stringtranslate.com

Аморфный кремний

Аморфный кремний:

Аморфный кремний ( a-Si ) — это некристаллическая форма кремния, используемая для солнечных элементов и тонкопленочных транзисторов в ЖК-дисплеях .

Используется как полупроводниковый материал для солнечных элементов a-Si или тонкопленочных кремниевых солнечных элементов , он наносится в виде тонких пленок на различные гибкие подложки, такие как стекло, металл и пластик. Аморфные кремниевые элементы обычно имеют низкую эффективность.

Когда-то ожидалось, что аморфный кремний, как технология тонкопленочных солнечных элементов второго поколения , станет основным участником быстрорастущего мирового рынка фотоэлектрических элементов, но с тех пор утратил свое значение из-за сильной конкуренции со стороны традиционных кристаллических кремниевых элементов и других тонкопленочных технологий, таких как CdTe и CIGS . [ необходима цитата ] Аморфный кремний является предпочтительным материалом для тонкопленочных транзисторных (TFT) элементов жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев) и рентгеновских томографов.

Аморфный кремний отличается от других аллотропных разновидностей, таких как монокристаллический кремний — отдельный кристалл, и поликристаллический кремний , состоящий из мелких зерен, также известных как кристаллиты .

Описание

Кремний — это четырехкоординированный атом, который обычно тетраэдрически связан с четырьмя соседними атомами кремния. В кристаллическом кремнии (c-Si) эта тетраэдрическая структура продолжается в большом диапазоне, образуя, таким образом, хорошо упорядоченную кристаллическую решетку.

В аморфном кремнии этот дальний порядок отсутствует. Вместо этого атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы в аморфном кремнии имеют четырехкратную координацию. Из-за неупорядоченной природы материала некоторые атомы имеют оборванную связь . Физически эти оборванные связи представляют собой дефекты в непрерывной случайной сети и могут вызывать аномальное электрическое поведение.

Материал может быть пассивирован водородом, который связывается с оборванными связями и может уменьшить плотность оборванных связей на несколько порядков. Гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H) имеет достаточно низкое количество дефектов для использования в таких устройствах, как солнечные фотоэлектрические элементы, особенно в режиме протокристаллического роста. [1] Однако гидрогенизация связана с деградацией материала под действием света, называемой эффектом Стеблера-Вронского . [2]

Схема аллотропных форм кремния: монокристаллический , поликристаллический и аморфный кремний

Аморфный кремний и углерод

Аморфные сплавы кремния и углерода (аморфный карбид кремния , также гидрогенизированный, a-Si 1−x C x :H) являются интересным вариантом. Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для управления свойствами материала. Пленку также можно сделать прозрачной для видимого света.

Увеличение концентрации углерода в сплаве расширяет электронный зазор между зонами проводимости и валентной зоной (также называемый «оптической щелью» и запрещенной зоной ). Это увеличивает световую эффективность солнечных элементов, изготовленных с использованием слоев аморфного карбида кремния. С другой стороны, электронные свойства полупроводника ( в основном подвижность электронов ) подвергаются неблагоприятному воздействию из-за увеличения содержания углерода в сплаве, предположительно из-за увеличения беспорядка в атомной сети. [3]

В научной литературе имеется несколько исследований, в основном посвященных изучению влияния параметров осаждения на качество электроники, однако практическое применение аморфного карбида кремния в коммерческих устройствах по-прежнему отсутствует.

Характеристики

Плотность ионно-имплантированного аморфного Si была рассчитана как 4,90×10 22 атом/см 3 (2,285 г/см 3 ) при 300 К. Это было сделано с использованием тонких (5 микрон) полосок аморфного кремния. Эта плотность на 1,8±0,1% меньше плотности кристаллического Si при 300 К. [4] Кремний является одним из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет меньшую плотность в твердом состоянии, чем в жидком.

