Материал: IBohtBKiQD

2

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Коньков Олег Игоревич,

Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург).

телевидения».

Защита состоится «18» июня 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.238.04 при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте: http://www.eltech.ru/.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является одним из самых перспективных направлений возобновляемой энергетики в мире. В Российской Федерации планируется до 2020 года ввести в строй солнечные электростанции суммарной мощностью суммарной мощности 1,5 ГВт. Уже сегодня в эксплуатацию запущен завод по производству тонкопленочных солнечных модулей (ТСМ) большой площади мощностью 90 МВт/год в г. Новочебоксарске. Однако для, того чтобы оставаться конкурентноспособным на рынке фотовольтаики, необходимо постоянное совершенствование характеристик фотопреобразующих устройств, как тонкопленочных солнечных элементов (ТСЭ), так и модулей на их основе.

Тонкопленочные солнечные элементы на основе пленок аморфного и микрокристаллического гидрогенизированного кремния, в отличие от классических кремниевых солнечных элементов, обладают значительными преимуществами, обусловленному использованием низкотемпературных процессов, большой площадью ТСМ и малым расходом материала. Однако у ТСМ существуют и недостатки, в первую очередь, связанные с относительно низкой эффективностью и наличием деградации параметров фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в процессе эксплуатации.

Целью диссертационной работы являлось повышение эффективности и стабильности тонкопленочных солнечных модулей большой площади за счет совершенствования технологии плазмохимического осаждения тонких нелегированных пленок аморфного и микрокристаллического гидрогенизированного кремния и исследование свойств пленок и ФЭП на их основе.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1.Разработка технологии формирования пленок нелегированного аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллическими включениями (i-pm-Si:H) и исследование их состава, структуры и фотоэлектрических свойств.

2.Разработка технологии получения качественных и однородных по свойствам тонких нелегированных пленок микрокристаллического кремния (i-µc-Si:H) на подложках большой площади и комплексное исследование их свойств.

3.Формирование однокаскадных ТСЭ и двухкаскадных ТСМ разной площади

иисследование влияния технологических режимов на их характеристики.

Научной новизной обладают следующие результаты работы:

1. Впервые были получены нелегированные пленки аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллическими включениями, которые характеризуются повышенной концентрацией водорода и наличием неоднородного распределения нанокристаллических включений по толщине, концентрация которых уменьшается от подложки к свободной поверхности.

4

2.Все научные положения, сформулированные в работе, отличаются научной новизной.

3.Оригинальность решений и их новизна подтверждены наличием патента РФ на полезную модель №127516 «Тонкопленочный солнечный элемент» (опубл.: 27.04.2013. Бюл. № 12), а также заявкой №2013116584 от 12.04.2013 на патент РФ «Тонкопленочный солнечный элемент», которая, после прохождения формальной экспертизы, в настоящее время проходит экспертизу по существу.

Практическая значимость работы

1.Разработана технология получения нелегированных пленок аморфного гидрогенизированного кремния, содержащих нанокристаллические включения, обладающих повышенной фоточувствительностью и стабильностью.

2.Продемонстрирована возможность получения нелегированных пленок аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллическими включениями, с различной оптической шириной запрещенной зоны.

3.Экспериментально установлено, что использование буферного слоя между p-

иi-слоями позволяет создавать однокаскадные ТСЭ, обладающие повышенной эффективностью, на основе нелегированных пленок аморфного гидрогенизированного кремния (i-a-Si:H).

4.С использованием полученных пленок i-μc-Si:H созданы двухкаскадные фотоэлектрические модули разной площади, обладающие повышенной эффективностью и стабильностью.

5.Впервые в России получены двухкаскадные ТСМ на основе аморфного и микрокристаллического кремния большой площади 1,43 м2 с начальной эффективностью 10,6%.

6.Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «НТЦ ТПТ», а также в учебный процесс в СПБГЭТУ, где используются в лекциях и при проведении лабораторных работ по дисциплине «Технологические основы формирования тонкопленочных солнечных модулей», что подтверждено соответствующими актами.

Научные положения, выносимые на защиту

1.Управление долей нанокристаллических включений в пленках a-Si:H достигается за счет формирования подслоя кремния толщиной 2-3 нм в условиях высокого разбавления силана водородом (например, при 220 кратном отношении потока водорода к потоку силана), а также изменением давления в ростовой камере.

2.Появление максимумов в спектрах фотопроводимости нелегированных пленок a-Si:H, полученных при высокой степени разбавления силана водородом и содержащих нанокристаллические включения, обусловлено неоднородным распределением водорода по объему пленок a-Si:H, а также наличием высокой концентрации нанокристаллической фазы вблизи границы с подложкой.

3.Формирование нелегированного слоя μc-Si:H второго каскада двухкаскадного фотоэлектрического преобразователя с долей микрокристаллической

5

фазы равной 53%, обеспечивает увеличение значений напряжения холостого хода и фактора заполнения, а также улучшение их однородности по площади подложки, что приводит к повышению эффективности преобразования солнечного модуля большой площади на 0,5%.

4. Уменьшение доли кристаллической фазы в пленке i-µc-Si способствует повышению степени пассивации границ микрокристаллитов аморфной фазой кремния

иснижению плотности дефектов, что приводит к уменьшению деградации двухкаскадных тонкопленочных солнечных минимодулей.

Апробация результатов работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и школах: Всероссийской научной молодёжной школе "Физика и технология микро- и наносистем" (СанктПетербург, 24-25 ноября 2011 г.), V Всероссийском школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (Рязань, 2012 г.), Международных научных конференциях «Аморфные

имикрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2-5 июля 2012 года и 7-10 июля 2014 г.), 8-й Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и энергетике» (7-9 июня 2012 года, Чебоксары), XIII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика» (Санкт-Петербург, 24-26 октября 2012 г.), X Всероссийской научнотехнической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 19-20 июля 2013 г.), Российской конференции «Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики» (Санкт-Петербург, 11-14 ноября 2013 г.), X Международной конференции «Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики» (Черноголовка, 30 июня - 2 июля 2014 г.), Международной конференции «Возобновляемая энергетика. Прикладные аспекты разработки и практического использования» (Черноголовка, 30 июня - 2 июля 2014 г.), Международная конференция «Возобновляемая энергетика. Прикладные аспекты разработки и практического использования» (г. Черноголовка, 30 июня – 2 июля 2014 г); I и II Всероссийских научных конференциях «Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечных элементов 3-го поколения» (Чебоксары, 2013 и 2014 гг.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

(2012-2014 гг.) и других.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 21 печатной работе, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, патент и 17 работ в трудах, сборниках, а также в других изданиях международных, всероссийских и региональных конференций.

Личный вклад автора заключается в постановке задачи, поиске оптимальных режимов формирования образцов тонких пленок кремния, исследовании их свойств с использованием современных диагностических методов (ИК-Фурье спектроскопии и