Контент, который может быть интересен каждому. Без ограничений по темам, форматам и стилям подачи.
В качестве базового материала для изготовления фотоэлектрических преобразователей тока применяется кремний, являющийся одним из самых распространенных элементов в земной коре, имеющий промышленное производство получения высокочистого поли-, моно-, мультикристаллического материала [1,2]. Выбор кремния в качестве исходного материала для солнечных батарей обусловлен целым рядом преимуществ в сравнении с другими (Ge, CuInSe2, GaAs, CdTe) элементами и сплавами [3].
В качестве базового материала для ФЭП нами рассматривается высокочистый рафинированный металлургический кремний (Siраф), поступающий на выращивание мультикристаллов путем направленной кристаллизации. При этом основными критериями оценки пригодности получаемых кристаллитов для изготовления ФЭП является химический состав, структура мультикристаллов и электрофизические параметры.
Электрофизические параметры в значительной степени зависят от химической чистоты кремния; от строения кристаллитов, их расположения, размеров, а также наличия межзеренных границ (МЗГ) [4,5]. Поэтому кроме очистки кремния от примесей необходимо особое внимание уделять структуре выращиваемого мультикремния, формируя ее при направленной кристаллизации с образованием столбчатого крупноблочного слитка с минимальным количеством МЗГ и наиболее однородным распределением электрофизических характеристик, удовлетворяющих требованиям потребителя [6].
Скорость роста кристалла определяется следующими факторами: скоростью образования зародышей кристаллизации и скоростью отвода тепла от фронта кристаллизации таким образом, чтобы температура в нем не превышала температуры плавления растущего центра кристаллизации. Практически в любом расплаве присутствуют примеси, которые влияют на скорость роста и чистоту кристалла. Реальные процессы кристаллизации всегда связаны с относительно большими скоростями роста так, что равновесие между расплавом и растущим кристаллом не успевает устанавливаться, т.е. оттесняемая от фронта кристаллизации в расплав примесь (при коэффициенте распределения k<1) не успевает равномерно распределяться по всему объему жидкости, и концентрация примеси у границы раздела возрастает. Таким образом, кристалл растет из слоя расплава, обогащенного примесью, причем это обогащение тем больше, чем больше скорость роста. Для получения совершенных моно-, мультикристаллов необходимо учитывать возможность кристаллизационного переохлаждения, связанного с накоплением примеси вблизи фронта кристаллизации. Это явление возникает при недостаточно крутом градиенте температуры в экспериментальной установке, что приводит к переохлаждению жидкости вблизи фронта кристаллизации (температура плавления слоя жидкости оказывается выше фактически существующего распределения температуры). В переохлажденной жидкости спонтанно могут возникнуть новые центры кристаллизации, в результате будет расти поликристалл. Во избежание структурного (кристаллизационного) переохлаждения необходимо создавать как можно более крутой градиент температур в экспериментальной установке [5].
На формирование кристалла влияет форма фронта кристаллизации, так как рост кристалла всегда происходит в направлении, перпендикулярном фронту кристаллизации, то есть при выпуклом фронте увеличивается вероятность исчезновения в процессе роста побочных центров кристаллизации и, следовательно, получения структурно совершенного моно-, мультикристалла. На форму фронта кристаллизации можно оказывать влияние, изменяя условия теплоотвода через растущий кристалл и используя контейнеры специальной формы.
