stringtranslate.com

Аморфный кремний

Аморфный кремний:

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

Используемый в качестве полупроводникового материала для солнечных элементов a-Si или тонкопленочных кремниевых солнечных элементов , он наносится тонкими пленками на различные гибкие подложки, такие как стекло, металл и пластик. Элементы из аморфного кремния обычно имеют низкую эффективность.

Когда-то ожидалось, что аморфный кремний, являющийся технологией тонкопленочных солнечных элементов второго поколения , станет основным участником быстрорастущего мирового фотоэлектрического рынка, но с тех пор потерял свое значение из-за сильной конкуренции со стороны обычных кристаллических кремниевых элементов и других тонких элементов. пленочные технологии, такие как CdTe и CIGS . [ нужна цитация ] Аморфный кремний является предпочтительным материалом для тонкопленочных транзисторов (TFT) элементов жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев) и рентгеновских изображений.

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

Описание

Кремний представляет собой четырехкратно координированный атом, который обычно тетраэдрически связан с четырьмя соседними атомами кремния. В кристаллическом кремнии (c-Si) эта тетраэдрическая структура сохраняется в широком диапазоне, образуя, таким образом, хорошо упорядоченную кристаллическую решетку.

В аморфном кремнии такого дальнего порядка нет. Скорее, атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы аморфного кремния 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 снизить плотность оборванных связей на несколько порядков. Гидрированный аморфный кремний (a-Si:H) имеет достаточно низкое количество дефектов, чтобы его можно было использовать в таких устройствах, как солнечные фотоэлектрические элементы, особенно в режиме протокристаллического роста. [1] Однако гидрирование связано со светоиндуцированной деградацией материала, называемой эффектом Стеблера-Вронского . [2]

Схема аллотропных форм кремния: монокристаллического , поликристаллического и аморфного кремния.

Аморфный кремний и углерод

Интересным вариантом являются аморфные сплавы кремния и углерода (аморфный карбид кремния , также гидрогенизированный, a-Si 1−x C x :H). Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для управления свойствами материала. Пленка также может быть сделана прозрачной для видимого света.

Увеличение концентрации углерода в сплаве расширяет электронную щель между зонами проводимости и валентной зоной (также называемую «оптической щелью» и запрещенной зоной ). Это увеличивает светоотдачу солнечных элементов, изготовленных из слоев аморфного карбида кремния. С другой стороны, на электронные свойства полупроводника (в основном подвижность электронов ) отрицательно влияет увеличение содержания углерода в сплаве, предположительно из-за увеличения беспорядка в атомной сетке. [3]

В научной литературе можно найти несколько исследований, в основном изучающих влияние параметров осаждения на качество электроники, но практическое применение аморфного карбида кремния в коммерческих устройствах все еще отсутствует.

Характеристики

Плотность ионно-имплантированного аморфного кремния 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 — один из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет меньшую плотность в твердом состоянии, чем в жидком.

Гидрогенизированный аморфный кремний

Негидрированный 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 технических свойств полупроводника. Введение водорода при производстве аморфного кремния значительно улучшает фотопроводимость и делает возможным легирование. Гидрированный аморфный кремний a-Si:H был впервые получен в 1969 году Читтиком, Александром и Стерлингом путем осаждения с использованием предшественника силанового газа (SiH 4 ). Полученный материал показал меньшую плотность дефектов и повышенную проводимость из-за примесей. Интерес к a-Si:H возник, когда (в 1975 году) ЛеКомбер и Спир обнаружили возможность заместительного легирования a-Si:H с помощью 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 разрабатывался в солнечных элементах Дэвидом Э. Карлсоном и Ч.Р. Вронски в лабораториях RCA. [7] В 2015 году эффективность преобразования стабильно выросла примерно до 13,6%. [8]

Процессы осаждения

Приложения

Хотя a-Si имеет более низкие электронные характеристики по сравнению с c-Si, он гораздо более гибок в своих приложениях. Например, слои a-Si можно сделать тоньше, чем слои c-Si, что может привести к экономии затрат на кремниевый материал.

