авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Шеповалова, Ольга Вячеславовна

Совершенствование конструкции и технологии

изготовления фотоэлектрических

преобразователей на основе кремния

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2006

Шеповалова, Ольга Вячеславовна.

   Совершенствование конструкции и технологии

изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе кремния  [Электронный ресурс] : Дис. ... канд. техн.

наук

 : 05.14.08. ­ М.: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/06/0568/060568013.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Шеповалова, Ольга Вячеславовна Совершенствование конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе кремния Москва  Российская государственная библиотека, 2006 (электронный текст) 61:06-5/ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИЭСХ)

На правах рукописи

Шеповалова Ольга Вячеславовна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ.

Специальность 05.14.08 - "Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии" Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор, академик РАСХН Стребков Д.С.

Москва 2006г.

Содержание Введение Глава 1. Обзор основных направлений развития фотопреобразователей на основе кремния 1.1. Основные направления развития производства кремниевых фотопреобразователей 1.2. Анализ параметров матричных и планарных кремниевых фотопреобразователей 1.3. Анализ областей применения фотопреобразователей на основе кремния Постановка задач диссертации Глава 2. Исследование технологии изготовления фотопреобразователей на основе кремния 2.1. Исследование процессов изготовления матричного фотопреобразователя на основе кремния 2.2. Исследование технологических процессов создания планарных фотопреобразователей большой площади Выводы по главе 2 Глава 3.

Исследование электрических характеристик фотопреобразователей на основе кремниевых п-р-р"^ структур 3.1. Анализ методов расчета электрических параметров матричных многопереходных фотопреобразователей 3.2. Исследование выходных параметров больших планарных фотопреобразователей Выводы по главе 3 Глава 4. Конструкции на основе кремниевых фотопреобразователей 4.1. Бесконтактные фотодиодные матрицы для управления электронными устройствами 4.2. Солнечные модули на основе планарных фотопреобразователей с полутороидальными концентраторами 4.3. Технико-экономический расчет Выводы по главе 4 Заключение Список литературы Приложение 1. Математические модели микроэлементов МФП Приложение 2, Методика контроля времени жизни неосновных носителей заряда при изготовлении солнечных элементов. Методика контроля слоевого сопротивления при изготовлении солнечных элементов Приложение 3. Акт внедрения Введение Самым мощным, экологически чистым, естественным и общедоступным источником энергии на нашей плапете является Солнце. Запасы эпергии Солнца практически пеисчерпаемы и могут обеснечить все нотребности человечества.

Развитие науки и промышлеппости позволяет сегодня говорить о реальной возможности обеспечепия человечества электричеством с помоп1ыо преобразования энергии Солнца.

Одним из перспективпых методов преобразования солнечной энергии в электрическую является метод прямого нреобразовапия с помощью фотопреобразователей (ФП). В свою очередь, в фотоэнергетике, базируюп1ейся на использовании ФП, можно выделить два направления - фотоэлектрическое преобразовапие концептрироваппого и пеконцентрированного солпечпого излучепия. Оба эти направлеппя являются перспективными для создапия солпечных фотоэлктрических систем (ФЭС) - как наиболее экологически чистых, ресурсообеспеченных п в перспективе экономичных источников электрической энергии.

Актуальность исследований обусловлена следующим.

Мировая фотоэнергетика является одной из самых нерснективнглх и бурно развивающихся отраслей совремеппой промышлеппости. Ни в одпой отрасли за последпие годы не наблюдался такой рост производства — 30 и более % (за 2004г. — 57%). Экологические проблемы, связанные с традиционными источниками энергии, программы правительствеппой поддержки и целый ряд преимуществ, характерных для фотоэнергетики, определяют все возрастающий спрос и обеспечивают рост объемов производства. Стремлепие к спижепию стоимости и повьппепию техпических характеристик фотоэлектрических систем стимулирует многочисленные исследования и разработки в этой области. Актуальны всесторонние исследования по совершепствовапию техпологий, конструкций ФП и ФЭС. При этом кремний - наиболее используемый в фотоэпергетике и распространенный в природе материал, поэтому наибольший интерес представляют исследования в области кремниевых ФП.

Потенциал фотоэнергетического рынка России очень велик. Наиболее перспективным является сектор автономных потребителей, особенно в сельском хозяйстве. Использование ФЭС чрезвычайно актуально для сельского хозяйства, поскольку оно характеризуется как правило рассредоточенностью, значительной удаленностью сельскохозяйственных объектов, большим количеством нестационарных потребителей и высокой энергоемкостью отдельных видов производства.

Фотопреобразователи - самая дорогая часть ФЭС, поэтому наряду с улучшением их показателей актуально использование концентрированного излучения, которое позволяет повысить КПД, снизить стоимость, снизить количество полупроводникового материала — солнечного кремния.

Актуальным является создание концентрирующих систем на основе планарных ФП для малых концентраций (3-10) и на основе матричных фотопреобразователей (МФП) для высоких концентраций (100-1000) солнечного излучения.

Работа проводилась в два этапа. В 1990-1994 гг. была разработана технология производства крупногабаритных ФП и освоено их производство в ЦОПКБ ВИЭСХ. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования планарных ФП диаметром 100мм и матричных фотопреобразователей (МФП). Предложены новые методы изготовления МФП с использованием эпитаксиальной технологии. Разработаны бесконтактные фотодиодные матрицы для управления электронными устройствами. В последующие годы проводилось внедрение разработанных устройств. Второй этап работы посвящен проблеме создания солнечных фотоэлектрических модулей на основе полутороидальных концентраторов и двухсторонних ФП. В 2003 году были разработаны полутороидальные концентраторы, которые позволяют увеличить эффективный диаметр плапарных ФП со 100мм до 200-^400мм. В 2005г. созданы солнечные модули (СМ) с полутороидальными концентраторами и проведены их исследования Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой "Энергоэффективная экономика", утвержденной постановлением Правительства РФ №796 от 17.11.2001г. и программой фундаментальных исследований Россельхозакадемии на 2001-2005 гг.

Целью работы является совершенствование и разработка конструкций и технологий матричных и планарных кремниевых фотоэлектрических преобразователей, устройств на их основе.

Основными задачами

диссертации являются.

Совершенствование технологии изготовления матричных и планарных ФП на основе кремния.

Повышение электрических характеристик ФП на основе кремниевых п-р р" структур.

Создание стационарных солнечных модулей на основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов, концентрирующих прямую и диффузную солнечную радиацию с апертурным углом ±60°.

Повышение точности позиционирования, технологичности устройств и создание бесконтактных оптических клавиатур.

Технико-экономическое обоснование производства и использования разработанных солнечных модулей.

Научная новизна работы заключается в следуюш,ем.

Разработан способ изготовления МФП на основе многослойной эпитаксиальной структуры и пробоя обратносмещённых р-п нереходов и исследованы показатели его эффективности. Повизна способа подтверждена патентом РФ на изобретение.

Проведена систематизация методов расчёта различных конструкций МФП. Рассчитана модель микроэлемента МФП, получены аналитические зависимости для токов, рассчитаны параметры и определены оптимальные размеры микроэлемента.

Разработаны оптоэлектронные устройства на основе кремниевых ФП различных конструкций для управляющих систем, новизна которых подтвер ждена двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами на изобретение.

Разработаны стационарные солнечные модули с полутороидальными концентраторами и нланарными ФП с двухсторонней чувствительностью, нредложены варианты конструкций для различного тина нотребигелей.

Основные положения, выносимые на защиту.

Снособ изготовления МФП на основе многослойной энитаксиальной структуры и нробоя обратносмен1ённых нереходов. Результаты р-п исследований нроцесса изготовления и нолученных структур МФП.

Систематизация методов расчёта различных тинов МФП. Расчет и оптимизация параметров микроэлемента МФП с р-п нереходами на пяти грапях и изотипным р-р"^ переходом на шестой для случая трехстороннего освеп1ения.

Модели стационарных солнечных модулей на основе нланарных ФП и полутороидальных концентраторов. Схемы устройств на основе солнечных модулей. Результаты исследований характеристик стационарных солнечных модулей с нолутороидальными концентраторами.

Устройства для управляющих систем па оспове планарных и матричных ФП.

Достоверность результатов исследований, теоретических и методических обоснований нодтверждена совнадением результатов расчётов с данными эксперимептальных исследований МФП и нланарных ФП в лабораторных условиях и данными пснытаний ФП и солнечных модулей в условиях естественного со;

н1еч1юго освещения.

Практическая значимость. Пред1юженный способ изготовлепия кремниевых МФП на базе многослойной эпитаксиальной структуры и нробоя обратпосмен1ённь1х р-п нереходов нозволяет новысить технологичность и производительность, увеличить выходное нанряжение до 0,3-^0,6 В на р-п переход, увеличить мо1цность, обеспечить высокое качество МФП.

Работы но систематизации методов расчета МФП дают возможность создать программу онтимизации и выбора конструкций МФП при проектиро ваппп солнечных модулей и систем, оптимизировать параметры конструкций, новысить КПД, минимизировать затраты на их нроизводство.

Разработанные стационарные солнечные модули на основе нланарных ФП и нолутороидальных концентраторов с геометрической концентрацней 3^4, концентрируют нрямую и диффузную солнечную радиацию с анертурным углом ±60°, новышают КПД и снижают стоимость электроэнергии, увеличивают эффективный диаметр ФП до 200-^400мм.

Разработанные устройства для унравляющих систем на основе нланарных и матричных ФП имеют более высокую точность срабатывания, надёжность и срок службы относительно устройств аналогичного назначения, нозволяют новысить точность нозиционироваиия, технологичность. Разработанные устройства на основе ФП иснользованы нри создании робототехнического комнлекса.

Реализация результатов работы:

Разработанные методики контроля времени жизии неосновцых носите лей заряда и слоевого сонротивления исгюльзуются нри нроизводстве ФП 0100мм и 1 ООх 100мм в ГПУ ВИЭСХ.

Разработанные устройства на основе кремниевых ФП для информационно-уцравляющих систем внедрены нри нроизводстве САУ робототехнического комнлекса в нроизводственном коонеративе УПК УТ Глобал М.