Гидрогенизированный аморфный кремний

Негидрогенизированный a-Si имеет очень высокую плотность дефектов, что приводит к нежелательным свойствам полупроводника, таким как плохая фотопроводимость, и предотвращает легирование, которое имеет решающее значение для проектирования свойств полупроводника. Введение водорода во время изготовления аморфного кремния значительно улучшает фотопроводимость и делает возможным легирование. Гидрогенизированный аморфный кремний, a-Si:H, был впервые изготовлен в 1969 году Читтиком, Александером и Стерлингом путем осаждения с использованием прекурсора силанового газа (SiH 4 ). Полученный материал показал более низкую плотность дефектов и повышенную проводимость из-за примесей. Интерес к a-Si:H возник, когда (в 1975 году) ЛеКомбер и Спир обнаружили возможность замещающего легирования a-Si:H с использованием фосфина (n-типа) или диборана (p-типа). [5] Роль водорода в уменьшении дефектов была подтверждена группой Пола в Гарварде, которая обнаружила концентрацию водорода около 10 атомных % посредством ИК-колебаний, которые для связей Si-H имеют частоту около 2000 см −1 . [6] Начиная с 1970-х годов, a-Si:H был разработан в солнечных элементах Дэвидом Э. Карлсоном и К. Р. Вронски в RCA Laboratories. [7] Эффективность преобразования неуклонно росла до примерно 13,6% в 2015 году. [8]

Процессы осаждения

Приложения

Хотя a-Si страдает от более низкой электронной производительности по сравнению с c-Si, он гораздо более гибок в своих применениях. Например, слои a-Si можно сделать тоньше, чем c-Si, что может дать экономию на стоимости кремниевого материала.

Еще одним преимуществом является то, что a-Si можно наносить при очень низких температурах, например, при температуре до 75 градусов по Цельсию. Это позволяет наносить покрытия не только на стекло, но и на пластик или даже на бумагу [9] [10] , что делает его кандидатом для рулонной технологии обработки. После нанесения a-Si можно легировать аналогично c-Si, чтобы сформировать слои p-типа или n-типа и в конечном итоге сформировать электронные устройства.

Другим преимуществом является то, что a-Si может быть нанесен на большие площади с помощью PECVD . Конструкция системы PECVD оказывает большое влияние на стоимость производства такой панели, поэтому большинство поставщиков оборудования сосредоточиваются на конструкции PECVD для более высокой производительности, что приводит к снижению стоимости производства [11], особенно когда силан перерабатывается . [12]

Массивы небольших (менее 1 мм на 1 мм) фотодиодов a-Si на стекле используются в качестве датчиков изображения в видимом свете в некоторых плоскопанельных детекторах для флюороскопии и рентгенографии .

Фотоэлектричество

Калькулятор на солнечных батареях «Teal Photon», выпущенный в конце 1970-х годов.

Гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H) использовался в качестве фотоэлектрического материала солнечных элементов для устройств, которым требуется очень мало энергии, таких как карманные калькуляторы , поскольку их более низкая производительность по сравнению с обычными кристаллическими кремниевыми (c-Si) солнечными элементами более чем компенсируется их упрощенным и более низкими затратами на осаждение на подложку. Более того, значительно более высокое шунтирующее сопротивление штыревого устройства означает, что приемлемая производительность достигается даже при очень низких уровнях освещенности. Первые калькуляторы на солнечных батареях были доступны уже в конце 1970-х годов, такие как Royal Solar 1 , Sharp EL-8026 и Teal Photon .

В последнее время усовершенствования в методах строительства a-Si:H сделали их более привлекательными для использования в солнечных элементах большой площади. Здесь их более низкая внутренняя эффективность компенсируется, по крайней мере частично, их тонкостью — более высокая эффективность может быть достигнута путем укладки нескольких тонкопленочных элементов друг на друга, каждый из которых настроен на хорошую работу на определенной частоте света. Этот подход неприменим к элементам c-Si, которые толстые из-за своей непрямой запрещенной зоны и поэтому в значительной степени непрозрачны, блокируя попадание света на другие слои в стеке.

