Материал: IBohtBKiQD
11
Рисунок 6 – Картографирование коэффициента экстинкции и толщины пленки µc-Si, (модифицированный рецепт) по площади подложки
Рисунок 7 – Спектры FTPS сигнала с образцов планарных резисторов на основе пленок μc-Si:H, осажденных по базовому (µc-Si_1) и модифицированному режимам
(µc-Si_3)
неоднородности толщины по площади подложки до 10-12%. На рисунке 7 представлены спектры фототока образцов μc-Si_1 и µc-Si_3, осажденных по базовому и модернизированному режимам осаждения. Результаты исследования спектров фототока, полученных при помощи методики ИКФурье спектроскопии фототока показали, что образец μc-Si_3, полученный по модернизированному режиму имеет FTPS сигнал в областе дефектов в несколько раз ниже, чем для образца µc-Si_1, осажденного по базовому режимом, что свидетильствует о меньшем количестве дефектов в пленке µc-Si_3.
Значение доли кристаллической фазы (67%) нелегированного слоя μc-Si:H второго каскада для базового рецепта несколько выше по сравнению с оптимальным значением 50-60%, приводимым в литературе [2].
Таблица 1 Средние значения параметров пленок i-µc-Si:H, полученных при разных режимах
|
Поток газа, |
Мощн |
|
|
Неоднородно |
Доля |
||
Номер |
|
ст.л/м |
Pr, |
Скорость |
сть толщины |
кристалли- |
||
|
ость, |
|||||||
образца |
|
|
|
мбар |
роста, А/c |
по площади |
ческой фазы, |
|
SiH4 |
|
H2 |
Вт |
|||||
|
|
|
|
подложки, % |
% |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
µc-Si_1 |
410 |
|
11000 |
3550 |
3,1 |
4,27 |
20,30 |
62-64 |
µc-Si_2 |
410 |
|
11000 |
3000 |
3,1 |
4,12 |
28,57 |
52-54 |
µc-Si_3 |
515 |
|
8500 |
3550 |
2,5 |
5,07 |
6,80 |
52-54 |
12
Поэтому на основе полученных экспериментальных данных был предложен оптимизированный по доле кристаллической фазы режим осаждения слоя i-μc-Si:H (образец µc-Si_3) с долей кристаллической фазы, равной 53% (см. таблицу 1).
Четвертая глава посвящена исследованию однокаскадных ТСЭ и двухкаскадных ТСМ разной площади (см. рисунок 8). В таблице 2 представлены среднее значение параметров различных ФЭП их стандартное отклонение после изготовления. Однокаскадные ТСЭ изготавливались на стеклянной подложке с одним p-i-n переходом, где в качестве i-слоя использовались пленки i-a-Si:H или i-pm-Si:H толщиной равной 200 нм. ТСЭ изготавливались в виде структуры с последовательно нанесенными слоями на стеклянную подложку: ZnO в качестве прозрачного проводящего оксида (ППО) толщиной 2 мкм, p-слоем толщиной 10 нм, буферным слоем аморфного SiC:H толщиной 5 нм, нелегированным слоем i-a-Si:H толщиной 200 нм и n- слоем легированным фосфором толщиной 15 нм. На рисунке 8а представлены фотографии однокаскадных ТСЭ.
Анализ ВАХ однокаскадных ТСЭ на основе pm-Si:H позволил установить, что наиболее эффективный солнечный элемент на основе слоя i-pm-Si:H был получен при разбавлении силана водородом RH = 31 и давлении в ростовой камере Pr - 2,4 мбар. Результаты исследования показали, что наличие подслоя pc-Si:H с толщиной 2-3 нм позволяет увеличить эффективность преобразования однокаскадных ТСЭ на основе аморфного кремния в среднем на 0,2%. Увеличение КПД происходит за счет увеличения фактора заполнения (FF) и напряжения холостого хода (Uxx). Следует отметить, что
введение данного подслоя pc-Si:H не ухудшает стабильности параметров фотоэлектрических элементов на основе пленок i-a-Si:H и i-pm-Si:H. Однокаскадные ТСЭ на основе i-pm-Si:H характеризовались деградацией равной 15%, в то время как ТСЭ на основе i-a-Si:H имели деградации равную 19%. Уменьшение деградации ячеек на основе pm-Si:H, по-видимому, связано с наличием нанокристаллической фазы 5% (данные спектроскопии комбинационного рассеяния) и с большим содержанием водорода в пленке (18% против 14% - по данным ИК-Фурье спектроскопии).