Анробания работы. Основные ноложения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-ой Международной научно-технической конференции «Энергообесиечение и энергосбережение в сельском хозяйстве»

(г. Москва, 2004), на Международ1юй конференции "Energetika 2006" ( Zlatibor, 2006).

Публикации. По материалам диссертации онубликовано 14 работ, включая 2 авторских свидетельства, 1 натент СССР, 3 натента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключеиия, сниска литературы из 92 источников и нриложеиий.

Работа изложена иа 99 сграиицах текста, содержит 42 шинострации и 12 таблиц.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, указана цель исследования и ее нрактическая значимость. Отмечена научная новизна решаемых задач. Сформулированы основные ноложения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.

Первая глава содержит обзор основных нанравлений развития ФП на основе кремния. Рассмотрены состояние, основные задачи и нерснективы мирового и российского фотоэлектрического нроизводства. Проведен анализ нараметров ФП. Проанализированы области нрименения кремниевых ФП.

Онределены основные задачи исследований.

Вторая глава носвящена технологическим исследованиям кремниевых ФП. Представлены исследования разработанных нроцессов изготовления матричных ФП на базе создания многослойной энитаксиальной структуры и пробоя обратносмещенных р-п переходов. Исследованы технологические процессы изготовления нланарных ФП большой площади, разработанных и производимых в ВИЭСХ.

В третьей главе представлепы исследования выходных характеристик кремниевых ФП. Исследованы методы расчёта электрических характеристик МФП, представлена систематизация методов, общая таблица математических моделей микроэлементов МФП, рассмотрен полный расчет микроэлемента МФП с р-п переходами на пяти гранях и изотиппым р-р"*^ переходом на шестой для случая трехстороннего освещения. Исследованы выходные параметры больших плапарных ФП.

Четвёртая глава посвящена исследованию конструкций на основе кремниевых ФП. Представлены исследования по созданию солнечных модулей с полутороидальпыми концентраторами на базе планарных ФП, исследованы теоретические и технологические вопросы изготовлепия СМ, рассмотрепы конструкции на основе разработанных СМ. Рассмотрены нредложенные бесконтактные фотодиодные матрицы на основе кремниевых ФП для управления электронными устройствами, работы в информационных и управляющих системах.

Глава 1. Обзор основных нанравлсний развнтня фотонрсобразоватслей на основе крсмння 1. 1. Основные направления развнти}1 нроизводства кремниевых фотонреобразователей Технологии преобразования солнечной энергии в электрическую получили широкое применение только в течение последних десятилетий, пройдя сложный путь от использования на космических объектах до массового применения на земле.

Значительный вклад в развитие технологии и конструкций кремниевых фотоэлектрических преобразователей внесли российские ученые и специалисты, в первую очередь Алферов Ж.И., Андреев В.М,, Баум В.А., Вавилов B.C., Васильев A.M., Евдокимов В.М., Заддэ В.В., Каган М.Б., Колтун М.М., Кондратьев К.Я., Ландау Л.Д., Ландсман А.П., Лидоренко Н.С, Пивоварова З.И., Потапов В.Н., Рябиков СВ., Селивапов Н.П., Стребков Д.С, Тарнижевский Б.В., Тверьянович Э.В., Унишков В.А., а также зарубежные Беркман У., Даффи Дж., Джордан Р., Клейн С, Колларс-Перейра М., Лю Б., Шокли В., Холландс К. и ряд других.

Всплеск интереса к фотоэнергетике, наблюдающийся в настоящее время во всем мире, обусловлен снижением стоимости ФЭС до уровня экономической жизнеснособности энергетических проектов (в семь раз по сравнению с 1981г.), нарастающей кризисной ситуацией па мировых рынках "иссякаемых" углеводородных энергоносителей и усугубляющимися экологическими проблемами использования таких энергоносителей.

Современное фотоэлектрическое производство характеризуется быстрым и устойчивым ростом. И если до 1997 года этот рост составлял порядка 15% в год, то, начиная с 1997г. рост - 30% и более, а за 2004г. достиг рекордных 57% (табл. 1.1, рис. 1.1) [1, 5 - 7]. Мировое производство фотопреобразователей и систем возросло в 2004г. до 1195 МВт.

Таблица 1. Мировое фотоэлектрическое производство, 1994 — 2004гг., МВт/год Производство Регион 1999 2002 1997 1998 2000 2001 1994 1995 171,22 251,07 363,91 16,4 21,2 35,0 49,0 80,0 128, Япония 16, 30,4 60,66 86,38 135,05 193,35 20,1 33,5 40, Европа 21,7 18, 53,7 60,8 74,97 100,32 120,6 103,02 Америка 25,64 34,75 38,85 51, 20,5 23,42 32,62 55,05 83, Другие 5,6 6,35 9,75 9,4 18,7 154,9 201.30 287,65 390,54 561,77 744,08 69,44 77,6 88,6 125, Всего ^ 5 Т У 0 1 ^ 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Годы 'Европа — — США Другие •Япония Рис. 1.1. Мировое фотоэлектрическое производство, 1994—2004гг.

Интересно сравнить прогноз развития рынка, сделанный в 1998г. [8] и последние данные табл. 1.1. Темпы развития фотоэлектрического производства резко превышают прогнозируемые. Уже в 2000г. все страны достигли более высокого уровня производства, чем прогнозировалось на 2005г.

В работе [7] приведены производители ФП и ФЭС Европы, Японии, США и других стран и показатели компаний за последние шесть лет. Почти 87% объема мирового фотоэлектрического производства (1055МВт за 2004г.) производят четырнадцать ведущих компаний (таблица 1.2). Впервые в 2004г. в число ведущих нроизводителей вошло болглие десяти комнаний. Первые места прочно занимают японские комнаний. Уровень нроизводства лидера — Sharp больше, чем все фотоэлектрическое производство Европы, и составляет 30,7% от объема производства ведущих компапий и 27,1% от обп1емирового объема.

Таблина 1. Ведущие производители фотоэлектрической иродукции, 1999-2004IT.

Производство (МВт) Место Компании 2004 2001 2002 2003 1999 2000 2001 2002 1999 1 1 198,0 Sharp 30,0 50,4 75,0 123,0 3 1 54,0 60,0 72,0 105 2 2 Kyocera 30,3 42,0 3 3 ВР Solar 54,2 73,8 70,2 1 32,5 41,9 3 2 2 14, Mitsubishi N/A 12,0 24,0 40,0 75 6 4/ 9 9 - - - - - - Q-Cells 8,0 28,0 75 9 4/ Shell Solar 22,2 28,0 39,0 4 4 4 4 2 57,5 73,0 Sanyo 13,0 19,0 17,0 35,0 35,0 65 5 6 7 5 Schott 10,0 23, 14,0 29,5 42,0 63 7 7 6 7 5 Solar Isofoton 27,4 - 18,0 35,2 10 8 8 9,5 53, 6, Motech - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Suntech 11/ - - - - - - - Deutsche 17 28 11/ Cell General 26 29,7 17 25 11 5 Electrie Photowatt 10,0 14,0 14,0 17,0 20,0 22 8 7 10 10 Тенденции развития технологий производства ФП и изменение их роли в фотоэнергетике можно нроаналнзировать па оепове таблины 1.3 [5, 6, 7], в которой ноказаны основные технологии нроизводства ФИ в 2002 - 2004 гг.

Фотоэлектрическое производство сегодпяшпего дпя в основном базируется па мопо- и поликристшишческих кремниевых ФП. В нслом кремниевые ФИ составляют около 94% от всего объема производства ФП. Элементы из мопо- и поликристаллического кремния составляют более 85% мирового производства. Из тонкопленочных ФИ только аморфный кремний играет заметную роль в фотоэнергетике.

Таблица 1. Технологии ироизводства фотоиреобразователей, 2002 - 2004гг.

% Америка ^IiiomiH Европа Другие Всего Технологии Годы 22,56 15,8 162,31 28, 2002 71,9 52, Планарнглс элементы нз 17,15 200,47 26, 2003 68,0 44,17 71, монокристаллнчеекого кремння 29,6 341,4 2004 85 115, 2002 54, Полнкристаллнческнй кремний 24,0 184,5 63,5 34,55 306, 2003 61, 13,42 271,23 114,50 60,65 459, 2004 14,2 393,5 158 104 669, 2002 95,9 207,06 50,35 468,86 83, Моно- и нолнкристаллнческий 115, 2003 315,40 660,27 88, 81.42 185,65 77, всего 2004 504,50 1010,6 99,20 273,80 2002 11.0 4,01 8,0 25,51 4, Аморфный кремний 1, 2003 7,10 0,01 7,7 17,81 2, 3, 2004 14 10 8,6 39, Аморфный кремний внутреннего 2002 0 5,0 0 3,0 8.0 1. 2003 0 5,0 0 3,0 8,0 1, нрнменения 2004 0 0 7,5 7, 2002 11.0 9,01 8,0 5, А»морфный кремний всего 4,5 32. 2003 7,10 5,01 7,7 6,0 25,81 3, 2004 14 47, 17,5 8,6 7 3, 2002 0, Кремниевые элемеиты с 0,5 0, 2003 - - 0,7 0,7 0, концентраторами 2004 0, 0, Ленточные кремниевые 2002 6,9 10 16.9 3, 2003 6,8 6,8 0, элементы 2004 16 41 3, Телурид кадмия внутреннего 2002 0, 0,1 1,5 1, 2003 применения Телурид кадмия наружного 1,5 3,0 0, 1, 2003 3,0 3,0 0, иримеиения 2004 6 7 13 1, CIS ФП 2002 3,0 3,0 0, 2003 4,0 4,0 0, 2004 3,0 3,0 0, Микрокристаллический 2002 0,2 3,7 0, 3, 2003 13, 13,5 1, KpcMHHii/ монокристаллический 2004 20 20 1, кремний 2002 0, Кремний на пластине низкой 1, 1, стоимости 30, 2002 5, A-Si на Cz подложке (HIT) 30, 2003 30. 4, 30, 2004 5, 60,0 60, На сегодняшний день наиболее совершенный, гибкий, и универсальный метод изготовления ФП — планарная технология. Анализ современных производственных технологий нланарных кремниевых ФП на промышленных предприятиях представлен в [9].