Источник низкой эффективности аморфных кремниевых фотоэлектрических элементов в значительной степени обусловлен низкой подвижностью дырок в материале. [13] Эта низкая подвижность дырок объясняется многими физическими аспектами материала, включая наличие оборванных связей (кремний с 3 связями), [14] плавающих связей (кремний с 5 связями), [15] , а также реконфигураций связей. [16] Хотя было проделано много работы по контролю этих источников низкой подвижности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к тому, что подвижность будет изначально ограничена, поскольку уменьшение одного типа дефекта приводит к образованию других. [17]

Главным преимуществом a-Si:H в крупномасштабном производстве является не эффективность, а стоимость. Элементы a-Si:H используют лишь часть кремния, необходимого для типичных элементов c-Si, а стоимость кремния исторически вносила значительный вклад в стоимость элемента. [18] Однако более высокие затраты на производство из-за многослойной конструкции на сегодняшний день сделали a-Si:H непривлекательным, за исключением тех случаев, когда их тонкость или гибкость являются преимуществом. [19]

Обычно тонкопленочные элементы из аморфного кремния используют штыревую структуру. Размещение слоя p-типа сверху также обусловлено более низкой подвижностью отверстий, что позволяет отверстиям проходить более короткое среднее расстояние для сбора на верхнем контакте. Типичная структура панели включает в себя переднее боковое стекло, TCO , тонкопленочный кремний, задний контакт, поливинилбутираль (ПВБ) и заднее боковое стекло. Uni-Solar, подразделение Energy Conversion Devices , выпустило версию гибких подложек, используемых в рулонных кровельных изделиях. Однако крупнейший в мире производитель аморфных кремниевых фотоэлектрических элементов был вынужден объявить о банкротстве в 2012 году, так как он не мог конкурировать с быстро падающими ценами на обычные солнечные панели . [20] [21]

Микрокристаллический и микроморфный кремний

Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) — это аморфный кремний, но также содержащий мелкие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и является гибким . Технология микроморфного кремниевого модуля объединяет два различных типа кремния, аморфный и микрокристаллический кремний, в верхнем и нижнем фотоэлектрическом элементе . Sharp производит элементы, используя эту систему, чтобы более эффективно улавливать синий свет, увеличивая эффективность элементов в то время, когда на них не падает прямой солнечный свет. Протокристаллический кремний часто используется для оптимизации напряжения разомкнутой цепи фотоэлектрических элементов a-Si.

Крупномасштабное производство

Линия по производству рулонных солнечных фотоэлектрических панелей United Solar Ovonic с годовой мощностью 30 МВт

Корпорация Xunlight , получившая более 40 миллионов долларов институциональных инвестиций, [ нужна ссылка ] завершила установку своего первого широкополосного рулонного фотоэлектрического производственного оборудования мощностью 25 МВт для производства тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических модулей. [22] Anwell Technologies также завершила установку своего первого завода по производству тонкопленочных солнечных панелей a-Si мощностью 40 МВт в Хэнане с использованием собственного многоподложечно-многокамерного PECVD-оборудования. [23]

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы

Аэрокосмический продукт с гибкими тонкопленочными солнечными фотоэлектрическими панелями от United Solar Ovonic

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) представляют собой системы, преобразующие солнечное излучение в электрическую и тепловую энергию . Эти системы объединяют солнечный элемент, который преобразует электромагнитное излучение ( фотоны ) в электричество, с солнечным тепловым коллектором , который улавливает оставшуюся энергию и удаляет отработанное тепло из солнечного фотоэлектрического модуля. Солнечные элементы страдают от снижения эффективности с ростом температуры из-за повышенного сопротивления . Большинство таких систем могут быть спроектированы для отвода тепла от солнечных элементов, тем самым охлаждая элементы и, таким образом, повышая их эффективность за счет снижения сопротивления. Хотя это эффективный метод, он приводит к тому, что тепловой компонент работает недостаточно эффективно по сравнению с солнечным тепловым коллектором. Недавние исследования показали, что a-Si:H PV с низкими температурными коэффициентами позволяют PVT работать при высоких температурах, создавая более симбиотическую систему PVT и улучшая производительность a-Si:H PV примерно на 10%.

Жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах

Аморфный кремний стал предпочтительным материалом для активного слоя тонкопленочных транзисторов (TFT), которые наиболее широко используются в электронных устройствах большой площади , в основном для жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев).