13
Кроме однокаскадных ТСЭ были приготовлены и исследованы двухкаскадные ТСМ, а также минимодули, которые изготавливались из различных мест стеклянной подложки. ТСМ состоит из набора последовательно и параллельно соединённых между собой двухкаскадных ТСЭ, которые формировались на основе однокаскадной p-i-n структуры, описанной выше, с добавлением второго p-i-n перехода (оба перехода соединены последовательно), где в качестве i-слоя использовался i-μc-Si:H, толщиной 800 нм. На рисунке 8б и 8в представлены фотографии минимодуля размером 100х100 мм и ТСМ размером 1100х1300 мм. Анализ результатов измерения квантового выхода позволил установить, что все изготовленные двухкаскадные ТСМ и минимодули характеризуются ограничением по току, генерируемому в p-i-n переходе на основе i-µc-Si:H.
Были изготовлены и исследованы две серии ФЭП по 42 минимодуля: серия минимодулей mm_i305 формировалась по базовому режиму, а серия mm_i745 по измененному режиму нанесения слоя i-μc-Si:H второго p-i-n перехода. Измененный режим осаждения данного слоя i-μc-Si:H был выбран по результатом исследований, изложенных в третей главе данной работы. Данный слой i-μc-Si:H (образец μc-Si_2) имеет сниженную долю кристаллической фазы пленки равной в среднем 53%.
В таблице 2 представлены среднее параметры и их среднее отклонение для каждой серии минимодулей. Было установлено, что средняя эффективность минимодулей, изготовленных по модернизированному режиму возросла на 0,1% относительно средней эффективности (10,5%) минимодулей изготовленных по базовому режиму. Увеличение эффективности произошло за счет увеличения средних значений напряжения холостого хода на 0,42 В, шунтирующего сопротивления в два раза и фактора заполнения на 1,63 %. При этом ток короткого замыкания снизился на 0,65 мА/см2. Для определения влияния неоднородности свойств слоя i-μc-Si:H на ТСМ исследовался разброс параметров минимодулей для каждой серии. Установлена корреляция неоднородности тока короткого замыкания по серии минимодулей, расположенных по краях подложки с изменением коэффициента экстинкции и толщины пленок i-μc-Si:H, осажденных в модернизированном режиме. Стандартное отклонение по току короткого замыкания минимодулей серии mm_i754 равняется 0,35%, что превышает более чем в три раза значение стандартного отклонения по току короткого замыкания минимодулей серии mm_i305. Однако стандартное отклонение среднего напряжения холостого хода для серии mm_i754 было в два раза меньше. Показано, что для данной конфигурации фотоэлектрического элемента ТСМ большой площади (длинного и узкого, расположенного вдоль стороны стеклянной подложки 1300 мм), используемого в базовой технологии, неоднородность напряжения холостого хода по длине элемента влияет сильнее на падение эффективности при объединении элементов в модуль, чем неоднородность тока короткого замыкания по длине элемента. Для снижения потерь, связанных с объединением изготовленных по модифицированному режиму элементов в модуль,
14
была предложена измененная схема с шестью параллельными соединениями группами элементов вместо базовой схемы состоящей из трех параллельных соединений. Произведенная оценка показала, что при применении данной схемы можно увеличить эффективность ТСМ на 0,15%.
Исследование фотоиндуцированной деградации двухкаскадных минимодулей показало, что значение деградации эффективности минимодулей, осажденных по модифицированному рецепту, равной 11%, на треть ниже, по сравнению со значением деградации эффективности минимодулей, осажденных по модифицированному рецепту, равной 15% (см. рисунок 9).