Интерес представляют также элементы А-300 комнании Sun Power Corporation и элементы компании Q-Cells, размером 150x150 мм.

Sun Power Corporation сообщила о начале производства в 2004 г. больших ФП А-300, 125-мм монокристаллические элементы достигают КПД свыше 20%.

ФП обладают двумя суш,ественными преимуществами при установке на зданиях: высокая производительность (ЗкВт с 17м^) и снижение стоимости установочной мощности. Оба ФП элементов расноложены на тыльной стороне, что снижает нотери на затенение. Однако именно это является узким местом проекта, т.к. требуется кремний особого качества, цена которого сегодня на 10 20% выше цены применяемого солнечного кремния.

Основные этапы развития российских техпологий в области фотоэлектричества приведепы в таблице 1.4.

Физические принцины нреобразования солнечной радиации были разработаны и использованы российскими учеными для создания теоретических моделей и новых конструкций ФП, в том числе на основе гетероструктур, варизонных структур с нредельным КПД до 93%, п-р-р^ структур из кремния с теоретической эффективностью до 44%, многофункциональных высоковольтных структур. Максимальный КПД в 36,9% был получен на каскадных солнечных ФП на основе гетероструктур.

В России, впервые в мире, разработана новая бесхлорная технология получения солнечного поликристаллического кремния с низкими энергетическими затратами, новая бесполимерная технология герметизации фотоэлектрических модулей со сроком службы 40 лет, что в два раза выше срока службы существующих модулей. Российские учеиые внервые в мире создали фотоэлектрические модули со стационарными концентраторами, которые позволяют до 30 раз сократить потребление солнечного кремния на единицу мощности и в перспективе довести стоимость производства до 0,5- долл./Вт по сравнению с 2,5-3 долл./Вт для стандартных плоских модулей [1-4, 10,11].

Таблица 1. Развитие фотоэлектричества в России Ключевые достижения Год 1958 Запущен первый спутник с солнечными батареями.

В пустыне Кара-Кум недалеко от Ашхабада опробована солнечная батарея с концентраторами мощностью 0,25 кВт для нодъема воды.

Разработан новый класс фотонреобразователей — лнюгоперсходпые и высоковольтные ФП из кремния.

1970 В производстве ФП. применена технология ионной имплаптации.

Разработана технология ФП с двустороиией чувствительиостью.

Прошли иснытапия солиечные батареи плоншдыо 1 м паиряжепием 32 кВ для ионно-нлазмеиного двигателя.

Разработана технология ФП па оспове GaAIAs-GaAs. В 1981 г. этн элементы были использованы в лунной космической программе 1980 Была разработана технология мпогопереходиглх ФП на octione GaAIAs-GaAs.

В Ашхабаде установлена ФЭС мониюстыо 10 кВт с нластиковылн!

параболическими концентраторамн.

Достигнут к п д ФП 36%.прп преобразовании лазерного излучеиия.

1987 Разработана технология очистки металлургического кремиия для ФП.

1989 В красиодарском крае построена "солнечная" деревня мощностью 40 кВт.

1989 Разработана специальиая техиология производства ФП иаземного прнменения 1993 Достигнут к п д 30% для каскадных ФП на основе GaAIAs-GaAs.гетероструктуры на германиевой подложке.

Разработаны новые классы голографических, нризматических, иараболических коицентраторов и онтических систем на их основе.

1999 Разработана низкотемпературная бесхлориая технология получеиия солнечного кремння.

2000 Разработан фотоэлектрический модуль со стационарным концентратором с коэффициентом ко1Н1ентрапии 5-30.

2001 Технология бесполимериой герметизации фотоэлектрических модулей примсиена в производстве кремниевых фотоэлектрических модулей.

2002 В Москве (ВИЭСХ) испытана ФЭС со стационарным концентратором мощностью 1 кВт.

2003 В Сибири испытана однопроводная линия электроисредач иа основе резонансной техники мощиостью 20 кВт и нанряжением 10 кВ.

Состояние фотоэлектрического производства на сегоднянн1ий характеризуется следующими основными направлениями [1,12]:

• Плапарные ФП из моно- и поликристаллического кремния (элементы с КПД 24%, коммерческие модули - 13-^15%). В настоящий момент кремниевые модули стоят около 3$/Вт.

• Топкоплепочные материалы, например амфорный кремний, CIS ФП, телурид кадмия, поликристаллический кремний и ФП на красителях (КПД элементов 12-18%, коммерческих модулей 5-7%, лучших образцов модулей 9-11%). Модули на основе тонких пленок нроходят сейчас через период быстрого развития и большого риска.

• Высокоэффективные элементы на основе монокристаллического кремния и арсенида галлия с гетеропереходами с использованием концентраторов (КПД элементов 23% — 30%, коммерческих модулей 15—17%).

• Создание фотоэлектрических систем с установочной стоимостью 1$/Вт. Распрострапеппые фотоэлектрические системы продают энергию по цене 5-10$/Вт установочной мошности, включая стоимость онорных конструкций, устройств автоматики, земли и т.д.

Достижение к 2015 году планируемых показателей ФЭС: стоимость кВт пиковой мош;

ности — 1 $/Вт, стоимость производства электроэнергии 0,04 0,08 $/ кВт-ч, КПД 18-24%, срок службы 40-50 лет, обеспечит расширение спроса и рост фотоэлектрического производства, будет способствовать дальнейшему снижению стоимости и увеличению объема продаж. Учитывая экологические показатели, рост цен на ископаемое топливо и введепие налога на выбросы ТЭС, в 2015-2025 годах ожидается полная конкурентоспособность ФЭС на энергетическом рьнше [13].

Для российской фотоэнергетики наибольший интерес нредставляет развитие производства высокоэффективных нланарных и матричных кремниевых ФП и установок на их основе.

Основные усилия комнаний нанравлены на снижение стоимостных характеристик фотоэнергетнческих технологий и снижение цен на оборудование. Наряду со стоимостью нервостепепное значение имеет вопрос о достижимых значениях КПД ФП при различных технологиях производства и условиях эксплуатации. Именно эти два фактора онределяют целесообразность применения ФП и фотоэлектрических устройств в широких масштабах.

1.2. Аиализ нараметров матричиых и иланарных фотонрсобразователеи Исходя из тепдеиций развития фотоэлектрического производства, проанализируем электрофизические и технологические параметры наиболее широко выпускаемых сегодпя фотопреобразователей (табл. 1.3) и перспективы их совершепствования и повышения КПД ФП.

Максимально возможпый КПД преобразовапия cojHie4Horo излучения согласно старой классической теории составляет около 28 % и соответствует ширине запрешепной зоны арсенида галлия (Eg = 1,4 эВ);

для кремния (Eg = 1, эВ) предельпый теоретический КПД (;

/о) равеп ~ 26 % [14]. В работах отечественных и зарубежных ученых исследованы максимальные КПД, их зависимость от рабочей температуры для ФП из различных полупроводниковглх материалов (рис. 1.2, 1.3), влияние отклонения реальной вольтамперпой характериетики (ВАХ) от идеальной ( рис. 1.4).

Рис. 1.2. Зависимость теоретического КПД от пшрины занрещенной зоны в условиях АМО и AMI [15] CaS/CaP Рис. 1.3, Зависимость теоретического КПД от температуры [16] оI 0. Рис. 1.4. Зависимость теоретического КПД от ширины запрещенной зоны для коэффициента, учитывающего отклонение ВАХ от идеальной А=1 и А=2 [17] Типичпые значения КПД монокристаллических кремниевых ФП с р-п переходом составляют в производстве 14-16% для солпечного излучения при условиях нулевой атмосферной массы 1,5(АМ1,5) и рабочей темнературы 25°С, т.е. значительно меньше их предельного теоретического значения.

Основными источниками потерь мощности являются:

- несовершенство кристаллической структуры и загрязненность исходного полупроводпика, что приводят к малым временам жизни носителей заряда и низкой спектральной чувствительности в длигню волновой области спектра;

- физико-химическое и мехапическое несовершенство поверхности полупровод[1ика, приводящее к большой поверхпостной рекомбинации и низкой спектральной чувствительности в коротковолгювой области;

- несоверщенство р-п перехода и паличие в ием сильной рекомбинации, что ухудшает качество ВАХ, снижает иолучаемое напряжение.

Одним из основных методов решении проблем увеличепия фототока была разработка так пазываемых "фиолетовых" или "черных" фотоэлементов со сверхтонкими легирован11ыми слоями на освещаемой новерхности, что позволяет отделить р-п переходом область паибольшей генерации носителей от рекомбинационпой новерхностн. HcnojHj3OBaHHe нри этом более совершенных просветляющих покрытий и создание текстурироваппой поверхпости способствует повышению КПД до уровня 15-16 % [18].

Создание изотинного перехода па освещаемой поверхности п^-п практический вариант реализации специальнглх встроегшых электрических полей в освенщемом легированном слое. На данных структурах получепы КПД ФП - около 17-18 % при толщипах неоднородного поверхпостного слоя ~ мкм [19-21].

Использование низкоомного р-кремния с удельп{11м сопротивлением 0,1 0,3 Ом-см привело к получепию КПД 16-18 % при AMI, причем возможпо достижение КПД 20 % и снижение его температурного градиента с 0,45 % /°С для обычных элементов до 0,3 %/°С [22,23].

Эффективность преобразователей может быть повьпиепа при использовании ФП с двусторонней чувствительностью [24-27]. К преимуществам таких ФП относятся почти полпая прозрачпость для ипфракраспого излучспия и возможность преобразовапия cojnie4Horo излучения, надающего па их тыльную новерхность.