Тонкопленочные транзисторные жидкокристаллические дисплеи (TFT-LCD) демонстрируют процесс компоновки схемы, аналогичный процессу полупроводниковых продуктов. Однако вместо того, чтобы изготавливать транзисторы из кремния, который формируется в кристаллическую кремниевую пластину , они изготавливаются из тонкой пленки аморфного кремния, которая наносится на стеклянную панель. Кремниевый слой для TFT-LCD обычно наносится с использованием процесса PECVD . [24] Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки вытравливается, чтобы свет мог легко проходить через нее.

Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высокой производительности TFT. Примерами служат небольшие дисплеи с высоким разрешением, такие как те, что используются в проекторах или видоискателях. TFT на основе аморфного кремния являются наиболее распространенными из-за их более низкой стоимости производства, тогда как TFT на основе поликристаллического кремния более дороги и гораздо более сложны в производстве. [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Коллинз, РВ; Ферлауто, А.С.; Феррейра, Г.М.; Чен, Чи; Кох, Джухён; Коваль, Р.Дж.; Ли, Йихенг; Пирс, Дж.М.; Вронски, К.Р. (2003). «Эволюция микроструктуры и фазы в аморфном, протокристаллическом и микрокристаллическом кремнии, изученная с помощью спектроскопической эллипсометрии в реальном времени». Материалы и солнечные элементы солнечной энергии . 78 (1–4): 143–180. doi :10.1016/S0927-0248(02)00436-1.
  2. ^ Wronski, CR; Pearce, JM; Deng, J.; Vlahos, V.; Collins, RW (2004). «Внутренние и индуцированные светом щелевые состояния в материалах a-Si:H и солнечных элементах — эффекты микроструктуры» (PDF) . Thin Solid Films . 451–452: 470–475. Bibcode : 2004TSF...451..470W. doi : 10.1016/j.tsf.2003.10.129.
  3. ^ Каталано, А.; Ньютон, Дж.; Траффорд, М. (1989). "Характеристики транзисторов на основе a-Si 1−x C x :H и их связь с электрическими и оптическими свойствами". Труды IEEE по электронным приборам . 36 (12): 2839. Bibcode : 1989ITED...36.2839C. doi : 10.1109/16.40969.
  4. ^ Custer, JS; Thompson, Michael O.; Jacobson, DC; Poate, JM; Roorda, S.; Sinke, WC; Spaepen, F. (24 января 1994 г.). «Плотность аморфного Si». Applied Physics Letters . 64 (4): 437–439. Bibcode : 1994ApPhL..64..437C. doi : 10.1063/1.111121. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Стрит, РА (2005). Гидрогенизированный аморфный кремний. Cambridge University Press. ISBN 9780521019347.
  6. ^ Пол, Уильям; Андерсон, Дэвид А. (1 сентября 1981 г.). «Свойства аморфного гидрогенизированного кремния с особым акцентом на приготовление распылением». Solar Energy Materials . 5 (3): 229–316. doi :10.1016/0165-1633(81)90001-0.
  7. ^ Карлсон, Дэвид; Вронски, CR (1976). "аморфный кремниевый солнечный элемент". Applied Physics Letters . 26 (11): 671–673. Bibcode : 1976ApPhL..28..671C. doi : 10.1063/1.88617.
  8. ^ Файл:PVeff(rev170324).png
  9. ^ Агуас, Хьюго; Матеус, Тьяго; Висенте, Антониу; Гаспар, Диана; Мендес, Мануэль Дж.; Шмидт, Вольфганг А.; Перейра, Луис; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго (июнь 2015 г.). «Тонкопленочные кремниевые фотоэлектрические элементы на бумаге для гибкого применения внутри помещений». Передовые функциональные материалы . 25 (23): 3592–3598. дои : 10.1002/adfm.201500636. S2CID  94159781.