Еще одним преимуществом является то, что a-Si можно осаждать при очень низких температурах, например до 75 градусов Цельсия. Это позволяет наносить не только на стекло, но и на пластик или даже на бумажную подложку [9] [10] , что делает его кандидатом на метод обработки с рулона на рулон . После осаждения a-Si можно легировать аналогично c-Si, чтобы сформировать слои p-типа или n-типа и, в конечном итоге, сформировать электронные устройства.

Еще одним преимуществом является то, что с помощью PECVD a-Si можно наносить на большие площади . Конструкция системы PECVD оказывает большое влияние на стоимость производства таких панелей, поэтому большинство поставщиков оборудования уделяют особое внимание разработке PECVD для более высокой производительности, что приводит к снижению производственных затрат [11], особенно при переработке силана . [12]

Массивы небольших (менее 1 мм на 1 мм) фотодиодов a-Si на стекле используются в качестве датчиков изображения видимого света в некоторых плоских детекторах для рентгеноскопии и рентгенографии .

Фотовольтаика

Калькулятор на солнечной энергии "Teal Photon", выпущенный в конце 1970-х годов.

Гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H) использовался в качестве материала фотоэлектрических солнечных элементов для устройств, которые требуют очень мало энергии, таких как карманные калькуляторы , поскольку их более низкая производительность по сравнению с обычными солнечными элементами из кристаллического кремния (c-Si). чем компенсируется их упрощенной и более низкой стоимостью нанесения на подложку. Более того, значительно более высокое шунтирующее сопротивление штыревого устройства означает, что приемлемые характеристики достигаются даже при очень низких уровнях освещенности. Первые калькуляторы на солнечной энергии были доступны уже в конце 1970-х годов, например, Royal Solar 1 , Sharp EL-8026 и Teal Photon .

Совсем недавно усовершенствования в технологии изготовления a-Si:H сделали их более привлекательными для использования солнечных элементов большой площади. Здесь их более низкая эффективность компенсируется, по крайней мере частично, их тонкостью — более высокой эффективности можно достичь, укладывая друг на друга несколько тонкопленочных ячеек, каждая из которых настроена на хорошую работу при определенной частоте света. Этот подход неприменим к ячейкам c-Si, которые имеют большую толщину из-за непрямой запрещенной зоны и, следовательно, в значительной степени непрозрачны, блокируя попадание света на другие слои в стопке.

Причина низкой эффективности фотоэлектрических элементов из аморфного кремния во многом связана с низкой подвижностью дырок в материале. [13] Такая 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 связей реконфигурации. [16] Хотя была проделана большая работа по контролю над этими источниками низкой подвижности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к ограничению подвижности, поскольку уменьшение одного типа дефектов приводит к образованию других. [17]

Основным преимуществом a-Si:H при крупномасштабном производстве является не эффективность, а стоимость. В элементах a-Si:H используется лишь часть кремния, необходимого для типичных элементов c-Si, и 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 имеют штыревую структуру. Размещение слоя p-типа сверху также обусловлено меньшей подвижностью отверстий, что позволяет отверстиям проходить более короткое среднее расстояние для сбора до верхнего контакта. 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 гибкой основы, используемой в рулонных кровельных изделиях. Однако крупнейшему в мире производителю фотоэлектрических элементов из аморфного кремния в 2012 году пришлось подать заявление о банкротстве, поскольку он не смог конкурировать с быстро снижающимися ценами на обычные солнечные панели . [20] [21]

Микрокристаллический и микроморфный кремний

Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) представляет собой аморфный кремний, но также содержит небольшие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и является гибким . Технология модулей микроморфного кремния сочетает в себе два разных типа кремния, аморфный и микрокристаллический кремний, в верхней и нижней фотоэлектрических ячейках . Компания Sharp производит элементы с использованием этой системы, чтобы более эффективно улавливать синий свет, повышая эффективность элементов в то время, когда на них не падает прямой солнечный свет. Протокристаллический кремний часто используется для оптимизации напряжения холостого хода фотоэлектрических элементов a-Si.

Крупносерийное производство

Линия по производству солнечных фотоэлектрических систем United Solar Ovonic мощностью 30 МВт в год

Корпорация Xunlight , получившая более 40 миллионов долларов институциональных инвестиций, завершила установку своего первого широкополосного, рулонного фотоэлектрического 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 провинции Хэнань с собственным разработанным многоподложным и многокамерным PECVD-оборудованием. [23]

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы

Аэрокосмический продукт с гибкой тонкопленочной солнечной фотоэлектрической системой от United Solar Ovonic

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) — это системы, которые преобразуют солнечное излучение в электрическую и тепловую энергию . Эти системы сочетают в себе солнечный элемент, который преобразует электромагнитное излучение ( фотоны ) в электричество, с солнечным тепловым коллектором , который улавливает оставшуюся энергию и удаляет ненужное тепло из солнечного фотоэлектрического модуля. Солнечные элементы страдают от падения эффективности с повышением температуры из-за увеличения сопротивления . Большинство таких систем можно спроектировать так, чтобы отводить тепло от солнечных элементов, тем самым охлаждая элементы и тем самым повышая их эффективность за счет снижения сопротивления. Хотя это эффективный метод, он приводит к ухудшению характеристик теплового компонента по сравнению с солнечным тепловым коллектором. Недавние исследования показали, что фотоэлектрические модули a-Si:H с низкими температурными коэффициентами позволяют PVT работать при высоких температурах, создавая более симбиотическую PVT-систему и улучшая характеристики фотоэлектрических модулей a-Si:H примерно на 10%.

Жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах

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

Жидкокристаллический дисплей с тонкопленочным транзистором (TFT-LCD) демонстрирует процесс компоновки схемы, аналогичный процессу компоновки полупроводниковых продуктов. Однако вместо того, чтобы изготавливать транзисторы из кремния, который формируется в виде кристаллической кремниевой пластины , они изготавливаются из тонкой пленки аморфного кремния, которая наносится на стеклянную панель. Кремниевый слой для TFT-ЖКД 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 высоких характеристик TFT. Примеры включают небольшие дисплеи с высоким разрешением, например, в проекторах или видоискателях. TFT на основе аморфного кремния являются наиболее распространенными из-за более низкой себестоимости производства, тогда как TFT из поликристаллического кремния более дороги и их гораздо труднее производить. [25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Коллинз, RW; Ферлауто, AS; Феррейра, генеральный менеджер; Чен, Чи; Ко, Джухён; Коваль, Р.Дж.; Ли, Йеэн; Пирс, Дж. М.; Вронский, ЧР (2003). «Эволюция микроструктуры и фазы в аморфном, протокристаллическом и микрокристаллическом кремнии, изученная методом спектроскопической эллипсометрии в реальном времени». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 78 (1–4): 143–180. дои : 10.1016/S0927-0248(02)00436-1.
  2. ^ Вронский, ЧР; Пирс, Дж. М.; Дэн, Дж.; Влахос, В.; Коллинз, Р.В. (2004). «Собственные и светоиндуцированные щелевые состояния в материалах a-Si:H и солнечных элементах - эффекты микроструктуры» (PDF) . Тонкие твердые пленки . 451–452: 470–475. Бибкод : 2004TSF...451..470W. дои :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 связь с электрическими и оптическими свойствами». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 36 (12): 2839. Бибкод : 1989ITED...36.2839C. дои : 10.1109/16.40969.
  4. ^ Кастер, Дж. С.; Томпсон, Майкл О.; Джейкобсон, округ Колумбия; Поат, Дж. М.; Рурда, С.; Синке, туалет; Спепен, Ф. (24 января 1994 г.). «Плотность аморфного Si». Письма по прикладной физике . 64 (4): 437–439. Бибкод : 1994ApPhL..64..437C. дои : 10.1063/1.111121. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Стрит, РА (2005). Гидрогенизированный аморфный кремний. Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521019347.
  6. ^ Пол, Уильям; Андерсон, Дэвид А. (1 сентября 1981 г.). «Свойства аморфного гидрогенизированного кремния с особым упором на получение методом распыления». Материалы для солнечной энергии . 5 (3): 229–316. дои : 10.1016/0165-1633(81)90001-0.
  7. ^ Карлсон, Дэвид; Вронский, ЧР (1976). «солнечный элемент из аморфного кремния». Письма по прикладной физике . 26 (11): 671–673. Бибкод : 1976ApPhL..28..671C. дои : 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. doi : 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 (PV) 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, Массачусетс; Шоннард, доктор медицинских наук; Пирс, Дж. М. (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, Э.А.; Гуха, С.; Ян, Баоцзе; Ян, Дж. (2006). «Предел подвижности дырок солнечных элементов из аморфного кремния». Письма по прикладной физике . 88 (6): 063512. Бибкод : 2006ApPhL..88f3512L. дои : 10.1063/1.2170405 . S2CID  18053686.
  14. ^ Смит, З.Э.; Вагнер, С. (1987). «Хвосты зон, энтропия и дефекты равновесия в гидрогенизированном аморфном кремнии». Письма о физических отзывах . 59 (6): 688–691. Бибкод : 1987PhRvL..59..688S. doi : 10.1103/PhysRevLett.59.688. ПМИД  10035845.
  15. ^ Статис, Дж. Х. (1989). «Анализ сверхсверхтонкой структуры и g-тензора дефектов в аморфном кремнии». Физический обзор B . 40 (2): 1232–1237. Бибкод : 1989PhRvB..40.1232S. doi : 10.1103/PhysRevB.40.1232. ПМИД  9991947.
  16. ^ Джолин, Эрик; Вагнер, Лукас К.; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри С. (2013). «Происхождение структурных дырочных ловушек в гидрогенизированном аморфном кремнии». Письма о физических отзывах . 110 (14): 146805. Бибкод : 2013PhRvL.110n6805J. doi : 10.1103/PhysRevLett.110.146805. hdl : 1721.1/80776 . ПМИД  25167024.
  17. ^ Джолин, Эрик; Симмонс, CB; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри С. (2014). «Атомные структуры, ограничивающие подвижность дырок, в гидрогенизированном аморфном кремнии» (PDF) . Физический обзор B . 90 (10): 104103. Бибкод : 2014PhRvB..90j4103J. doi : 10.1103/PhysRevB.90.104103. hdl : 1721.1/89217 .
  18. ^ Занатта, Арканзас (декабрь 2022 г.). «Предел Шокли-Кейсера и эффективность преобразования солнечных элементов на основе кремния». Результаты Опц . 9 : 100320–7 стр. дои : 10.1016/j.rio.2022.100320.
  19. ↑ Весофф, Эрик (31 января 2014 г.) «Конец солнечной саги об аморфном кремнии Oerlikon». Гринтек Медиа.
  20. ^ «Конец наступает для ECD Solar» . ГринтехМедиа . 14 февраля 2012 г.
  21. ^ «Oerlikon отказывается от своего солнечного бизнеса и судьба фотоэлектрических систем из аморфного кремния» . ГррентехМедиа . 2 марта 2012 г.
  22. ^ «Xunlight завершает установку своего первого широкополосного фотоэлектрического производственного оборудования мощностью 25 мегаватт» . Ксунлайт. 22 июня 2009 г.
  23. ^ «Anwell производит свою первую тонкопленочную солнечную панель» . Соларбазз. 7 сентября 2009 г.
  24. ^ «TFT LCD – Изготовление TFT LCD» . Плазма.com. Архивировано из оригинала 2 мая 2013 года . Проверено 21 июля 2013 г.
  25. ^ «TFT LCD - Электронные аспекты ЖК-телевизоров и ЖК-мониторов» . Плазма.com. Архивировано из оригинала 23 августа 2013 года . Проверено 21 июля 2013 г.

Внешние ссылки