Панбольший КПД для ФП из аморфного кремния с одним р-п переходом имеет p-i -п структура, включающая гетеропереход а - Si/cSi. Он составляет 10,1 % при AMI, Т = 26°С. Каскад из двух элемептов и а - Si ноликристшшического кремния имеет КПД 12,37 % в уеловиях ЛМ1 [18].

Изложенные модели, осповаппые на использовании принпина неоднородности фотоэлектрических структур, имеют пель и возможность повысить КПД в пределах максимального теоретического значения 28 %, полученного в первых классических работах Лоферского, Шокли и др. Даппое ограничение на КПД было снято в работах советских ученых[29,30]: был сформулирован второй теоретический принцин новышения КПД, заключающийся в иснользовании концентрированного солнечного излучения и коллективных эффектов в объеме нолупроводпика.

Для используемых в качестве ФП полупроводпиков с гомо- или гетеропереходами применяется теория слабого возбуждепия полупроводпика и задача кинетики неосновных носителей сводится к определению линейного фотоотклика но параметру Ап/пр. Построеппая таким образом теория довольно хорошо описывает фотовольтаический эффект в полупроводпиковых структурах и в пастоящее время является основой расчета и конструирования нреобразователей солнечной энергии [33]. Однако при преобразовапии излучения, значительно нревышаюн1его по интенсивности обычное солнечное, теория линейного фотоотклика нерестает работать. Для рассмотрения фотоэлектрических явлений в полупроводпиках при сильном возбуждении, когда возникает мощная неравновесная электроппо-дырочпая плазма, приводянщя к появлепию новых физических явлений, создана специальная теория фотовольтаического эффекта в полупроводнике и принцииов фотопреобразовапия в условиях сильпого светового возбуждепия.

Согласпо теории идеального фотопреобразователя, предельпый КПД ФП при увеличении светового потока растет, как и фото ЭДС, логарифмически г] ~ In Ф. Основным фактором, ограничива1ош,им рост КИД, являются омические потери, Иоэтому зависимость КИД от интенсивности обладает максимумом, который сдвигается в сторону больших интенсивностей при уменьшении величины внутреннего сопротивления R [35]. Это означает, что в каждой конкретной конструкции следует производить расчет оптимальных значений коэффициента концентрации, а также включать указанную немонотонность зависимости КИД от светового потока Ф в общую оптимизациоппую задачу.

Согласно [36] теоретический КИД для данного материала зависит от спектральной области цоглош,ения A?t = ^ i - ^2 и определяется как:

кТ 1+ где и U = — In jcj, = eG (L^ + Lp) eDjip L L \ n у " ЯрЯ^ - верхпяя и пижпяя границы спектральной области НОГЛОЩСНИЯ;

мош;

ность поступающего излучения;

j^^^ - фототок;

G - функция генерации;

LpL — диффузионная длина электронов и дырок, соответственно;

D^^ — коэффициент диффузии неосновных носителей заряда (ИИЗ).

В ФИ, в которых основной вклад в фототок онределяется базовой областью, выбор ее материала существенно влияет на КИД, и имеется некий оптимальпый уровепь легирования, наличие которого онределяется следуюпщми конкурирующими процессами. С одной стороны, увеличение уровня легирования нриводит к уменьнюнию обратного тока насыщения и последовательного сопротивления, что приводит к повышению эффективности преобразовапия. С другой стороны, при увеличении уровня легирова1шя резко уменьшается подвижность и время жизни ИИЗ, Оптимальная концентрация потока возрастает при уменьшении R, т.е.

при увеличеиии уровня легироваиия базы или при уменьшении слоевого сопротивления легироваиного слоя. Для обычных конструкций (R ~ 1 Ом-см^) оптимальный фототок 1ф „pt ~ 25-50 мЛ/см^ (А ~ 1-2), что соответствует однократному солнечному освещению. Максимальный КПД немонотонно зависит от сопротивлепия R и связап с коэффициептом собирания Q (R) и обратным током насыщении,, ^(^.Акт(. Акт Акт In ;

7"^ - lnln =r]Q(R) Одними из перснективиых преобразователей концентрированных потоков являются высоковольтпые матричные фотонреобразователи [29-32], а также созданные за рубежом аналогичные элеме1пы. Полученные па них КПД составляют 18 % нри 30-кратной концентрации излучепия AMI и 18,5 % при 500 AMI, а предсказап КПД 21,3 % при 1000 AMI [18].

Обладая размерами микроэлемента, сравнимыми с диффузионной длиной ППЗ и возможностью варьирования конфигурацией нереходов, такие р-п преобразователи в действительиости имеют мпогофу1нциональное значение.

Наиболее принциниальиую роль играет вертикальный р-п переход, который увеличивает чувствительность элемента в длииноволновой области спектра и приводит к папичию комиоиенты тока, перпендикулярной нанравлению наления света. Характер1юй особенностью МФП, содержанщх большое количество последовательпо или параллельно скоммутированных микроэлементов с р-п переходами, является возможность генерации носителей заряда практически во всем их объеме. Малые размеры микроэлементов МФП позволяют достичь высоких.зиачепий коэффициента собирания и КПД, что делает матричные ФП особеи1ю перспективпыми [14].

Электрические характеристики МФП зависят от угла поворота световой полосы при ее вран1епии отиосительпо плоскости переходов р-п микроэлементов, что связано с изменением нлопщди, количества и местоположепия освещаемых микроэлемептов. Максимум достигается в косоугольной фотоматрице МФП нри угле наклона 45°.

Высокий КПД МФП достигается только ири эффективной скорости новерхностной рекомбинации не выше S-зфф ~ 10^ Ом/с, поэтому структура должна включать элементы, снижающие Б^фф. Примером этого является создание изотипного нерехода [37,38] или в более общем случае онтимизация величины и форм встроенного ноля. Для матричных ФП, изготовленнГ)1х из кремния «-тина, эффективным средством иовьинения КПД и снижения SJфф является иросветляющее и защитное нокрытия на основе двуокиси о:юва толщиной 840А [39] или ГГО.

Уменьшение rojHUHHbi базовой области является основным условием новышения КПД и нлогности напряжения МФП, а также увеличения удельной мощности и сохранения КПД нри преобразовании концентрированного нотока излучения [40]. При прочих равных условиях наиболее эффективными являются иреобразователи на основе исходного нолупроводника/7-гина [14].

При сильных интенсивностях наиболее эффективен матричный нреобразователь с одним вертикальным переходом в микроэлементе.

р-п Выражение для ВАХ в условиях No» имеет вид [14] An »Nyi b--\ Anjd) 'г q b+[ где b = fin/[Лр - отношение НОДВИЖНОСТИ электронов и дырок.

Увеличение КПД нри сильном освещении в основном онределяется увеличением напряжепия ФП и представляется выражением [41,42]:

где - КПД и фото-ЭДС при иормалыюн освеи1е1июсти;

А jjo и Uo коэффициент, учитывающий отклонение ВАХ от идеальной;

х - кратность увеличения освен1енности по отношению к нормшнлюй 1000 Вт/м^ (AMI).

При А = 2, Г = 3 0 0 ° К и Ко =0,55 В: г] =^ }]о(\ + 0,22 In х).

Зависимости энергетических параметров МФП от интенсивности освещения представлены на рис. 1.5 [29]. При возрастании интенсивности (А^ UD) UXX насыщается и становится равным UR. При этом КПД стремится к насыщению, его предельное значение онределяется уровнем легирования и диффузионными параметрами полупроводника.

Рис. 1.5. Зависимость энергетических параметров МФП от интенсивности освещения: 2, 4 - новая теория;

3, 5 - старая теория Приведенные зависимости свидетельствуют о возможности создания высокоэффективных нреобразователей концентрированного излучения на основе матричных структур. КПД таких нреобразователей растет нри увеличении интенсивности и для реальных полупроводников с уровнем легировапия NA ~ Ю'^см "^ оказывается равным примерно 24 %. ПерспективЕЛ получения более высоких значений КПД связаны с возможностью дальнейшего совершенствования кристаллической структуры и чистоты полупроводпиков, использовапия изотинных нереходов. КПД этой структуры значительно нревышает КПД простого р-п перехода и при Л^д = Ю'^см'•'он равен 30 %, нричем КПД растет но мере перехода к высокочистому базовому материалу с собствеппой проводимостью [29].

Энергетическая освещенность, соответствующая режиму насыщения фотоЭДС, зависит от конфигурации и чиела нереходов и имеет для р-п различных типов МФП величину 10-30 Вт/см^, при этом фотеЭДС при 300°К увеличивается до 0,84 В на микроэлемент. Максимальный КПД имеет МФП с [-образными р-п переходами: 19,4 % - для солнечного спектра и 46,0 % для монохроматического излучения с Я=1 мкм. В работе [16] приведено значение предельного теоретического КПД для МФП 30-55 %, в работах [14, 18] г|тах = 44%, в [44] указывается, что многопереходпые кремпиевые элементы могут иметь КПД около 80% нри степепи концентрапии 1000.

В реальных конструкциях МФП, работающих в условиях си;

н:.ного освещения, необходимо учитывать влияние носледовательного сопротивлепия, изменение температуры, спектра излучения и других нараметров. В энергетических системах последовательная коммутация и высоковольтная конструкция являются более предпочтительпыми, т.к. они иозволяют избежать потерь па коммутагщю за счет увеличепия напряжепия и пропорционального умены11е1Н1я нлотности тока.

Значительно большим предельпым теоретическим КПД, чем для обычпых преобразователей с гомо- и гетеропереходами обладает епособ фотопреобразования на основе объемного фотоэффекта [31].

Среди многих причин появлепия объемпого фотово;

н1таического эффекта наиболее важны неоднородности легирования полупроводника, которые сонровождаются возникнове1Н1ем градиента ширины за11рен1,енной зоны V Eg и встроенных электрических полей для электронов и дырок.

При малом Egmin полная фотоЭДС онределяется не напряжением на барьере V, а папряжепием в объеме V g «—Е„,„ах- Предельпая эффективность q преобразова1шя ограничивается только излучательной рекомбинацией и еоответетвует КПД цикла Карно, который для солнечного излучения равен %. Наиболее важной причипой, приводящей к уменьн1ению КПД, является падение папряжения на сопротивлепии объемпого слоя, которое определяется фотопроводимостью.

