Материал: IBohtBKiQD

6

эллипсометрии, оптическая спектроскопия и др.), а также формировании на их основе ФЭП разного размера. Автор активно участвовал в обсуждении и анализе полученных результатов, а также в написании статей и тезисов докладов, подготовке заявок на патенты.

Методы изготовления и исследования. Все образцы пленок a-Si:H и μc-Si:H

были получены на установке плазмохимического осаждения из газовой фазы KAI11200 (KAI), установленной в НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе (ООО «НТЦ ТПТ»). Для исследования полученных пленок использовались следующие методы: спектральная эллипсометрия, ИК-Фурье спектроскопия, ИК-Фурье спектроскопия фототока и спектроскопия комбинационного рассеяния. Исследование пленок методом электронной микроскопии были проведены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Фотоэлектрические измерения пленок i-a-Si:H и i-pm-Si:H проводились на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

С использованием пленок i-a-Si:H и i-µc-Si:H изготавливались однокаскадные ТСЭ и двухкаскадные ТСМ разного размера. Изготовление ТСЭ и ТСМ, а также их характеризация, производились в ООО «НТЦ ТПТ». Определение параметров ФЭП осуществлялось по результатам исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) и спектральных зависимостей квантовой эффективности. Для анализа стабильности ФЭП образцы подвергались испытаниям на деградацию при освещении AM1.5 в течение 1000 часов и температуре 60 °С.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 142 наименования. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков и 21 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней показана актуальность развития солнечной энергетики, в частности, использования тонкопленочных кремниевых ФЭП. Анализируется современное состояние кремниевых тонкопленочных солнечных элементов и модулей, на основании которого формулируются проблемы и основные недостатки, снижающие их конкурентоспособность среди которых главными являются низкая эффективность и деградация в процессе эксплуатации. Рассмотрены характеристики однокаскадных и многокаскадных кремниевых ТСМ и проведен их сравнительный анализ. Рассмотрен технологический процесс производства двухкаскадного ТСМ на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Проведен анализ влияния технологических параметров на свойства материалов и параметры двухкаскадных тонкопленочных кремниевых ФЭП.

7

На основании результатов проведенного анализа литературы формулируется цель и основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена технологии получения и исследованию свойств нелегированных пленок кремния. Исследования проводились по двум направлениям: 1) изучение режимов осаждения слоев i-a-Si:H с целью улучшения их качества и равномерности; 2) разработка технологии осаждения i-pm-Si:H, так называемого полиморфного кремния, обладающего повышенными фоточувствительностью и стабильностью их характеристик.

Нанесение пленок кремния производилось на установке плазмохимического осаждения KAI из газовой фазы, которая предназначена для формирования тонкопленочных ФЭП на стеклянных подложках большого размера (1300х1100 мм). Частота ВЧ генератора установки KAI равняется 40,68 МГц.

Первая часть главы посвящена исследованию пленок i-a-Si:H, полученных при различных режимах осаждения: варьировалось разбавление силана водородом RH (0,7 – 8 крат), мощность, подаваемая на ВЧ электрод (150 - 400 Вт), давление в ростовой камере (0,2 - 0,6 мбар) и температура подложки (190-230 °С). Было обнаружено, что, по сравнению с осаждением при базовой мощности, равной 175 Вт и базовом давлении в камере 0,3 мбар, осаждение при 400 Вт (давлении в камере – 0,5 мбар) дает увеличение щели подвижности с 1,8 до 1,84 эВ и скорости роста пленки с 2 до 2,25 без ухудшения ее неоднородности толщины по площади подложки. Установлено, что минимум зависимости неоднородности от разбавления силана водородом достигается при RH равном 4, при этом ширина зоны увеличивается до 1,85 эВ, а значение микроструктурного фактора R падает с 0,12 до 0,06, что косвенно свидетельствует о возможном снижении фотоиндуцированной деградации в пленке.

Вторая часть данной главы была посвящена разработке технологии получения и исследованию свойств нелегированных пленок a-Si:H с нанокристаллическими включениями (полиморфный кремний, pm-Si:H). Нанесение пленок pm-Si:H производилось в два этапа: сначала осаждался подслой кремния при большом значении разбавления силана водородом RH, равном 220, толщиной 2-3 нм (протокристаллический кремний, pс-Si:H), а затем сразу наносился слой кремния толщиной 50-300 нм, режимы осаждения которого варьировались (разбавление RH=10-31, давление в ростовой камере 0,8-2,8 мбар, мощность, подаваемая на ВЧ электрод, равняется 1200-1800 Вт). Температура процесса поддерживается постоянной около 200 ˚С. Оказалось, что у всех пленок в области со стороны подложки присутствуют кремниевые нанокристаллические включения, толщина которой зависит от режима осаждения слоя кремния на втором этапе осаждения. На рисунке 1а и 1б представлены изображения пленок pm-Si:H, полученных при разных давлениях с областью расположения нанокристаллической фазы (со стороны подложки) равной 20-30 нм и 50-70 нм, соответственно. Кристаллическая природа включений подтверждается картиной электронной дифракции, представленной в

8

нижней вставке слева на рисунке 1, на которой присутствуют множественные рефлексы, подтверждающие наличие нанокристаллитов с разной ориентацией. Количество различных рефлексов показывает, что кристаллическая фаза, находящаяся в пленке, не имеет определенной ориентации. На изображении электронной дифракции, полученной от верхней части данного слоя (см. верхнюю вставку на рисунке 1а) присутствуют только диффузные кольца, соответствующие аморфному кремнию.

2

1

Рисунок 1 – (а) изображение поперечного сечения пленки кремния, осажденной при давлении 2,4 мбар. На вставке 1 – картина электронной дифракции от нижней части пленки pm-Si:H, на вставке 2 – картина дифракции от верхней части пленки pm-Si:H. (б) - изображение поперечного сечения пленки кремния, осажденной при давлении 1,6 мбар

По результатам обработки ИК спектров были определены интегральные интенсивности поглощения моногидридных, дигидридных, полисилановых связей, на основе которых рассчитаны содержание водорода в пленках и микроструктурный фактор. По полосе 2030 см-1 были определены интегральные интенсивности моногидридных связей на поверхности нанокристаллов в зависимости от параметров осаждения. Полученные пленки pm-Si:H характеризовались содержанием связанного водорода, равным 18-20%, что на 30% превышало содержание связанного водорода в пленках i-a-Si:H, осажденных при базовом режиме. Данные спектроскопии комбинационного рассеяния показали, что с увеличением разбавления и мощности доля нанокристаллической фазы растет, а исследуемые пленки pm-Si:H имеют неоднородное распределение нанокристаллической фазы и концентрации водорода по ее толщине. Используя спектры комбинационного рассеяния, была определена доля кристаллической фазы (2-10%) и средний размер кристаллитов (1-7 нм) полученных пленок pm-Si:H. Проведенные исследования показали, что, варьируя RH и давление, можно управлять оптической шириной запрещенной зоны пленок аморфного кремния

10

Рисунок 3 - Зависимости скорости роста пленки (а), доли кристаллической фазы (а) и

неоднородности толщины по площади подложки (б) от потока силана

Рисунок 4 - Зависимости скорости роста пленки (а), доли кристаллической фазы (а) и

неоднородности толщины по площади подложки (б) от мощности

Рисунок 5 - Зависимости скорости роста пленки (а), доли кристаллической фазы (а) и

неоднородности толщины по площади подложки (б) от давления