Таблица 2. Среднее значение параметров ФЭП их стандартное отклонение
№ |
Тип структуры |
Uхх, В |
Iкз, А/см2 |
FF, % |
η, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
c_va96_3.3 |
однокаскадная ячейка на |
0,91 |
12,81 |
69,56 |
8,13 |
|
основе i-pc-Si:H/i-pm-Si:H |
±0,01 |
±0,1 |
±0,1 |
±0,16 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
c_va95_3.3 |
однокаскадная ячейка на |
0,90 |
12,83 |
68,52 |
7,95 |
|
основе i-pm-Si:H |
±0,01 |
±0,3 |
±0,4 |
±0,46 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
c_vc36_3.3 |
однокаскадная ячейка на |
0,90 |
14,37 |
71,59 |
9,24 |
|
основе i-pc-Si:H/i2-a-Si:H |
±0,01 |
±0,1 |
±0,1 |
±0,13 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
c_vc24_3.3 |
однокаскадная ячейка на |
0,89 |
14,13 |
71,46 |
8,98 |
|
основе слоя i2-a-Si:H |
±0,01 |
±0,1 |
±0,1 |
±0,11 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
mm_i305 |
двухкаскадный минимодуль |
13,3 |
11,35 |
69,5 |
10,5 |
|
(базовый режим) |
±0,2 |
±0,1 |
±2,4 |
±0,37 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
mm_i745 |
двухкаскадный минимодуль |
13,75 |
10,7 |
72,1 |
10,6 |
|
(модернизированный режим) |
±0,1 |
±0,35 |
±1,44 |
±0,35 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
M_1 |
двухкаскадный модуль (базовый |
71,5 |
2,84 |
69,6 |
9,8 |
|
режим) |
±1,1 |
±0,02 |
±1 |
±0,1 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
M_3 |
двухкаскадный модуль |
73,4 |
2,79 |
69,3 |
9,9 |
|
(модернизированный режим) |
±0,8 |
±0,03 |
±1 |
±0,1 |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
|
Рисунок 9 - Зависимость средней деградации эффективности для двух серий минимодулей, осажденных по базовому режиму и по модернизированному режиму
Для обоих серий минимодулей было получено, что сильнее всего подвержен деградации фактор заполнения, в меньшей степени ток короткого замыкания. Деградация напряжения холостого хода выражена слабо. Были изготовлены и исследованы две серии M_1 и M_3 ТСМ большой площади на основе слоя i-μc-Si:H, осажденного при базовом и модифицированном режиме, соответственно, результаты, которых представлены в таблице 2.
15
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1.Найдены режимы осаждения пленок нелегированного микрокристаллического кремния с оптимальной долей кристаллической фазы, равной 53%, при неоднородности толщины пленки по площади подложки, равной 6,8%.
2.Показана возможность увеличения скорости роста пленок нелегированного микрокристаллического кремния на 15 % (до 5,1 А/c), что может позволить повысить производительность технологической линии двухкаскадных тонкопленочных солнечных модулей.
3.Впервые были получены пленки аморфного гидрогенизированного кремния
снанокристаллическими включениями, характеризующиеся повышенной концентрацией водорода и неоднородным распределением нанокристаллических включений по толщине, концентрация которых уменьшается от подложки к свободной поверхности.
4.Показано, что образование нанокристаллических включений в пленках a-Si:H происходит на начальном этапе роста при условии высокого разбавления силана водородом.
5.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 (что экспериментально подтверждено для случая разбавления силана водородом RH ~ 220 крат), а также изменением давления в ростовой камере при дальнейшем осаждении пленки на сформированном подслое.
6.На основании анализа ИК спектров тонких пленок аморфного, полиморфного и микрокристаллического кремния, полученных в разных режимах, по интегральным интенсивностям поглощения различных гидридных Si-H связей, были определены значения концентрации водорода и микроструктурного параметра пленок.
7.Установлено, что введение нелегированного подслоя кремния толщиной 2-3 нм до осаждения аморфного i-слоя однокаскадных ячеек ФЭП, приводит к увеличению напряжения холостого хода и шунтирующего сопротивления, и, как следствие, повышению фактора заполнения, что обеспечивает повышение эффективности в среднем на 0,2%.
8.Изучение неоднородности свойств нелегированных слоев микрокристаллического кремния по площади подложки на характеристики двухкаскадных ТСМ большой площади было реализовано за счет формирования набора из 42 минимодулей и исследования их параметров.
9.Деградация эффективности двухкаскадных тонкопленочных минимодулей на основе измененного режима осаждения нелегированного микрокристаллического слоя кремния снижена на 30%.