Исгюльзование полупровод1шкового материсша с бо;

нлпим bo no3BOjmT значительно превысить КПД преобразователей с барьерным фотовольтаическим эффектом. При bo 10, типичном для соединений А2 Вв или А^ В^, КПД составит более 50 %.

Предельный КПД каскадных ФП для АМО составляет 47 % [18]. Для единичного ФП при теоретически максимальном коэффициенте концентрации солнечного излучения С = 4,6 • 10"^ нредельный КПД, удовлетворяюн1ий нринципу детального равновесия, rjo = 40 %. При неограниченном количестве элементов в каскадной структуре предельный КПД ;

/о = 68 % (60 % [43] ) нри С =1 и }]о= 87 % при С = 4,6 10^ [44].

Для ФП на основе систем с разложением излучения в снектр, включающих три наиболее распространенных типа С7 из Ge, Si и GaAs, с шириной зоны 0,68;

1,1;

1,4 эВ и нредельным КПД 37, 44, 43 % соответственно, предельный КПД составляет 63 %. Для систем из двух СЭ предельные КПД равны: 53 %-для Се-Si, 54 % - для Si - GaAs и 59 %-для Ge - GaAs. При бесконечном числе ФП, охватывающих всю спектральную облаеть излучения, значение ;

/« стремится к единице. В действительности наличие неизбежных потерь нриводит к ограничению этой величины термодинамическим значением 9 3 % [18].

Анализ факторов, определяющих КПД нреобразования солнечного и лазерного излучения, ноказывает, что в фотоэлектрическом нроизводстве суи1ествуют значительные возможности совершенствования технологии и конструкций планарных и матричных кремниевых ФП и улучшения их нараметров.

1. 3. Анализ областей iipiiMCiiciiHsi фогоирсобразоиагелей на основе Кремниевые фотопреобразователи составляют более 90% всего нроизводства ФП (табл. 1.3). Мировой фотоэнергетический рынок базируется на кремниевых ФП во всех областях и эта тенденция в будуп1ем будет сохраняться.

Основные сектора мирового фотоэнергетического рынка и динамика их роста приведены в табл. 1.5 и на рис. 1.6 [5, 6, 7].

Таблица 1. Основные сектора мирового фотоэнергетического рынка (MBi) Сектор рынка 1990 1993 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 1 120 7 27 36 Установки, подключенные 270 360 к сети 9 53 100 23 28 34 44 Автономные системы 22 65 16 18 26 30 35 45 Потребительские товары 14 16 23 31 35 46 60 75 Коммуникация и связь 7 30 36 45 10 12 16 20 25 Гибридные фото/дизельные системы Крупные электростанции 1 2 2 2 2 2 5 5 8 (100кВт) 61 89 127 201 395 525 658 Всего 4ОО -, 35О ЗОО 25О 2ОО 15О 1ОО 5О 1996 1997 1998 1999 2ООО 2ОО1 2ОО2 2ООЗ Годы Рис. 1.6. Мировой фотоэнергетический рынок, 1996-2003гг.:

1 — сетевые системы;

2 — автономные системы;

3 — потреби тельские товары;

4 — коммуникация и связь;

5 — гибридные фото/дизельные системы;

6 — крупные электростанции Лидирующие нозиции занимает сектор сетевых систем - 51% от общемирового объема нроизводства за 2004г. В начале 90-х годов ноявление германской и затем японской программ по установке ФЭС, связанных с сис темами централизованного энергоснабжения, па частных и общественных зданиях стимулировало рост "сетевой" фотоэнергетики, сделав ее самым большим и быстро развива1ош,имся сегментом фотоэнергетнческого рынка.

В течение нервых пятнадцати лет, с 1980 но 1995г. большинство реализованных нроектов были демонстрационными с правительственным субсидированием расходов в нределах от 80 до 100% от общей стоимости систем. Практический успех первой программгл "1000 солпечных крыш" в Германии, как в части выбранных технических решений, так и в части экономических и правовых механизмов их реализации, способствовал появлению программ "70000 солпечных крыш" в Япопии, "100000 крыш" в Германии, "Миллион крыш" в США и "Миллион фотоэлектрических энергоустановок но 3 кВт каждая" в ЕС.

Одним из наиболее значимых событий носледних лет является уснех японской фотоэлектрической нрограммы. Количество дотаций на ежегодные закупки фотоэлектрических устаповок уменьшалось каждый год: от 50% в нервый год (1994 г.) до 12% в 2002, носледний год. В течение 2002г, согласно программе субсидий было установлено более 40000 ФЭС (140 МВт), более 50% от всего объема сетевого сектора. Программа "70000 солнечных крьин" дала толчок прогрессивному развитию фотоэлектрической нромышленности.

Увеличение спроса сделало возможным нонижение стоимости установле1Н1ой мощности систем с 11$/Вт в 1996г. до 5,5$/Вт в 2003г. и стоимости фотоэлектрической энергии до 11-^15 cents/Вт [7,46].

Во многих странах мира намечаются и нроводятся грандиозные правительствепные программы стимулирования развития "сетевой" фотоэнергетики. Помимо Янонии, Германии и США наибольший интерес представляют нрограммы в Швейцарии, Италии, Нидерландах, Испапии и Австралии [47-49]. К 2010г. каждый пятый дом в Германии, Австрии и Швеции будет использовать фотоэлектрические установки [6].

В работах [1, 5 - 7] ноказано изменение цен на фотоэлектрические установки сетевого сектора и изменение цен на модули ноли- и монокристаллического кремния в США, Германии, в мире.

в таблице 1.6 приведена стоимость ФЭС для сетевого сектора фотоэнергетики в 2000г. и нерснективы ее с1Н1жения к 2020г. [47].

Таблица 1. Стоимость ФЭС сетевого сектора фотоэнергетики Компоненты ФЭС Стонмость, долл./кВт 2000 г. 2020 г 4000-- 8000 Фотоэлсктрическнй модуль 750-- 1000 Иннертор 900-- 4000 Трансформаторные нодстанцин 850 — 4000 Монтаж 6500 — 17000 Обнщя стонмость Эксплуатацнонные расходы, 0,01 — 0,20 0, долл./кВт-ч Уменьшение общей стоимости системы в 2020г. относительно суммы стоимости комнонентов учитывает тот факт, что в таблице нриведены максимшн^ные прогнозируемые значения, а в действительности составляганще могут быть ниже.

В результате бурного роста фотоэлектрической промышленности мировые цены на модули из моно- и ноликристаллического кремния уменьшились в среднем до 2,7 — 3,25$/Вт [6].

С середины 90-х лидирующие нозиции так же занимает еектор автономных систем — примене1ше кремниевых ФП для эпергоспабжения нотребителей в удаленных от электросетей областях, где расходы на другие источники энергии намного выше. Крунная ниша на ры1не ФП в секторе автономных нотребителей — сельское хозяйство, где 35% населения в мире не имеет доступа к электроэпергии. Почти треть обт^емов производства сектора приходиться па автономных нотребителей США Использовапие ФЭС в этой области очень актуально как для развитых так и для развиваюнщхся стран [7,11,50].

Лидерами большой восьмерки в Генуе в июле 2001 года была ноставлена задача за десять лет обеспечить 2 млрд. человек энергиег! с помощью возобновляемых источников энергии и предложена копцеппия электрификации сельского хозяйства развивающихся стран [11]. Общий объем автономного использования ФЭС составит за 10 лет 3—6 ГВт. Общая стоимость нроекга оценивается в 200-250 млрд. долларов. Подтверждение этих намерений российской стороной содержится в Федеральной целевой программе "Энергоэффективная экономика", утвержденной постановлением Правительства РФ № 796 от 17.11.2001 г., в Новой энергетической стратегии России на нериод до 2020г.

Для России на сегодняшний день самым перспективным сектором фотоэлектрического рынка является именно сектор автономных систем. В России этот сегмент рынка имеет большие гютенциальные возможности, чем в Япотт, США и странах Европы.

Рост "сетевого" сегмента рынка стимулирует примепепие кремниевых ФП в многочисленных конструкторских и дизайнерских решениях, которые могут быть использованы как в сетевом секторе, так и в секторе автономных потребителей. Налаживается сотрудпичество фотоэнергетической пролнН11ленности с изготовителями высокоэффективных зданий. При этом преследуется задача заиуска производства домов с низким потреблением энергии и иптегрироваппыми в их структуру ФЭС.

Иптерес представляет применение плапарпых кремниевых ФП для создания структурного фотоэлектрического фасада (Tsukuba Research Centre, Japan), гармонично вписываюш,егося в современные здания, витражей и декоративных элементов с использованием кремниевых ФП, разработки фирм ВР Solar, Shell Solar, Astro Power no иптегрированию фотоэлектрических систем в новые здания и сооружения. Экологическая чистота ФЭС позволяет создавать пространственно-архитектурные и инженерные композиции, которые являются элементами зданий, обн1ественных центров, пляжей, автостоянок, кафе и т.д., в которых органически сочетаются природные ландншфты и среда обитания с энергетическими установками. Работы в этом иаправлении получили широкое развитие в носледние годы, т.к. такие ренюния способпы резко повысить нокупательский спрос [48-54], Очень перспективно применение как матричных, так и планарных кремниевых ФП для создания фотоэлектрических систем с концентраторами.

Лидируюпще позиции в этой области запимают российские разработки. За последпие годы создап целый ряд модулей с концентраторами на базе планарных кремниевых ФП [1,50].

Перспективное нанравление фотоэнергетики — создание крупных фотоэлектрических станций с ФП на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляюнше солнечной радиации с КПД 12—15%. Солнечные электростанции (СЭС) могут быть использовапы для решепия как локальпых энергетических задач, так и глобальных проблем эпергетики [56,57].


Целый ряд интересных нроектов СЭС реагп^зуется в настоящее время в Европе и Австралии [48,49]. В 2004г. фирмами Shell Solar и GeoSol па севере Лейпцига построена СЭС мощностью 5 МВт, которая снабжает электроэнергией около 1800 домов. GeoSol являлаеь инициатором и разработчиком проекта. Shell Solar нроизводителем оборудования. В январе 2004г. введена в эксплуатацию 1,4 МВт установка, полпостью обслуживаюп;

ая аэропорт в городе Saarbriicken. Интересный проект разрабатывается в Австралии: фотоэлектрическая башня высотой 1000м будет нроизводить МВт электроэнергии. Все более широкое ирименение находит идея создания мошных фотоэлектрических систем и СЭС, не занимая дoпoлпитeJПJHЫx плоп1адей, па крышах и фасадах npoMbnimeinibix комплексов, зданий и обш,ественных сооружений, нанример, СЭС автобусного нарка в Барселоне, мощпостью 317 кВт, или создапная Sharp, самая высокая солнечная папель в Европе: солнечные модули закрывают три стороны 118 метрового 25 этажного небоскреба компапии CIS Tower в Манчестере и вырабатывают до 180 МВт-ч энергии в год. В Англии находится в разработке 17 нохожих проектов.

Постановка задач диссертации.

Проведенный обзор основных наиравлений развития фотонреобразователей на основе кремния ноказал, что для достижения нели диссертации необходимо решить следующие задачи.

1. Совершенствование технологии изготовления матричных и нланарных ФП на основе кремния.

2. Повышеиие электрических характеристик ФП на основе кремниевых п р-р" структур.

3. Создание стационарных солнечных модулей на основе нланарных ФП и нолутороидальных концентраторов, концентрнрующих нрямую и диффузную солнечную радиацию с анертурным углом ±60°.

4. Повышение точности нозиционирования, технологичностн устройств и создание бесконтактных оитических клавиатур.

5. Технико-экономическое обоснование нроизводства и иснользования разработанных солнечных модулей.

Глава 2. Исследование технологии изготовления фотонреобразователей на основе кремния 2.1. Исследование процессов изготовления матричного фотонрсобразователя на основе Примепение наряду с кремниевыми нланарными фотопреобразователями матричных ФП и конструкций на их основе позволяет охватить широкий снектр задач фотоэнергетики, значительно расншрить возможности иснользования фотопреобразователей.

Распространенные способы изготовления МФП обладают рядом недостатков. Одна из основных проблем при создании эффективпых МФП радикальпое спижение внутренних омических потерь.

Предложенная нами технология включает следующие основные операции: создание методом эпитаксиальпого паращивапия мпогопереходной структуры - слоев р и п тина на нолунроводниковой подложке;

металлизация;

разрезапие заготовки на матрицы;

нанесение просветляюн1его покрытия;

подача импульсного напряжения на матрицы и пробой обратносмещенных р-п переходов матриц;

присоединение токоотводов [58].

Энитаксиальную многослойную структуру п-р-п-р-...-р создавали йонно молекулярной эпитаксией на подложке из кремпия п-типа марки КДБ 0,5 (0,1), проводя поочередно легирование бором и фосфором. Изменяя тип примеси или ее концентрацию, мы имели возможность в широких пределах измепить электрические характеристики эпитаксиальпого слоя.

Параметры слоев, полученных эпитаксией, находились в пределах парамет ров лучших образцов нланарных ФП, удельное сопротивлепие измерялось четы рехзондовым методом. Для определения толщины эпитаксиальных слоев иснользовался метод косого шлифа, позволивший определить толн1ину каждого слоя в многослойных энигаксиальных структурах. При проведении эксперимен та однородность слоя по толщипе находилась в пределах ± 7 %, а воснроизводи мость толщины от процесса к процессу порядка ± 12 %. Отклопспис толпщпы от заданных пределов (10-^15 мкм) было -5% в нижней границе и + 4,3% - в верхней.

При эпитаксии достигается равномерное раснределение нримесей, которое неосуществимо в диффузионных слоях, что нозволяет повысить качество МФП и, следовательно, выходные характеристики. Кроме этого, энитаксиальпые слои с необходимой концентрацией примеси можно получить значительно быстрее диффузионных, что повышает технологичность нроцесса и снижает стоимость.

Создание многопереходной структуры эиитаксией позволяет устранить промежуточные подложки, большое количество металлических контактов, необходимость пайки контактов, присутствующие при изготовле1ши МФП в столбик, или шунтирование части р-п переходов, что значительно снижает омические потери - основной фактор, ограничивающий увеличение КПД.

Многослойная эпитаксиальная структура (рис.2.1) не может быть использована в чистом виде для создания МФП из-за наличия обратносмещенных р-п переходов. Применение пробоя позволяет применить эпитаксию.

Первоначально исследования нроводились на ностоянном токе. Анализ результатов показал, что на постоянном токе в модели развивается тенловой пробой, ведущий к необратимому ухудшению параметров модели. Поэтому было принято решение использовать импульсный нробой [59].

Анализ исследуемого нроцеееа и работ, носвя1це1пнлх изучению нробоя кремниевых полупроводниковых приборов, позволяет сделать вывод о том, что для и[ггересую1цего нас случая мгновенного нробоя с условием получения заданных характеристик решающим фактором является лавинный пробой и получить выражения для онределения характеристик пробоя МФП. Величина папряжепия пробоя соответствует величиие лавинного нробоя р-п перехода и зависит для ФП прежде всего от профиля распределения примеси в переходе.

Область пространственного заряда обрагносмещенного р-п перехода имеет большую протяженность и, следовательно, профиль распределепия примеси в этой области является резко несимметричным относительно положения Рис. 2.1. Многонереходная эпитаксиальная заготовка — а) и многопереходная матрица на ее основе — б) "1 пр.«г Рис.2.2. Определение характеристик одной п-р-п структуры;

а) схема структуры;

б) электрическая схема установки импульсного пробоя металлургического p-n перехода, что затрудпяет аппроксимацию реального распределения примеси какой-либо упрощенной зависимостью.

Исходя из вышеизложенных соображений, за основу при построении модели для расчета напряжения пробоя был принят общий критерий лавинного нробоя [60], применимый для произвольного распределения примеси в одномерном случае J где Г], Г - границы области нространственного заряда при пробивном напряжении;

an, ар -коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок соответственно.

Коэффициент ударной ионизации для кремния зависит от ноля следующим образом [61]:

В \Е{г)\_ где Е (г) - раснределение нанряженности поля в переходе. А, В - константы.

Для определения an: А = 3,8 • 10^ см'*;

В = 1,75 • 10^ см'';

для ар : А = 2, Связь между распределением напряженности электрического ноля Е (г) и распределением примеси в переходе определяется уравнением Пуассона, которое для нашего случая может быть занисано аналогично уравнению для плоской части р-п перехода:

где е - диэлектрическая постоянная кремния;

ZQ - диэлектрическая постояп пая вакуума. Предполагается, что плотность объемного заряд ионизирован-ной примеси 0(г) является функцией одной координаты г.

Следователыю, для онределения распределения напряженности электри ческого поля E(r) и границ области пространственного заряда Г| и Г при пробе г необходимо решить систему нелинейных уравнений:

- Да,,(г)- '\dr = I В (2.1) a{r) \E{r)\_ d — dr Определив на основании (2.1) Eif), «„(г), и г, 1', находим величину напряжепия пробоя по формуле:

Т.о. напряжение пробоя определяется следуюн1ей системой уравнений (для "резкого " р'-п перехода):

пр [^, (2.2) 0,0334 + 2,2297 -15,3566 + 53, 1019 ч 10" V -81,3906 + 41,0570 •10' 19 10 здесь Ecrit- критическое поле, при котором паступает пробой;

Ks-опюсительпая диэлектрическая постояппая кремния, q - заряд электрона.

Для предложенной технологии важное значение имеет то, что Ecnt не зависит от типа проводимости полупроводника и слабо зависит от изменения времени жизни т [62,63].

Также решение системы (2.2) дает возможность определить величину легирования для получения определепного напряжения пробоя. Результаты исследований показывают, что выбор копцептрации примесей важно производить с учетом подобран1юго Unp и особенностей пробойной установки и наоборот - выбор Unp с учетом параметров эпитаксиальпых слоев и возможностями эпитаксиального оборудования. При этом необходимо учитывать технологический разброс концентраций.

В томе время пробивное напряжепие определяется удельпым сопротивлением. Каждому данному U „р соответствует строго определеппая величина удельного сопротивлепия. Измеряя удельное сопротивление в процессе изготовления, можно более точно скорректировать U пр.

В исследуемом процессе изготовления МФП величину импульсного напряжепия и емкости пробойной установки регулируют в зависимости от количества р-п структур и устанавливают соответствующую длительность импульса, исключающую влияпие температурного фактора на пробой.

В процессе изготовления выбирается либо установочное напряжение пробоя при возможностях пробивной установки, соответствующих пределам 35 1000 мкФ, либо при заданной ёмкости определяется соответствующие напряжение пробоя. В проведённых нами исследованиях выбиралась установочная ёмкость.

Верхний и нижний пределы папряжения и емкости были выбраны на основе технологических исследований исходя из условий стабильности выходных характеристик, отсутствия изменений структуры и технологичности нредлагаемого способа.

Оптимальные значения нараметров онределяются для конкретного технологического процесса как результат оптималыюго сочетания требований конструкций, в которых используются МФП, и характеристик используемого оборудования, технологии, материалов.


Для выбора нараметров необходимо знать зависимость Unp= fiS^). У каждого типа матриц определёппый интервал для Unp, соответствующий мпювенрюму пробою. Полученная зависимость (рис. 2.3.) позволяет выбрать параметры при изготовлении МФП: выбирая один из входных параметров ( Unp или С) как установочный, можно определить величину другого входного параметра, проводить корректировку в процессе изготовления.

Результаты исследования образцов подтверждают теоретические предположения об увеличении выходной мощности и напряжения за счёт устранения потерь внутри матрицы на контакты между отдельными эпитаксиальными р-п переходами, а также за счёт структурных изменений, нроисходящих в нроцессе пробоя, влияния пробоя па структуру и изменения границ переходов.

Полученные зависимости приведены на рис. 2.4 -2.6. На рис. 2.4, 2. показаны ВАХ одной п-р-п структуры до и после пробоя. На рис. 2.6 сравпительные ВАХ планарного ФН, МФН из 10 микроэлементов, изготовленного методом пайки «в столбик», модели рис. 2.2.а) и многослойных эпитаксиальных структур с 10 и 12 р-п переходами. По результатам экспериментов КПД МФП составляет 8-8,6% для МФП с 10 п-р нереходами и 8,2-8,5% для МФП с 12 п-р переходами.

Получение слоев эпитаксией дает возможность снизить стоимость изготавливаемых МФП за счет снижения трудоемкости, исключения части операций, экономии материала нодложки. Общее снижение стоимости составляет до 30%.

Экспериментальные исследования показывают, что за счёт получения МФП путём создания многослойной энитаксиальной структуры и пробоя обратносмещённых р-п переходов происходит увеличение выходного напряжения до величины 0,3-0,6В на р-п переход. Предложенная нами технология нозволяет увеличить выходное напряжение и мощность, повысить технологичность и производительпость, обеспечить высокое качество МФП.

Использовапие направленного пробоя позволяет применять разработанный процесс для изготовления более сложных моделей МФП.

Возможно создание любой конфигурации размещения р-п переходов в зависимости от требовапий технологии и конструкций изделий, а с помощью пробоя устранения ненужных обратносмещённых переходов.

{ НО /оо 9О 4О ^ 100 еао sw tcoo OO 3OO ^OO Рис. 2.3. Зависимость напряжения нробоя от емкости С установки 6 в Ю tS /* fd и Рис. 2.4. ВАХ одной п-р-п структуры до пробоя a) fO a e fO • / fa fa Рис. 2.5. В AX ОДПОЙ n-p-n структуры после пробоя:

a) зависимость/от 1]о^щ\\. Iот Ui;

б) зависимость /от U Рис.2.6, Вольтамперные характеристики ФП: а), в) световая, б) темновая 1 — плапарпый ФП;

2 — МФП с 10 микроэлемептами;

3 — одна п-р-п структура после пробоя;

4 — эпитаксиальпый МФП с 10р-п переходами;

5 — эпитаксиаль пый МФП с 12 р-п переходами 2. 2. Исследование технологических процессов создания нланарных фотонреобразователей большой нлощадн Технология изготовления кремниевых нланарных ФП большой площади (ВИЭСХ) включает: резку слитков кремния на диски;

щелочное травление и химическую очистку новерхности пластин;

диффузию фосфора и бора;

на несение просветляющей пленки;

создание контактных окон в ней;

нанесение контактов химическим никелироваиием;

травление кромки дисков;

облуживание контактов.

Технологические исследовапия [66] проводились при участии и поддержке заведующего лабораторией технологии фотопреобразователей и электронных приборов ВИЭСХ к.т.н. В.В. Заддэ.

ФП изготавливались на кремниевых нластинах р-типа проводимости, диаметром 100мм с удельным сопротивлением 8-15Омхм, временем жизни более ЮОмкс и кристаллографической ориентацией (100). Основная марка кремний КДБ 10-12(100).

С целью формирования диощюй р^-р-п^ структуры с мелкозалегающими р^—р- и р-п^ -переходами проводился двухстадийный диффузионный процесс с использованием растворных композиций бора и твердых источников фосфора.

Для сиятия пленки фосфоросиликатного стекла с лицевой стороиы пластины между первой и второй стадиями диффузии применялась технология избирательного травления. Темнература диффузии бора 1000, фосфора 850°С.

Технология никелирования позволила создать прочное никелевое покрытие при низкой температуре, вследствие чего никель не проникает в область р-п перехода и свойства диодной структуры сохраняются.

Для онределения нутей повышения эффектив1юсти, КПД ФП важным является контроль и анализ характеристик ФП в нроцессе их изготовления, позволяющий обеспечить оптимальные значения параметров ФП и оптимизировать технологический процесс [67].

Разработанная методика (приложение 2) позволяет контролировать время жизни неоеновных носителей заряда при изготовлении больших нланарных кремниевых ФП.

Время жизни ННЗ т являетея одним из основных контролируемых параметров процесса изготовления, изменяя который, можно влиять на КПД ФП, т.к. оно характеризует рекомбинацию носителей заряда в нолупроводниковом материале. С ростом г увеличивается не только ток короткого замыкания 4 j, но и напряжение холостого хода Uo, вследствие уменьшения обратного тока насыщения.

Согласно технологии время жизни ННЗ измеряется: при получении пластин;

перед запуском партии;

после проведения диффузии бора и фосфора;

после проведепия диффузии бора;

па пластинах с удельным сопротивлением более 4,5 Ом-см перед диффузией и после обеих стадий диффузии;

после полного стравливания. Годными считаются нластины с временем жизни т М С после диффузии.

К Значение параметра после формирования диодной структуры находилось в нределах т 10^80 мкс. Эффективная величина т в базовой области ФП была в несколько раз выше, чем в исходных пластинах, за счет эффекта геттерировапия примесей и снижения влияния скорости новерх1юстной рекомбинации. При этом на отдельных образцах достигалось т = 300 мкс, что свидетельствует о возможности суп^ествеппого увеличепия фото-ЭДС ФП в средпем па 30 мВ при увеличепии т в 10 раз [44].

Раснределепие концентрации нримеси по толщине онреде:ииюсь измерением сопротивления слоев при последовательпом их спятии. Тонкие слои снимались анодным окислением и последующим растворепием окисла в плавиковой кислоте. Количество удаленного кремния определялось грубо — по интерферепциоиной окраске окисной плепки в естественном освещении, а более точно - но методу Фра1ща.

Результаты измерений полпого профиля распределения нримеси фосфора и бора в ФП показапы на рис. 2.7. Профиль распределения бора снимался на кремнии n-типа проводимости, в который вводился бор путем его диффузии при температуре 850°С в атмосфере аргона с использованием в качестве источника боросиликатной пленки. Толщина легироваиного слоя и глубина залегания р-п нерехода составляют около 0,5 мкм.

А'.

\ I \ O.^S Q?' гх.^ o.f Q3 '^/tAI Рис. 2.7. Экспериментальный профиль распределения:

1 - фосфора;

2 - бора в легированных слоях ФП Распределении нримесей не соответствует егГс-приближению, концентрации бора и фосфора изменяются вблизи поверхности.

При этом профиль распределения примеси бора у поверхпости приближается к расиределепию согласпо усечеиной модели Смита. Концентрация фосфора в направлении поверхпости уменьшается. Подобное поведение может быть вызвано обратной диффузией нримеси из кристалла, эффектами сегрегации, уменьн1ением доли иоиизированных нрнмесей вблизи гюверхности из-за эффектов осаждения, чрезмерной деформацией ренютки. Анализ нрофиля распределепия примеси показывает, что в дальнейшем можно улумншть иарамегры ФП, исключив появлеиие у гюверхпости участка с отрицательным градиентом концентрации фосфора.

Одной из основных измеряемых характеристик является слоевое сонротивление, Ыа осиове результатов измерений слоевого сопротивлепия и глубины залегания перехода можно достаточно точно количественно оценить диффузионное распределение. Информация о значении слоевого сопротивления в течение диффузии дает возможность постоянно коптролировать качество процессов: учитывать вносимые в систему изменения и быстрее обнаруживать причины возникающих отклонений, брака, дефектов.

Разработанная методика (приложение 2) позволяет коптролировать слоевое сопротивление на протяжепии всего процесса изготовлепия ФП, Согласпо технологии изготовления ФП слоевое сопротивление измеряется: после диффузии бора, со стороны бора (годными считаются образцы с Rc.i 30 Ом/п );

после избирательного травления, со стороны фосфора (годными считаются образцы с Rci^ 800-1000 Ом/п );

после диффузии фосфора, со сторопы, легированной фосфором, и со стороиы, легироваппой бором (годными считаются образцы с К^л = 60-80 Ом/п со стороны, легировап1юй фосфором, и с Ясл 30 Ом/п со сторопы, легированной бором);

после никелирования (для определения толпшны покрытия).

После диффузии Rc_^ со стороны бора 25-^35 Ом/п и со стороны фосфора Rc.i' = 60^80 Ом/п, Слоевое сонротивление пленок никелевого контакта Rc.-t' 5-^8 Ом/п, что соответствует толщине никеля в диаиазоне 0,2-^0,3 мкм, требуемой для качественного покрытия коптактов припоем. Целесообразно добиваться увеличения RJ' В несколько раз, уменьшая то;

нцину легироваипого слоя, но не донуская пробоя тонкого легированного CJЮЯ, что должно привести к повышению тока короткого замыкаиия I^j и КПД, Выводы по главе 2.

1, Разработан способ изготовления кремниевых МФП на базе НОВЕ^Ш многослойной эпитаксиальной структуры и пробоя обратносмещенных р-п переходов, защищенная патентом РФ на изобретенне. Споеоб позволяет увеличить плотноеть микроэлементов в матрице с 10 ем''^ до 100-1000 ем'^ при напряжении 0,3-0.6В на микрофотопреобразователь, выходное нанряжение и мощность, новысить технологичность и производительность, обеснечить высокое качество МФП.

2. В результате исследований технологических нроцессов получены экснериментальпые зависимости и теоретические выражения для определепия напряжепия пробоя при изготовлении МФП на базе многослойной эпитаксиальной структуры, выбраны технологические режимы и параметры нроцесса изготовления.

3. Результаты эксперимептальных исследований характеристик структур и образцов МФП свидетельствуют о том, что изготовление МФП на базе многослойной эпитаксиальной структуры и пробоя обратносмещенных р-п переходов дает возможность получить более равномерное распределение примесей, значительно снизить омические нотери, увеличить выходное напряжение до величипы 0,3-0,6 В иар-п переход.

4. По результатам экспериментов КПД МФП составляет 8-8,6% для МФП с 10 п-р переходами и 8,2-8,5% для МФП с 12 п-р переходами.

Получение слоев энитаксией дает возможность снизить стоимость изготавливаемых МФП за счет снижения трудоемкости, исключения части операций, экономии материала подложки. Общее спижение стоимости составляет до 30%.

5. Проведенные технологические исследования ноказали, что параметры планарпых ФП больнюй площади можно улучншть, исключив появлепие у поверхпости участка с отрицательпым градиептом копцептрации фосфора. Для повышения 1кз. и КПД целесообразно увеличение 11''сл в несколько раз в результате уменьшения толнщны легированного слоя и дальнейшее снижение Rnep. Разработаны методики контроля времени жизни неос1ювных носителей заряда и слоевого сопротивлеиия при изготовлеиии ФП.

Глава 3. Исследование электрических характеристик фотоиреобразователей иа осиове кремииевых п-р-р структур 3.1. Анализ методов расчета электрических иараметров матричиых миогоиереходиых фотоиреобразопателей Для получения максимальной эффективности нреобразования наряду с совершенствованием технологии изготовления МФП необходима оптимизация геометрии микроэлементов, исследование методов расчета электрических параметров фотопреобразователей, нриведение их к общему виду, удобному для практического использования.

Было рассмотрено 20 тинов МФП с вертикальными р-п нереходами, отличающихся электрическими характеристиками и нредставляюнщх иаибольщий интерес для щирокого нрименения [68].Была проведена систематизация и приведеиие к общему виду методов их расчета. Предложенная таблица (приложепие 1) представляется наиболее удобной формой расчета и выбора различных типов МФП но требуемым параметрам.

Цель расчета параметров МФП - получение аналитических выражений фототока 1ф и обратного тока насыщения Isn для различных микроэлементов с граничными условиями, соответствующими нулевой, бесконечно большой или реальной скорости новерхностной рекомбинации на гранях микроэлементов.

Для каждой из рассмотренных моделей решалось уравнение стационарной диффузии для избыточных НПЗ в базовой области микроэлемента, которое в общем случае является уравнением Гельмгольца.

Решение искалось методом разделения неременных в виде разложения в обычный или двойной ряд Фурье.

При выводе аналитических выражений были нрин5ггы следующие донущения:

рекомбинация в области р-п перехода и на рабочих новерхностях не учитывалась;

рекомбинация в области объемного заряда и поверхностные утечки в легированном слое учитывались введением коэффициента А, определяемого экспериментально.

Предполагалось, что глубина залегания вертикальных р-п переходов на гранях микроэлемента мала по сравнению с геометрическими размерами базовой области и генерация ННЗ происходит преимущественно в базовой области, которая дает основной вклад в фототок.

Рассмотрим расчет параметров МФП на примере микроэлемента с р-п переходом па пяти гранях и изотипным /?-/?^ переходом на шестой (п. приложение 1) для более общего случая - трехстороннего освещения, две противоположные rpaini микрофотопреобразователя с р-п и р-р* переходом запяты коммутациопными контактами (рис. 3.1) [69].

у Рис. 3.1. Модель микроэлемента МФП с р-п нереходами на пяти грапях и изотиппым переходом на шестой для случая трехстороннего освещения Найдем полный ток из базы но формуле:

/ = qDn \ grad An (x,y,z) dS (3.1) исходя из того, что:

1з + 14 + Is и иснользуя формулы для вектора плотности тока и его компопентов:

7 = ^А gradAn{x,y,z):

(3.2). •_._. • _ • JZ ~ ох оу OZ ^ Jу ~ JX ~ здесь S - площадь р-п перехода, An{x,y,z) - избыточная концентрация электронов в базовой области;

)„ = Ln/t- коэффициент диффузии ННЗ.

С учетом (3.2) после ввода нри интегрировании по оси Xмалого параметра с, определяющего расстояние между р-п переходом и базовым контактом, уравнение (3.1) примет вид:

dAn{x,y,z) dydz ду 00 дх ОО х= (3.1') dAn{x,y,z) b а-е dxdz + \ \ dxdy\, dz ду оо 2= где a, b, с-геометрические размеры микроэлементов по осям х,у и z, соответственно.

Найдем An{x,y,z), используя уравнение диффузии для электронов в базовой области микроэлемента, которое имеет вид:

(3.3) '/ D L где go" = No^ ae'^^^''^\ go^ - NJ' ae'^^^'''\ go '^ = Ng'^ ae ""•'' - функции генерации по осям у т X, записанные без учета толщины легированной области, т.к. мы пренебрегаем вкладом вертикальной легированной области в фототок;

No^, NJ' и No'^ - число фотонов, падающих в 1 с на 1 см^ поверхгюсти МФП;

а коэффициент поглощения. Знак "(-)" перед индексом координаты указывает направление, с которого освещаются грани микроэлемента.

Считая квантовый выход равным единице, а р-п переход простым и учитывая, что на контакте к базе имеется изотиппый барьер, граничные учитывая, что на контакте к базе имеется изотипный барьер, граничные условия можно записать в виде:

Д/7 (x,y,z)\ х=о= An (x,y,z)\ у=о=Ап (x,y,z)\ y=b= An (x,y,z)\.=0= An (x,y,z)\,=c= A ;

dAn{x,y,z) = 0, 7i дх где: A = Пр (e ^^''^^- I), Пр- равновесная концентрация электронов в базе;

ji - рекомбинационный ток;

U- напряжение иар-п переходе;

К - постоянная Больцмана;

Т- абсолютная температура.

Решение уравнения (3.3) ищем в виде разложения в двойной ряд Фурье:

т=\ л= Используя граничные условия по осям х и у, находим Я„ и ОО со i'{x,y,zj _ =ЕЕЛ)ш(^)*^^^'' m = l /7= _ {2п + 1)л- л 1 - - здесь:/7=0,1,2,3,...;

2а Е Е A«(2)si"^^sinA,,,^ = А, т=\ н= {2пг т7Г U= «1=0,1,2.3,.,.

. (2/ Тогда An[x,y,z)= (3.4) ш=0 н= Подставляя (3.4) в (3.3) и сгруппировав в правой части уравнения члены, не содержание тригонометрические функции, получим:

ОО ЕЕ у sin 2м 2а Lm -'n " Правую часть уравнения (3.5) разложим в двойной ряд Фурье по произведению синусов sin-^^-^^ —х sin^^ 2a b '^' Поскольку первые два слагаемых правой части уравнения (3.5) не зависят от X W у, в двойной ряд Фурье разложим единицу:

(3.6) у.

2а Разложение в двойной ряд Фурье третьего и четвертого слагаемых правой части уравнения (3.5) приводит к следующим результатам:

•У, (3.7) 2а -ТУ (3.8) -у.

sin 2а Подставляя (3.6), (3.7) и (3.8) в уравнение (3.5) получим:

л Д, L:

2а {2т +1 Л" где 2а L Тогда для всех возможных значений т и п справедливо уравнение SIf:16 А общее решеиие которого, можно представить в виде:

(3.9) где: хтг ^rr^i п и (3.10) К=-^-7г.

г. (3.11) Для нахождения нроизвольных ностоянных и i?2 иснользуем R\ граничные условия по оси z, из которых нолучаем уравнения для нахождения /?i и /?2:

(0) = О = (С) = о Решая эту систему уравнений, найдем R\ и jR, (3.12) (3.13) К„,„с -К„„,с Подставив (3.10), (3.11), (3.12) и (3.13) в (3.9) и результат в (3.4), нолучим раснределение избыточных электронов в базе микроэлемента:

X N'/ + (3.4') X shKc. {2m+\) +1 y 2a Подставив выражение для избыточной концентрации электронов (3.4') в (З.Г), в результате интегрирования нолучим уравнение вольтамнерной характеристики:

/кг В котором:

\6N:

к_ (К„,^ -а') (3.14) 2 /нп, (3,15) где 2а Аа_ f[n,c):

~b а Для реальных геометрических размеров и условий освещения микроэлемента возможны следующие унрощения формул (3,14) и (3,15):

О, -ас,,\ Иснользуя унрощения, для численного расчета 1ф и Isn, нолучим сле дующие формулы:

2G Gс Dn^ /, =- I I г^ Г) ^^ тп тп Ij 2 L^L^ r^ Из (3.14) следует формула 1ф для одностороннего освещения по оси z (нриложение 1, н.15). Формулы для обратного тока насыи;

ения для случаев одно- и трехстороннего освещения совнадают, поскольку Is зависит только от конфигурации р-п перехода па гранях микроэлемента.

На основе полученных формул были рссчитаны зависимости тока короткого замыкания (рис.3.2), эффективпости собираиия (табл.3.1) и КПД (табл.3.2) от геометрических размеров микроэлемепта, определены оптимальные размеры для дапного тина микроэлемепта: а=0,1см;

в=0,011см;

с=1см.

При расчете токов были включепы следующие 311ачепия постоянпых: L^ = 1,6-10-^см, г„= 10-^см, == 10-^см, 3 - l O ' W V ', а = 4-10^см-'.

N;

=N^= Расчет эффективности собирания нроводился для чап1е всего встречающегося случая, когда базу ФП можно считать бесконечной ( а, Z — оо), исходя из того, ?

к ЧТО эффективность собирания обладает свойством аддитивности: Q = ^Q, и /=| Q= ——, где Q - эффективность собирапия носителей р-п переходом па N' i-ой грапи, к - число грапей, па которых имеется р-п переход, т., п^ - геомет рические размеры i-ой грапи. При расчете КПД считалось, что последовательпое сопротивлепие пе влияет на фототок и коэффициент заполнения ВАХ, величины коэффициента занолнения и ЭДС припимались равпыми соответствеппо 0,7 и 0,6. В табл.2 приведепы результаты расчета КПД для мопохроматического (Х=1мкм) и солпечпого спектров.

Представлеппый метод применим для любого типа МФП с вертикальпыми р-п переходами. Для косоугольпых фотоматриц, у которых плоскости р-п перехода паклопепы под углом к рабочей новерхпости МФП, диффузиоппое уравнение решается с помоп1,ью фупкций Грипа, с использованием метода коиформных и квазиконформных отображений [71].



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.