  10. ^ Висенте, Антонио; Агуас, Хьюго; Матеус, Тьяго; Араужо, Андрея; Любчик, Андрей; Сийтонен, Симо; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго (17 июня 2015 г.). «Солнечные элементы для самодостаточной интеллектуальной упаковки». Журнал химии материалов А. 3 (25): 13226–13236. дои : 10.1039/C5TA01752A. ISSN  2050-7496.
  11. ^ Шах, А.; Мейер, Дж.; Бючел, А.; Кролл, У.; Штайнхаузер, Дж.; Мейо, Ф.; Шаде, Х.; Домине, Д. (2 сентября 2005 г.). «На пути к очень недорогому массовому производству тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических (ФЭ) солнечных модулей на стекле». Тонкие твердые пленки . 502 (1–2). Эльзевир Б.В.: 292–299. дои : 10.1016/j.tsf.2005.07.299.
  12. ^ Крейгер, MA; Шоннард, DR; Пирс, JM (2013). «Анализ жизненного цикла переработки силана в производстве солнечных фотоэлектрических систем на основе аморфного кремния». Ресурсы, сохранение и переработка . 70 : 44–49. doi :10.1016/j.resconrec.2012.10.002. S2CID  3961031.
  13. ^ Лян, Цзяньцзюнь; Шифф, EA; Гуха, S.; Ян, Баоцзе; Ян, J. (2006). «Предел подвижности дырок в аморфных кремниевых солнечных элементах». Applied Physics Letters . 88 (6): 063512. Bibcode : 2006ApPhL..88f3512L. doi : 10.1063/1.2170405 . S2CID  18053686.
  14. ^ Смит, З. Э.; Вагнер, С. (1987). «Хвосты полос, энтропия и дефекты равновесия в гидрогенизированном аморфном кремнии». Physical Review Letters . 59 (6): 688–691. Bibcode : 1987PhRvL..59..688S. doi : 10.1103/PhysRevLett.59.688. PMID  10035845.
  15. ^ Stathis, JH (1989). «Анализ суперсверхтонкой структуры и g-тензора дефектов в аморфном кремнии». Physical Review B. 40 ( 2): 1232–1237. Bibcode : 1989PhRvB..40.1232S. doi : 10.1103/PhysRevB.40.1232. PMID  9991947.
  16. ^ Джолин, Эрик; Вагнер, Лукас К.; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри К. (2013). «Истоки структурных дырочных ловушек в гидрогенизированном аморфном кремнии». Physical Review Letters . 110 (14): 146805. Bibcode : 2013PhRvL.110n6805J. doi : 10.1103/PhysRevLett.110.146805. hdl : 1721.1/80776 . PMID  25167024.
  17. ^ Джолин, Эрик; Симмонс, К. Б.; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри К. (2014). "Атомные структуры, ограничивающие подвижность дырок в гидрогенизированном аморфном кремнии" (PDF) . Physical Review B . 90 (10): 104103. Bibcode :2014PhRvB..90j4103J. doi :10.1103/PhysRevB.90.104103. hdl : 1721.1/89217 .
  18. ^ Занатта, AR (декабрь 2022 г.). «Предел Шокли-Квайссера и эффективность преобразования солнечных элементов на основе кремния». Results Opt . 9 : 100320–7pp. doi :10.1016/j.rio.2022.100320.
  19. ↑ Весофф, Эрик (31 января 2014 г.) «Конец саги компании Oerlikon об аморфном кремнии в солнечной энергетике». Greentech Media.
  20. ^ "Конец ECD Solar наступил". GreentechMedia . 14 февраля 2012 г.
  21. ^ "Oerlikon продает свой солнечный бизнес и судьба аморфных кремниевых фотоэлектрических систем". GrrentechMedia . 2 марта 2012 г.
  22. ^ "Xunlight завершает установку своего первого 25-мегаваттного широкополосного рулонного фотоэлектрического производственного оборудования". Xunlight. 22 июня 2009 г.
  23. ^ "Anwell производит свою первую тонкопленочную солнечную панель". Solarbuzz. 7 сентября 2009 г.
  24. ^ "TFT LCD – Изготовление TFT LCD". Plasma.com. Архивировано из оригинала 2 мая 2013 г. Получено 21 июля 2013 г.
  25. ^ "TFT LCD – Электронные аспекты ЖК-телевизоров и ЖК-мониторов". Plasma.com. Архивировано из оригинала 23 августа 2013 г. Получено 21 июля 2013 г.

Внешние ссылки