SEM-изображений (а, б) и микрофотография (в) одного и того же участка поверхности Si(111) (а, в) и скола (б) термомиграционного p-канала Si(Al), ориентированного на поверхности пластины вдоль направления 112

Скачать (428KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фрагменты SEM-изображений тыльной поверхности Si(111) (а) и скола (б) двух соседних термомиграционных каналов Si(Al), ориентированных вдоль направления |112| и |110|.

Скачать (247KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фрагменты проекционных топограмм с массивом сквозных вертикальных ThM каналов Si(Al), сформированных вдоль направления пластины Si(111). Отражения: g || (440) (а), (б) и g || (224) (в). Излучение AgKα₁.

Скачать (376KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кривые дифракционного прохождения 220 отражения в области ThM канала Si(Al) в матрице Si(111) в зависимости от положения рентгеновского пучка относительно центра канала: х = 350 (1), 50 (2), 0 (3), –50 мкм (4). Излучение λ = 0.070931 нм.

Скачать (92KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Обратные характеристики I(U) (1, 2) для отдельных n—p—n-структур (см. рис. 1, б) образца и модельная кривая I(U) (3) для кремниевой пластины n-типа (Р, 1014 см⁻³) (а); металлургическая микрофотография канала SiAl (б); G — направление градиента температуры при термомиграции.

Скачать (164KB)
Метаданные
9. Рис. 8. I(U)-характеристики p—n-переходов AC (1) и BC (2) на границе р-канала (см. рис. 1, б). Сплошные линии (3), (4) представляют собой моделирование резкого p—n-перехода для Si n-типа (ρ = 45 Ом×см с α = 1.54 и α = 1 соответственно (а); температурные зависимости сопротивления R от ширины l канала Si(Al) для T = 1300 K (5), 1350 K (6) и 1400 K (7) (б).

Скачать (164KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Характеристики J — U (а) и Pd — U (б) для монолитных солнечных модулей MHSM при мощности излучения 1000 Вт/м². На обоих рисунках: 1 — эталонный модуль #A; 2 — дефектный модуль #B.

Скачать (101KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Плотность короткого замыкания Jsc (а), напряжение холостого хода Uoc (б) и коэффициент полезного действия Eff (в) для i-го солнечного элемента модуля #B (мощность излучения 1000 Вт/м², Tsc = 25°C).

Скачать (162KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Фрагменты рентгеновской проекции топограммы по методу Ланга 15-элементного MSCM-модуля (см. рис. 2) с совершенными (а) и дефектными (б) солнечными элементами: Sh₂₃, Sh₈₉ — Ag-шунты между каналами на задней стороне модуля; 1, 2 — рабочий р—n-переход; 3 — граница Ag-шунтов; 4 — левая граница разделительной канавки; nᵢ — номер p-канала. Отражение – 224, излучение — МоКα₁.

Скачать (215KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах