Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фотоэлектрическая матрица Lakota MS 2.jpg Тонкопленочные гибкие солнечные панели Ken Fields 1.JPG
A-Si structure.jpg
Солнечный калькулятор casio fx115ES crop.jpg
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 на основе 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, но являются одной из самых экологически чистых фотоэлектрических технологий, поскольку в них не используются токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий или свинец. [ необходима цитата ]

Когда- то ожидалось, что как технология тонкопленочных солнечных элементов второго поколения аморфный кремний станет основным участником быстрорастущего мирового рынка фотоэлектрических систем, но с тех пор утратил свое значение из-за сильной конкуренции со стороны обычных кристаллических кремниевых элементов и других тонкослойных элементов. пленочные технологии, такие как CdTe и CIGS . [ необходима цитата ] Аморфный кремний является предпочтительным материалом для тонкопленочных транзисторных элементов жидкокристаллических дисплеев и для устройств формирования изображения рентгеновских лучей.

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

Описание [ править ]

Кремний представляет собой 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 этого дальнего порядка нет. Скорее атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы в аморфном кремнии четырехкоординированы. Из-за неупорядоченной природы материала некоторые атомы имеют оборванные связи . 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. 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 гидрирование связано с деградацией материала под действием света , что называется эффектом Стаблера-Вронски . [2]

Схема аллотропных форм кремния: монокристаллический , поликристаллический и аморфный кремний

Аморфный кремний и углерод [ править ]

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

Увеличение концентрации углерода в сплаве увеличивает электронный зазор между зоной проводимости и валентной зоной (также называемый «оптическим зазором» и запрещенной зоной ). Это потенциально может повысить световую эффективность 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 из-за повышенного беспорядка в атомной сети.

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

Свойства [ править ]

Плотность 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. [3] Кремний - один из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет более низкую плотность в твердом виде, чем в жидком.

Гидрогенизированный аморфный кремний [ править ]

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 инженерных свойств полупроводников. Введение водорода во время изготовления аморфного кремния значительно улучшает фотопроводимость и делает возможным легирование. Гидрированный аморфный кремний a-Si: H был впервые изготовлен в 1969 году Читтиком, Александром и Стерлингом путем осаждения с использованием предшественника газообразного силана (SiH4). Полученный материал показал более низкую плотность дефектов и повышенную проводимость из-за примесей. Интерес к a-Si: H возник, когда (в 1975 г.) LeComber и Spearобнаружил способность замещающего легирования a-Si: H с использованием фосфина (n-тип) или диборана (p-тип). [4] Роль водорода в уменьшении дефектов была подтверждена группой Пола в Гарварде, которая обнаружила концентрацию водорода около 10 атомных% через ИК-колебание, которое для связей Si-H имеет частоту около 2000 см -1 . [5] Начиная с 1970-х годов, компания RCA разработала a-Si: H в солнечных элементах, благодаря чему в 2015 году его эффективность неуклонно повышалась до 13,6%. [6]

Процессы осаждения [ править ]

ССЗPECVDКаталитический CVDРаспыление
Тип фильмаa-Si: Ha-Si: Ha-Si: Hкак и я
Уникальное приложениеЭлектроника большой площадиБезводородное осаждение
Температура камеры600C30–300 ° C30–1000 ° C
Температура активного элемента2000C
Давление в камере0,1–10 торр0,1–10 торр0,001–0,1 торр
Физический принципТермолизПлазма-индуцированная диссоциацияТермолизИонизация источника Si
ФасилитаторыW / Ta нагревательные проводаКатионы аргона
Типичное напряжение приводаRF 13,56 МГц; 0,01-1 Вт / см 2
Источник SiSiH 4 газSiH 4 газSiH 4 газЦель
Температура основанияуправляемыйуправляемыйуправляемыйуправляемый

Приложения [ править ]

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

Еще одно преимущество состоит в том, что a-Si можно наносить при очень низких температурах, например, всего 75 градусов Цельсия. Это позволяет наносить не только на стекло, но и на пластик , что делает его кандидатом на применение в технологии обработки рулонов . После осаждения a-Si можно легировать аналогично c-Si, чтобы сформировать слои p-типа или n-типа и, в конечном итоге, сформировать электронные устройства.

Другое преимущество состоит в том, что a-Si можно наносить на большие площади с помощью PECVD . Конструкция системы PECVD имеет большое влияние на себестоимость такой панели, поэтому большинство поставщиков оборудования поместить свое внимание на дизайн PECVD для более высокой пропускной способности , что приводит к снижению стоимости производства [7] , особенно когда силан является переработанной . [8]

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

Фотогальваника [ править ]

Смотрите также: Тонкопленочный фотоэлемент
Калькулятор на солнечных батареях "Teal Photon" конца 1970-х гг.

Аморфный кремний (a-Si) использовался в качестве материала фотоэлектрических солнечных элементов для устройств, которым требуется очень мало энергии, таких как карманные калькуляторы , поскольку их более низкая производительность по сравнению с обычными солнечными элементами на кристаллическом кремнии (c-Si) более чем компенсируется их упрощенное и более дешевое нанесение на подложку. Первые калькуляторы на солнечной энергии были доступны уже в конце 1970-х, такие как Royal Solar 1 , Sharp EL-8026 и Teal Photon .

Совсем недавно усовершенствования в технологиях изготовления a-Si сделали их также более привлекательными для использования в солнечных элементах большой площади. Здесь их более низкая собственная эффективность компенсируется, по крайней мере частично, их тонкостью - более высокая эффективность может быть достигнута путем наложения нескольких тонкопленочных ячеек друг на друга, каждая из которых настроена для хорошей работы на определенной частоте света. Этот подход не применим к элементам c-Si, которые имеют большую толщину из-за непрямой запрещенной зоны и поэтому в значительной степени непрозрачны, не позволяя свету достигать других слоев в стопке.

Источником низкой эффективности фотовольтаики на основе аморфного кремния в значительной степени является низкая подвижность дырок в материале. [9] Такая низкая подвижность дырок объясняется многими физическими аспектами материала, включая наличие оборванных связей (кремний с 3 связями), [10] плавающих связей (кремний с 5 связями), [11], а также связи реконфигурации. [12] Несмотря на то, что была проделана большая работа по контролю этих источников низкой мобильности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к ограничению мобильности, поскольку уменьшение одного типа дефекта приводит к образованию других. [13]

Главное преимущество a-Si в крупносерийном производстве - не эффективность, а стоимость. В элементах a-Si используется только часть кремния, необходимого для типичных элементов c-Si, и стоимость кремния исторически вносила значительный вклад в стоимость элементов. Однако более высокая стоимость изготовления из-за многослойной конструкции на сегодняшний день сделала a-Si непривлекательным, за исключением тех случаев, когда их тонкость или гибкость являются преимуществом. [14]

Как правило, тонкопленочные элементы из аморфного кремния имеют штыревую структуру. Размещение слоя p-типа сверху также связано с более низкой подвижностью отверстий, что позволяет отверстиям проходить на более короткое среднее расстояние для сбора до верхнего контакта. Типичная структура панели включает переднее боковое стекло, TCO , тонкопленочный силикон, задний контакт, поливинилбутираль (ПВБ) и заднее боковое стекло. Uni-Solar, подразделение Energy Conversion Devices, разработало версию гибких основ, используемых в рулонных кровлях. Однако крупнейший в мире производитель фотоэлектрических элементов на основе аморфного кремния был объявлен банкротом в 2012 году, поскольку не мог конкурировать с быстро падающими ценами на обычные солнечные панели .[15] [16]

Микрокристаллический и микроморфный кремний [ править ]

Основные статьи: нанокристаллический кремний и микроморф

Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) представляет собой аморфный кремний, но также содержит мелкие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и обладает гибкостью . Технология модуля микроморфного кремния объединяет два разных типа кремния, аморфный и микрокристаллический кремний, в верхнем и нижнем фотоэлектрических элементах . Sharp производит клетки, используя эту систему, чтобы более эффективно улавливать синий свет, повышая эффективность клеток в то время, когда на них не падает прямой солнечный свет. Протокристаллический кремний часто используется для оптимизации напряжения холостого хода фотоэлектрических элементов на основе a-Si.

Крупное производство [ править ]

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

Xunlight Corporation , которая получила более $ 40 млн институциональных инвестиций, [ править ] завершил установку своей первой 25 МВт широкого полотна, с рулона на рулон фотоэлектрической технологического оборудования для производства тонкопленочных модулей кремния PV. [17] Компания Anwell Technologies также завершила установку своего первого завода по производству тонкопленочных солнечных панелей a-Si мощностью 40 МВт в провинции Хэнань со своим собственным разработанным оборудованием PECVD с несколькими подложками и несколькими камерами. [18]

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы [ править ]

Аэрокосмический продукт с гибкими тонкопленочными солнечными панелями от United Solar Ovonic

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) - это системы, которые преобразуют 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 отходящее тепло от солнечного фотоэлектрического модуля. Солнечные элементы страдают от падения эффективности с повышением температуры из-за повышенного сопротивления.. Большинство таких систем могут быть спроектированы 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 недостаточной производительности теплового компонента по сравнению с солнечным тепловым коллектором. Недавние исследования показали, что a-Si: H PV с низкими температурными коэффициентами позволяет PVT работать при высоких температурах, создавая более симбиотическую PVT-систему и улучшая характеристики a-Si: H PV примерно на 10%.

Жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах [ править ]

Основная статья: ЖК-дисплей на тонкопленочных транзисторах

Аморфный кремний стал предпочтительным материалом для активного слоя в тонкопленочных транзисторах (TFT), которые наиболее широко используются в электронных устройствах с большой площадью , в основном для жидкокристаллических дисплеев (LCD).

Жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD) демонстрирует процесс компоновки схемы, аналогичный тому, что используется в полупроводниковых изделиях. Однако вместо изготовления транзисторов из кремния, который формируется в кристаллическую кремниевую пластину , они сделаны из тонкой пленки аморфного кремния, которая нанесена на стеклянную панель. Слой кремния для TFT-LCD обычно наносится с использованием процесса PECVD . [19] Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки стравливается, 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 их более низкой стоимости производства, тогда как TFT из поликристаллического кремния более дороги и намного сложнее в производстве. [20]

См. Также [ править ]

  • Осаждение атомного слоя (ALD)
  • Химико-механическая планаризация (ХМП)
  • Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
  • Кристаллический кремний
  • Ионная имплантация
  • Наночастицы
  • Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)
  • Протокристаллический
  • Быстрая термическая обработка (RTP)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Коллинз, RW; Ferlauto, AS; Феррейра, GM; Чен, Чи; Ко, Джухён; Коваль, Р.Дж.; Ли, Йехенг; Пирс, JM; Вронски, CR (2003). «Эволюция микроструктуры и фазы в аморфном, протокристаллическом и микрокристаллическом кремнии изучается методом спектроскопической эллипсометрии в реальном времени». Материалы солнечной энергии и солнечные элементы . 78 (1–4): 143–180. DOI : 10.1016 / S0927-0248 (02) 00436-1 .
  2. ^ Вронски, CR; Пирс, JM; Deng, J .; Vlahos, V .; Коллинз, Р.В. (2004). «Собственные и индуцированные светом щелевые состояния в материалах a-Si: H и солнечных элементах - эффекты микроструктуры» (PDF) . Тонкие твердые пленки . 451–452: 470–475. DOI : 10.1016 / j.tsf.2003.10.129 .
  3. ^ Кастер, JS; Томпсон, Майкл O .; Якобсон, округ Колумбия; Poate, JM; Roorda, S .; Раковина, туалет; Спапен, Ф. (24 января 1994). «Плотность аморфного Si». Письма по прикладной физике . 64 (4): 437–439. DOI : 10.1063 / 1.111121 . ISSN 0003-6951 . 
  4. Перейти ↑ Street, RA (2005). Гидрированный аморфный кремний . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521019347.
  5. ^ Пол, Уильям; Андерсон, Дэвид А. (1981-09-01). «Свойства аморфного гидрогенизированного кремния, с особым вниманием к получению распылением». Материалы солнечной энергии . 5 (3): 229–316. DOI : 10.1016 / 0165-1633 (81) 90001-0 .
  6. ^ Файл: PVeff (rev170324) .png
  7. ^ Шах, А .; Meier, J .; Buechel, A .; Kroll, U .; Steinhauser, J .; Meillaud, F .; Schade, H .; Домине, Д. (2 сентября 2005 г.). «На пути к очень дешевому массовому производству тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических (PV) солнечных модулей на стекле». Тонкие твердые пленки . Elsevier BV 502 (1-2): 292-299. DOI : 10.1016 / j.tsf.2005.07.299 .
  8. ^ Крейгер, Массачусетс; Шоннард, Д.Р .; 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 .
  9. ^ Лян, Цзяньцзюнь; Шифф, EA; Guha, S .; Ян, Баоцзе; Ян, Дж. (2006). «Дырочный предел подвижности солнечных элементов из аморфного кремния» . Письма по прикладной физике . 88 (6): 063512. дои : 10,1063 / 1,2170405 .
  10. ^ Смит, Z E .; Вагнер, С. (1987). «Хвосты зон, энтропия и дефекты равновесия в гидрированном аморфном кремнии». Письма с физическим обзором . 59 (6): 688–691. Bibcode : 1987PhRvL..59..688S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.59.688 . PMID 10035845 . 
  11. ^ Stathis, JH (1989). «Анализ сверхтонкой структуры и g-тензора дефектов в аморфном кремнии». Physical Review B . 40 (2): 1232–1237. DOI : 10.1103 / PhysRevB.40.1232 .
  12. ^ Джолин, Эрик; Вагнер, Лукас К .; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри С. (2013). «Происхождение структурных ловушек дырок в гидрированном аморфном кремнии». Письма с физическим обзором . 110 (14): 146805. Bibcode : 2013PhRvL.110n6805J . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.146805 . ЛВП : 1721,1 / 80776 . PMID 25167024 . 
  13. ^ Джолин, Эрик; Симмонс, CB; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри С. (2014). «Атомные структуры, ограничивающие подвижность дырок в гидрированном аморфном кремнии» (PDF) . Physical Review B . 90 (10). DOI : 10.1103 / PhysRevB.90.104103 .
  14. ^ Wesoff, Эрик (31 января 2014) " Конец Oerlikon в аморфном кремнии Солнечной Saga ." Greentech Media.
  15. ^ «Конец наступает для ECD Solar» . GreentechMedia . 14 февраля 2012 г.
  16. ^ "Oerlikon отказывается от своего солнечного бизнеса и судьбы фотоэлектрических панелей из аморфного кремния" . GrrentechMedia . 2 марта 2012 г.
  17. ^ «Xunlight завершает установку своего первого производственного оборудования для производства фотоэлектрических систем с широкополосной сетью на 25 мегаватт» . Xunlight. 22 июня 2009 г.
  18. ^ "Anwell производит свою первую тонкопленочную солнечную панель" . Solarbuzz. 7 сентября 2009 г.
  19. ^ "TFT LCD - Изготовление TFT LCD" . Plasma.com. Архивировано из оригинала на 2013-05-02 . Проверено 21 июля 2013 .
  20. ^ «TFT LCD - Электронные аспекты ЖК-телевизоров и ЖК-мониторов» . Plasma.com. Архивировано из оригинала на 2013-08-23 . Проверено 21 июля 2013 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Группа Amorphous Silicon Devices в Университете Ватерлоо, Онтарио, Канада
  • Теория и моделирование в Университете Огайо, Афины, Огайо