Получение необходимых и, главное, стабильно повторяемых свойств поли-, моно- и мультикристаллического кремния для производства ФЭП существенно осложняется его структурными особенностями, важнейшей из которых является наличие МЗГ. В зависимости от типа границ характер их взаимодействия с фоновыми и легирующими примесями и, как следствие, концентрации и поведение носителей заряда в поликристаллическом полупроводнике могут отличаться необычайно резко. МЗГ в полупроводниках создают электрически активные центры. Такие центры могут играть роль ловушек для носителей заряда, сказываться на процессах рекомбинации и рассеяния [5]. При производстве ФЭП пластины кремния легируют и создают р-n-переходы. Возникающие в результате действия солнечного света на пластину носители заряда диффундируют до р-n-перехода, где и происходит разделение зарядов. Подвижность носителей заряда и времена их жизни зависят от характера МЗГ, которые и могут создавать такие электрически активные центры, влияющие на диффузию носителей заряда. От этого будет зависеть и КПД ФЭП. Известно, что в некоторых случаях МЗГ практически не влияют на подвижность электронов, а в других - оказывают вредное влияние и снижают КПД солнечных батарей. Это связано с локальной структурой границ: а) атомная структура границ тесно связана с кристаллической структурой объемного материала: существует ориентационная зависимость многих макроскопических свойств (теория переходной решетки); б) чередование на границе области хорошего и плохого согласования обеих соседних кристаллических решеток (островковая модель); в) МЗГ - это регулярное множество дислокаций; всегда велика роль оборванных связей в границах разного типа, создающих разрешенные уровни в запрещенной зоне и вызывающих локальный изгиб зон [5,8]. Вот почему очень важно получить не просто поликристаллический кремний, а профилированный мультикремний, в котором есть заданная ориентация соседних кристаллитов по оси вращения, углам вращения и т.д. В подобном с колонной структурой кремнии характер МЗГ создает более благоприятные условия в направлении минимизации энергии и приближении к равновесному состоянию.
Характеристика исследуемых образцов
С целью изучения влияния структуры мультикристаллического кремния на его электрофизические свойства и разработки технологии получения оптимальной (для КПД ФЭП) структуры были проведены эксперименты по выращиванию мультикремния из Siраф ЗАО «Кремний» (г. Шелехов Иркутской обл.). Для проверки возможности получения кремния «солнечного» качества проведены однократные, двукратные и трехкратные перекристаллизации. В соответствии с задачами очистки Siраф и формирования необходимой столбчатой структуры нами была использована нормальная направленная кристаллизация с расплавлением всего объема кремния и перемещением его через зоны роста (метод Бриджмена-Стокбаргера на установке СЗВН-20) [6]. При этом методе тигель с расплавом медленно опускается внутри графитового нагревателя, и после того, как расплав проходит через зоны роста, процесс кристаллизации прекращается. В промышленном масштабе желательна реализация таких условий, чтобы рос крупноблочный слиток с минимальным количеством МЗГ и наиболее однородным распределением электрофизических характеристик.
Расплавление всего объема мелкофракционного кремния до кристаллизации способствует дополнительной очистке от ряда примесей из твердой фазы (до спекания шихты) за счет вакуумной дегазации расплава. При температурах близких к температуре кристаллизации кремния из расплава также происходит отгонка ряда примесей (К, Al, P, As, Ca, Na, Ba) за счет вакуумной сублимации, основанной на различии упругости паров элементов [7].
Выращивание мультикремния осуществлялось в установке СЗВН-20 в институте геохимии СО РАН. В ростовых экспериментах использовался Siраф, а в качестве контрольной группы - кремний электронного сорта. В табл. 1 приведены результаты химического состава образцов мультикремния, полученного из Siраф, путем однократной (образцы М1-М3), двукратной (М6) и трехкратной (М8) перекристаллизаций. При этом наблюдалась достаточно высокая степень рафинирования и отгонка примесей (кроме бора) в конечную часть кристалла уже при первой кристаллизации (образцы М1-М3 см. табл. 1). Концентрация примесей в образцах мультикремния определялось атомно-эмиссионным методом [9].
Платформа предназначена для свободного распространения информации, собранной из доступных сетевых источников. Мы стремимся дать пользователю выбор и разнообразие, не навязывая тематику и формат.
Дайджесты по темам, вызывающим интерес у широкой аудитории.
Справочная информация по бытовым, культурным, технологическим вопросам.
Подборки контента, отобранного по тематике и релевантности.
Хронологическая лента публикаций без ограничений доступа.
📍 г. Челябинск, ул. Рубежная, д. 5, офис 122
☎ +7 (351) 800-54-91
📧 info@site.ru
🕓 Время приёма: ежедневно с 09:00 до 21:00
Сайт использует контент, размещённый в открытом доступе. Мы не проверяем его происхождение вручную и не редактируем содержимое. Материалы обрабатываются в автоматическом режиме.
Если вы считаете, что ваши права нарушены, пожалуйста, сообщите нам — информация будет проверена и при необходимости удалена.
Ресурс не является СМИ и не осуществляет журналистскую деятельность.